12201

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ РАБОТЫ ЛАЗЕРА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ.

Лабораторная работа

Физика

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ РАБОТЫ ЛАЗЕРА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ И ИНТЕРФЕРЕНЦИИ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА. Методические указания по выполнению лабораторных работ № 717273 по курсу

Русский

2013-04-24

872.5 KB

12 чел.

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ РАБОТЫ ЛАЗЕРА.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ И ИНТЕРФЕРЕНЦИИ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА.

Методические  указания по выполнению лабораторных работ

№ 71,72,73 по курсу  «Физика» для студентов инженерно-технических специальностей

Курск 2010

УДК 53

Составители: Л.А. Желанова, А.А. Родионов

Рецензент

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики

Е.В. Пьянков

Изучение физических основ работы лазера. Определение длины волны лазерного излучения с помощью дифракционной решётки. Исследование явления дифракции и интерференции с помощью лазера: методические указания по выполнению лабораторных работ № 71,72,73 по курсу «Физика» для студентов инженерно-технических специальностей / Курск, гос. техн. ун-т; сост.: Л.А. Желанова, А.А. Родионов. Курск, 2010. 7 с. Библи-огр.: с.7.

Содержат сведения по изучению явления внутреннего фотоэффекта.

Предназначены        для        студентов        инженерно-технических специальностей дневной и заочной форм обучения.

Текст печатается в авторской редакции

Подписано в печать . Формат 60x84 1/16. Усл.печ.л. 3,13. Уч.-изд.л. 3,37. Тираж 100 экз. Заказ. Бесплатно.

Курский государственный технический университет. Издательско-полиграфический центр Курского государственного технического университета. 305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

Цель работ: знакомство с конструкцией и принципом действия лазера, а также использование его для изучения интерференции и дифракции света.

Принадлежности: оптический лазер, дифракционная решетка, щелевая диафрагма, непрозрачный экран.

Теоретическое введение

1. Физические основы работы гелий-неонового лазера.

Основной элемент лазера - разрядная трубка 1 (рис. 1) с накаливаемым катодом 2 и анодом 3. В трубке находится гелий и неон с парциальным   давлением 130 и 13 Па соответственно. За счет разогрева катода при разности потенциалов между анодом и катодом 2-2,5 кВ через трубку идет ток 40 мА. При этом неон дает видимое излучение за счет возбуждения атомами гелия. Атомы гелия возбуждаются электронами, возникающими при газовом разряде в трубке.                                                                                      

                                                       Рис. 1. Разрядная трубка

Схема энергетических уровней Не и Ne представлены на рис.2. Обычно отдельные возбужденные атомы переходят самопроизвольно на более низкие энергетические уровни независимо друг от друга, поэтому свет, излученный всей группой атомов не когерентен. В лазере эти атомы совершают переход упорядоченно по отношению друг к другу. Эта фазировка колебаний атомов обуславливается индуцированным испусканием и наличием резонатора. Когда переход возбужденного атома Ne на более низкий уровень индуцируется ("наводится") квантом света, то этот атом Ne излучает фотон той же частоты и фазы, что индуцирующий фотон, испущенный каким-либо атомом Ne.

Это позволяет сфазировать колебания атомов между собой, а с другой стороны, когерентно усиливать свет. Любой квант света, возникший в результате самопроизвольного перехода атома Ne с верхнего уровня на нижний, будет размножен индуцированным излучением той же частоты (и фазы) других возбужденных атомов Ne. Так образуется лавина фотонов, что дает мощное когерентное излучение высокой степени монохроматичности. Роль резонатора (как и звуковых волн в резонаторе Гельмгольца) сводится к выделению из всего возможного спектра только тех типов колебаний (мод), на которые он настроен.

Для успешной работы этого механизма усиления света нужно, чтобы число индуцированных (наведенных) переходов с испусканием фотонов было больше числа переходов с поглощением фотонов той же частоты, а для этого нужно, чтобы число атомов Ne с электронами на верхнем уровне было больше числа невозбужденных атомов. Такое состояние системы атомов называют состоянием инверсной заселенности (или отрицательной температуры) по этим двум уровням. В лазерах активная среда и представляет собой такую систему, эта среда играет роль усилителя в радиотехнических генераторах, самопроизвольное излучение - роль шума, а резонатор - роль системы обратной связи с фазирующей цепью (например, ламповый генератор незатухающих колебаний).

