12209

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА СВЕТА

Лабораторная работа

Физика

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА СВЕТА Методические указания по выполнению лабораторной работы № 86 по оптике для студентов инженернотехнических специальностей Курск 2010 УДК 681.787.2 Составители: А.А. Родионов Л.П. Петрова В.Н. Бур

Русский

2013-04-24

103 KB

10 чел.

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА СВЕТА

Методические указания по выполнению лабораторной работы

№ 86 по оптике для студентов инженерно-технических

специальностей

Курск 2010

УДК 681.787.2

Составители: А.А. Родионов, Л.П. Петрова, В.Н. Бурмистров

Рецензент

Кандидат физико-математических наук, доцент В.М. Пауков

Изучение свойств лазерного пучка света [Текст]: методические указания по выполнению лабораторной работы по оптике № 86 для студентов инженерно-технических специальностей / Юго-Зап. гос. ун-т; сост.: А.А. Родионов, Л.П. Петрова, В.Н. Бурмистров. Курск, 2010. 10 с.: ил. 4. Библиогр.: с.10.

Содержат сведения по изучению свойств и основных характеристик лазерного пучка света.

Методические указания соответствуют требованиям программы, утвержденной учебно-методическим объединением для студентов инженерно-технических специальностей.

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

Текст печатается в авторской редакции

Подписано в печать    . Формат 6084 1/16.

Усл.печ.л.      Уч.-изд.л.  Тираж 100 экз. Заказ.      Бесплатно.

Юго-Западный  государственный  университет.

305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94.


Цель работы: научиться экспериментально определять важнейшие параметры светового пучка газового лазера.

Принадлежности: лабораторный оптический комплекс ЛОК-1М с лазером, оптической скамьей, фоторегистратором и набором оптических элементов.

Теоретическое введение

Удобным и зачастую незаменимым источником направленного пучка электромагнитных волн, в том числе и в оптическом (световом) диапазоне частот, являются газовые лазеры.

Принцип действия лазеров основан на использовании индуцированного излучения. При вынужденном переходе электрона в атоме с одного из возбужденных уровней на более низкий энергетический уровень происходит излучение фотона, дополнительного к тому фотону, под действием которого произошел переход. Это дополнительное излучение и называется вынужденным или индуцированным. Направление его распространения совпадает с направлением распространения внешнего излучения, вызвавшего переход, более того, внешнее и вынужденное излучения когерентны (поскольку совпадают частота, фаза и поляризация вынужденного и внешнего излучений). Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе действия усилителей и генераторов света, называемых лазерами.

Принцип усиления света предложил в 1940 г. русский физик Фабрикант В. А., а идея использования этого принципа в микроволновом диапазоне электромагнитных колебаний (1953 г.) принадлежит российским ученым Басову Н. Г. и Прохорову А. М. и американским физикам Таунсону Ч. и Веберу Дж.

Лазер представляет собой открытую коллективную систему, способную к обмену энергией с веществом окружающей среды. Лазер состоит из устройства накачки, оптического резонатора и рабочего тела.

В качестве рабочего тела в атомарном лазере используется гелий-неоновая смесь, находящаяся в оптическом резонаторе в виде трубки с зеркальными торцами, один из которых полупрозрачный. Устройство накачки представляет собой радиочастотный генератор, при работе которого возбуждается тлеющий разряд.

Работа атомарного газового лазера основана на явлении индуцированного излучения в активной среде. В гелий-неоновом лазере активной средой являются атомы неона, получающие энергию от тлеющего разряда. При этом атомы неона переходят с основного энергетического уровня E1 на верхний возбужденный уровень E2.

