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

50661. Метод граничных испытаний на надежность элементов и устройств ИИС 84.5 KB
  Исходные данные Модель исследуемой системы: Максимальная стоимость дополнительных затрат Cmx = 25 у. Практическая часть График рабочей области РО и области безотказной работы ОБР для системы с исходными данными представлен на рис. 1 – рабочая область и область безотказной работы для системы с исходными данными Графически вероятность безотказной работы можно вычислить как...
50662. Измерение шумов и помех в телекоммуникационных системах 124 KB
  На выходе блока питания. На выходе блока усилителя. На выходе псофометра. Среднеквадратичное значение на выходе псофометра.
50663. Исследование цепей согласования выходного усилителя мощности 816 KB
  Цель работы Освоение методики расчета и настройки по приборам цепей согласования усилителя мощности УМ. Схема принципиальная электрическая Расчет колебательной системы Экспериментальная часть 3 6 9 12 15 18 21 24 27 17 16. При определенном значении достигают максимального значения которое соответствует критическому режиму работы транзистора. При настройке в резонанс достигается минимальное значение и максимальные значения и .
50664. Метод последовательного анализа при испытании на надежность 86.5 KB
  В качестве результатов испытаний приведены статистика отказов и графики зависимости отказов от времени: 1я реализация № отказа Время отказа 1 305 2 683 ИСПЫТАНИЕ ЗАВЕРШЕНО Граница браковки: 52. 1 Зависимость числа отказов от времени для 1 реализации 2я реализация № отказа Время отказа 1 311 2 377 3 693 ИСПЫТАНИЕ ЗАВЕРШЕНО Граница браковки: 52. 2 ...
50665. Релігія в світовому культурно-історичному просторі 103.5 KB
  Світові релігії в культурно-історичному просторі. Естетичні канони й етична програма буддизму. Етико-естетичні концепції християнства. Естетичний вимір Корану як священної книги ісламу. Особливості мусульманського мистецтва...
50666. Частотные модуляторы 195 KB
  Схема принципиальная электрическая ЧМ автогенератора с варикапом Схема принципиальная электрическая ЧМ автогенератора с реактивным транзистором Расчет Экспериментальная часть Выводы В ходе лабораторной работы были исследованы частотно-модулированные колебания в ЧМ автогенераторе с варикапом и реактивным транзистором. В схеме с варикапом видно что: Уходит значение центральной частоты.
50667. Исследование компенсационных стабилизаторов напряжения 831 KB
  Входное напряжение при номинальном рабочем режиме схемы: Выходное напряжение при номинальном рабочем режиме схемы: Увеличенное входное напряжение: Выходное напряжение при увеличенном входном напряжении: Измерение выходного сопротивления Выходное напряжение стабилизатора с нагрузкой...
50668. Изучение методов структурного резервирования 96.5 KB
  Возможные типы резервирования: Общее нагруженное резервирование. Поэлементное нагруженное резервирование. Общее резервирование замещением. Поэлементное резервирование замещением.