Резонатором является система плоских зеркал 4, 5 (рис.1) параллельных друг другу. Многократное прохождение излучения вдоль оси разрядной кварцевой трубки 1 приводит к формированию когерентного излучения при исключительной его направленности. Точность обработки плоскости зеркал ≈0,01 мкм. Угол между зеркалами 4 и 5 не больше 0,5". Коэффициент отражения зеркал ≥99%. Разряд в трубке (возбуждение атомов Не) осуществляется на частоте 27 МГц. Стабильность частоты излучения лазера не хуже 20 Гц за несколько секунд. Расходимость пучка около 20".  

Инверсия заселенности создается за счет использования верхних уровней атомов неона 2S (рис.2). Перевод же атомов Ne в 2S состояние производится с возбужденного уровня Не 2"S, очень близкого к уровням неона 2S, при соударении атомов Не и Ne. В гелий-неоновом лазере используется переход 3S→2р.

2. Схема установки и порядок работы с лазером.  

Применяемый в данной работе газовый лазер состоит из трубки 1 на рейторах 2, перемещающихся по оптической скамье 3 и блока питания (рис. 3). На рейторе 4 крепится регулируемая щелевая диафрагма 5. На скамье устанавливается экран 6 с миллиметровой шкалой, дифракционная решетка и линза.

Включение лазера

Включаем тумблер "сеть" на панели блока питания. После этого лазер включается.

НАДО ПОМНИТЬ!

1.   Прямое попадание лазерного луча в глаз недопустимо (вызывает слепоту), поэтому надо пользоваться экранами с рассеивающей поверхностью и ни в коем случае зеркальной.

2. Включать лазер может только лаборант или преподаватель.

3. Всякое перемещение трубки включенного лазера недопустимо!

Задание 1. Измерение длины волны излучения лазера с помощью 

       дифракционной решетки.

Для этого устанавливаем щелевую диафрагму 5 (рис.3), полностью раскрываем винтом, либо убираем, и вместо неё ставим дифракционную решетку с постоянной d. Объектив снимаем со скамьи 3. Включаем лазер и устанавливаем экран перпендикулярно пучку и дифракционной решетке (добиваемся совпадения светового блика, отраженного от решетки, с центром лазерного пучка).

На экране наблюдается множество неперекрывающихся спектров разных порядков. В центре располагается спектр нулевого порядка (к = 0). Под расстоянием между дифракционными спектрами понимают расстояние между серединами спектров (полосок). Длина волны определяется по формуле d*sinφ = (k = ±1, ±2,..., ±kmax), где φ - угол дифракции (рис. 4).

Угол φ определяется из соотношения: Хк / 2L = tg φ k , где Хк - расстояние между левым и правым максимумом порядка k. Расстояние от дифракционной решетки до плоскости экрана L = l ± Δl1 ± Δl2.

Основной отрезок  l - расстояние между рейтором 5 (рис.3) и экраном 6 -отсчитывается по шкале скамьи. Отрезок Δl1 - расстояние между дифракционной решеткой и отсчетной пластинкой с риской на корпусе рейтора 5. Расстояние Δl2 измеряется между экраном и отсчетной пластинкой с риской на рейторе. Для k > 0 и k < 0 измеряется Хк. Для каждого Хк рассчитывают λ. Затем находят λ среднее из всех измерений.

Задание 2. Наблюдение явления дифракции на щели.

Вместо дифракционной решетки ставим щелевую диафрагму, ширину которой берем такой, чтобы расстояние между левым и правым максимумами первого порядка было не более 40 мм. На основе соотношения условия наблюдения максимумов:

находим ширину щели b для трех значений k. Определяем среднее значение b.

Задание 3. Изучение дифракции Френеля у прямолинейного края

       непрозрачного экрана.

В данном задании необходимо получить цилиндрическую волну, падающую на кромку препятствия. Получают ее так:  щелевую диафрагму 5 (рис. 5) раздвигаем на 2 мм для получения  прямоугольного пучка. Ставим объектив 6 3,7x0,11. Из его фокуса F распространяется цилиндрическая монохроматическая волна, попадающая на препятствие 7 на расстоянии 35 мм от него/

Задание 4. Наблюдение полос равного наклона.