Первый возбужденный уровень атомов гелия совпадает с верхним возбужденным уровнем атомов E3 неона. Поэтому при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона с энергией E1 происходит передача возбуждения, в результате которой атомы неона перейдут на верхний уровень E3, а атомы гелия возвратятся в основное состояние. При достаточно большом числе атомов гелия в газовой смеси можно добиться преимущественного заселения уровня неона. Переход с уровня E3 на уровень E2 сопровождается лазерным излучением. Когда накачка не включена, то густо заселен нижний уровень E1. Если накачка включена, но мощность ее не достигает пороговой, то только часть электронов атомов гелия переходит на возбужденный уровень. Когда заселенность верхнего уровня становится критической, наблюдается кооперативый эффект: в переходах на основной уровень, испущенный каким-либо одним электроном фотон, вызывает испускание другого фотона, затем оба фотона вызывают испускание третьего и т.д. При этом излучение отличается когерентностью и низкой расходимостью пучка. Торцевые зеркала оптического резонатора увеличивают лавину излучений и обеспечивают усиление только определенной частоты (“моды”).

Лазеры (оптические квантовые генераторы) находят самые разнообразные применения во многих областях науки и техники, медицины и т.д. Лазеры бывают непрерывного действия и импульсные. В том случае, когда напряженность электрического поля в луче лазера много меньше ее значения внутри атомов (малые интенсивности лазерного пучка), мы имеем дело с так называемыми линейными оптическими явлениями (линейная оптика). В этом случае выполняется принцип суперпозиции световых волн в геометрической оптике. Для мощных лазерных пучков, в которых напряженность электрического поля становится соизмеримой с ее значением внутри атомов, принцип суперпозиции в среде оказывается нарушенным, при этом наблюдается ряд нелинейных эффектов (нелинейная оптика). К числу нелинейных эффектов относится появление в отраженном свете колебаний с удвоенной частотой по отношению к падающему свету. До некоторой интенсивности пучка, называемой критической, пучок распространяется, не испытывая расходимости, при закритической интенсивности наблюдается сжатие пучка – самофокусировка. Регистрируются и оптические гармоники с удвоенной, утроенной и т.д. частотой, наблюдается многофотонное поглощение света (одновременно несколько фотонов переводят один электрон на высокий энергетический уровень), а также многофотонный фотоэффект и другие нелинейные явления.

В данной работе необходимо определить линейный и телесный углы расходимости лазерного излучения гелий-неонового лазера ЛГН-203, энергетическую Јэ (Вт/стер) и фотометрическую Ј (кд) силу света лазера, исследовать зависимость интенсивности I (r) от расстояния от центра пучка, где I = I0.

Действие света на глаз в большой степени зависит от длины волны. Функция видности V – это относительная спектральная кривая эффективности монохроматического излучения. Она показывает, как глаз воспринимает излучение различного спектрального состава. Наиболее чувствителен глаз к излучению с длиной волны 555 нм (зеленая область спектра). Функция видности для этой длины волны принята за единицу. При том же потоке энергии оцениваемая зрительно интенсивность света для других длин волн оказывается меньше. Соответственно и функция видности для этих длин волн меньше единицы. Значения функции видности обратно пропорциональны величинам энергетических потоков, которые вызывают одинаковое по интенсивности зрительное ощущение.

Функция видности для длины волны лазера λ = 0,6328 мкм имеет значение V = 0,25, мощность излучения лазера Р = 2 мВт. Опытным путем установлено, что световому потоку в 1 лм, образованному излучением с λ = 0,555 мкм, соответствует поток энергии в 0,0016 Вт. Величина А = 0,0016 Вт/лм носит название механического эквивалента света.

Порядок выполнения работы:

1. Для изучения распределения интенсивности по сечению лазерного пучка снимите с оптической скамьи все держатели, кроме блока регистрации. Свет лазера зеркалами направляется на блок регистрации, состоящий из установленных на передвижном столике 1, кассеты 2 с линзой 3 и фоторегистратора 4. Линза 3 дает увеличенное изображение лазерного пучка на экране фоторегистратора, не изменяя распределение интенсивности света по сечению пучка. Фоторегистратор предназначен для визуального определения координат характерных точек изображения и для измерения распределения его интенсивности. Координаты определяются по горизонтальной и вертикальной шкалам с ценой деления 1 мм. Интенсивность измеряется фотодатчиком. Входное окно 5 фотодатчика перемещается в прорези лицевой панели регистратора барабаном 6. Один оборот барабана смещает датчик на 1 мм, ширина окна фотодатчика 0,3÷0,4 мм. На задней стенке регистратора установлены два разъема. К одному из них подключается блок питания фоторегистратора, к другому – вольтметр. Сетевой шнур лазера включается в розетку на задней стенке установки, тумблер включения лазера находится справа на задней стенке корпуса лазера.

2. Произвести юстировку луча лазера и деталей (элементов) оптической скамьи. Юстировка луча лазера имеет целью выставить луч так, чтобы он проходил строго параллельно оптической скамье на высоте 40 мм над основанием скамьи. Юстировку лучше выполнять достаточно подготовленному персоналу, имеющему опыт работы с оптическими приборами.

3. Определить увеличение β линзы 3. Для этого после юстировки лазера установите перед рейтером № 4 расширитель пучка (рейтер № 6 линзой) и подберите его положение так, чтобы вблизи линзы рейтера № 4 получить освещенную площадку диаметром 10-20 мм. Установите в кассете рейтера № 4 калибровочную сетку (элемент № 1), цена деления которой h = 1 мм. На шкале фоторегистратора определите координаты нескольких штрихов изображения сетки и найдите расстояние H между соседними линиями. Линейное увеличение линзы рейтера № 4 будет:

Β = H/h.

4. Специальными проводниками с разъемами соедините фоторегистратор с вольтметром и включите питание фоторегистратора. На вольтметре переключатель установите в положение “вольты” и включите прибор в сеть. Подберите предел измерений вольтметра так, чтобы он не “зашкаливал”.

5. Измерьте распределение интенсивности луча лазера по диаметру, смещая фотодатчик шагами в 1 мм слева направо. Постройте график этого распределения I(x). Проверьте, насколько хорошо это распределение соответствует Гауссову распределению:

.

По кривой распределения найдите величину ρ. Заметим, что здесь I = I0 при x = 0, ρ – расстояние на экране от центра пятна, для которого интенсивность I уменьшается в е раз по сравнению с I0. Можно считать, что диаметр лазерного пучка d = 2ρ. Интенсивность можно отсчитывать по вольтметру в произвольных единицах.

6. Определите диаметр пучка на экране фоторегистратора при нескольких положениях столика с блоком регистратора на оптической скамье, беря отсчет y против риски столика по линейке скамьи. Построив график зависимости d от продольной координаты у положения фоторегистратора, определите линейный угол расхождения пучка лазера φ = ∆d/∆y, а затем и телесный угол расхождения ω = πφ² (стерадиан).

7. Найдите энергетическую силу света лазера Јэ = PВт/стер, где Р = 2 мВт, а затем фотометрическую Ј = V Јэ А-1 люмен/стер, где видностъ V = 0,25, А = 0,0016 Вт/лм, 1 люмен/стер = 1 кандела.

8. Оцените среднюю напряженность электрического поля в лазерном пучке, найдя вначале численное значение вектора Пойтинга  Вт/м2, затем объемную плотность электромагнитной энергии S/с, где c = 3·10 м/с, и используя соотношение  Вт·c/м3, получаем  В/м, где ε0 = 8,85·10-12 Ф/м. Сравните эту величину с напряженностью электрического поля, например, для атома водорода , где е = 1,6·10-19 Кл, первый боровский радиус м, ћ = h/2π, h = 6,62·10 Дж·c, масса электрона m = 9,11·10-31 кг. Оцените отношение E/Eат.

9. После завершения экспериментальных работ отключите лазер и всю установку от сети.

ВНИМАНИЕ: при работе на установке во избежание потери зрения категорически запрещается поворачивать оборотные зеркала, т.к. это может привести к попаданию прямого луча лазера в глаз. Следует остерегаться попадания в глаз и отражений луча лазера, от каких либо других зеркальных поверхностей.