Длина цуга волны, излучаемой лазером, велика, поэтому можно наблюдать интерференцию при большой разности хода. Сферическая волна, выходящая из фокуса F (рис. 6) попадает на пластинку 2. Используется объектив 8x22.

Отражения от передней и задней поверхности пучка дают на экране 3 концентрические кольца (если линза 1 и пластинка 2 (рис.6) расположены перпендикулярно лазерному пучку). Центр картины должен совпадать с осью объектива. Условие минимума для угла падения запишется в виде 2*d*n*cos(r) = , где d - толщина пластинки, n = 1,511 - показатель преломления стекла. Угол  преломления r внутри пластины связан с углом падения на пластину  sin i / sin r = n. При малых углах

i / r ≈ n. Тогда cos(r) = l и 2*d*n = kλ. To есть, измеряя

d и k (номер   темного   кольца),   можно вычислить λ (k = 0 для центрального кольца).

Если измерять радиусы темных колец Rk на экране 3 (рис. 6) и расстояние L,  то tg(i k) = Rk / 2L

Отсюда, зная n, находим Rk. Далее необходимо замерить все видимые диаметры светлых и темных колец и рассчитать углы r для них. Затем найти среднее значение λ излучения лазера.

Контрольные вопросы:

1.   Физические основы работы гелий-неонового лазера.

2.   Механизм возникновения индуцированного излучения.

3.  Понятие о инверсной заселенности и отрицательных температурах.

4.   Свойства лазерного излучения.

5.  Лазеры непрерывного и импульсного действия. Твердотельные, жидкостные лазеры.

6. Условия возникновения дифракционных минимумов и максимумов на дифракционной решетке и на одиночной щели.

7. Дифракция Френеля от прямолинейного края непрозрачного экрана.

8. Схема наблюдения полос равного наклона с помощью лазера.

Библиографический список

  1.  Савельев И.В., Курс физики. М.: 2006. Т.3. с. 146-156
  2.  Савельев И.В., Курс физики. М: 2007. Т.2. с. 345-364, с. 378-402
  3.  Детлаф А.А., Яровский Б.М. Курс физики. М.: 2003. с. 419-430, с. 435-449, с. 570-576


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76385. Основания прекращения полномочий Президента. Процедура отрешения его от должности 32 KB
  Основания прекращения полномочий Президента. 92 предусматривает несколько оснований прекращения полномочий Президента РФ. Полномочия Президента РФ могут быть прекращены досрочно: 1 по инициативе самого Президента РФ в случае его отставки; 2 по не зависящим от воли Президента РФ причинам в случае.стойкой неспособности Президента РФ по состоянию здоровья осуществлять принадлежащие ему полномочия; 3 по инициативе Федерального Собрания в случае принятия им решения об отрешении Президента РФ от должности.
76386. Администрация Президента РФ 38 KB
  Администрация формируется в целях: обеспечения реализации Президентом Российской Федерации полномочий главы государства; осуществления контроля за исполнением решений Президента Российской Федерации; подготовки предложений Президенту Российской Федерации о мерах направленных на охрану суверенитета Российской Федерации ее независимости и государственной целостности; разработки общей стратегии внешней политики Российской Федерации обеспечения реализации Президентом Российской Федерации его полномочий по руководству внешней политикой...
76390. Конституционный Суд РФ. Полномочия судьи Конституционного Суда Российской Федерации 57 KB
  Конституционный Суд Российской Федерации состоит из девятнадцати судей назначаемых на должность Советом Федерации по представлению Президента Российской Федерации. Конституционный Суд Российской Федерации вправе осуществлять свою деятельность при наличии в его составе не менее трех четвертей от общего числа судей. Полномочия Конституционного Суда Российской Федерации не ограничены определенным сроком. Конституционный Суд Российской Федерации рассматривает и разрешает дела в пленарных заседаниях и заседаниях палат Конституционного Суда...
76392. Конституционно-правовые отношения: понятие, субъекты и объекты 42 KB
  Это общественные отношения урегулированные нормами конституционного права содержанием которых являются юридические связи между субъектами в форме прав и обязанностей предусмотренных конкретными нормами. Специфика конституционноправовых отношений по сравнению с другими видами правоотношений состоит в следующем: 1 конституционноправовые отношения имеют свое собственное содержание: возникают в особой сфере отношений составляющих предмет конституционного права; 2 конституционноправовым отношениям свойствен особый субъектный состав:...