Контрольные вопросы:

  1.  Устройство, назначение и принцип работы лазера.
  2.  Основные параметры лазерного пучка света.
  3.  Какие вы знаете применения лазера в науке и технике?
  4.  Изложите методику изучения распределения пучка лазера по сечению луча, используемую в данной работе.
  5.  Что такое мощность пучка, энергетическая сила света, фотометрическая сила света?
  6.  Что такое функция видности?
  7.  Вектор Пойтинга, его связь с объемной плотностью энергии электромагнитной волны, физический смысл вектора Пойтинга.

Библиографический список:

1. Савельев И. В. Курс физики [Текст] : учебное пособие : в 3 т. Т. 3 : Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц / И. В. Савельев. - 2-е изд., стер. - СПб. : Лань, 2006. - 320 с.;

2. Детлаф А. А. Курс физики  [Текст]: учеб. пособие / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский; . - 4-е изд., испр. - М. : Высшая школа, 2002.

 


Вспомогательные атомы
He

Рабочие атомы Ne

Возбуждение электронным ударом

Возбуждение электронным ударом

еренос энергии при соударениях

Верхний лазерный уровень

Лазерное излучение

Нижний лазерный уровень

Е3

Е2

Е1

2

3

1

4

6

5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25390. Особенности организации, управления и администрирования в социальной работе 17.28 KB
  Особенности организации управления и администрирования в социальной работе Менеджмент – специфическая часть теории и практики управления. управления явл. Менеджмент в СРе управление – это система гибкого предприимчивого управления в общественаправленная на эффективное регулирование соцго положения всех участников общественной жизни и на обеспечение их развития как Sов всех видов общественных отношений на обеспечение достойного цивилизованного существования. Оми управления в соц.
25391. Особенности организации, управления и администрирования в социальной работе 21.73 KB
  Особенности организации управления и администрирования в социальной работе. Организация управление и администрирование в социальной работе особый вид профессиональной деятельности который сводится не только к достижению целей организации но и является средством поддержания целостности любой сложной социальной системы ее оптимального функционирования и развития. Такая деятельность необходима для повышения эффективности функционирования системы социальной защиты населения и как следствие роста благосостояния обеспечения...
25392. Экономические основы деятельности организациЙ и учреждений в социальной работе 45 KB
  Правовой основой регламентирующей деятельность учреждений предприятий социальных служб является ФЗ ОБ основах социального обслуживания населения в РФ.обслуживание входят: государственные федеральные региональные; Эта система состоит как из государственных предприятий и учреждений социального обслуживания являющихся федеральной собственностью и находящихся в ведении федеральных органов государственной власти так и из государственных предприятий и учреждений социального обслуживания являющихся собственностью субъектов Российской...
25393. Права человека 43.5 KB
  Они зафиксированы во Всеобщей декларации прав человека 1948 которая определяет основные права и свободы всех людей охватывая при этом гражданские политические экономические социальные и культурные права; сама по себе декларация не имеет юридической силы она представляет собой свод нравственных норм Международном пакте о гражданских и политических правах человека и Международном пакте об экономических социальных и культурных правах 1966 вступили в силу для России в 1976. Согласно Всеобщей декларации прав человека идеал...
25394. Основные характеристики и проблемы граждан пожилого и старческого возраста в современной России 50 KB
  Ритм старения существенно зависит от образа жизни пожилых людей как правило пенсионеров их положения в семье уровня жизни условий труда социальных и психологических факторов. Среди пожилых людей выделяются самые разные группы: бодрые физически здоровые больные живущие в семьях одинокие довольные уходом на пенсию еще работающие но тяготящиеся работой несчастные отчаявшиеся в жизни малоподвижные домоседы проводящие интенсивно разнообразно свой досуг ходят в гости встречаются с друзьями посещают клубы и т. Для социальных...
25395. Технологии социальной работы с пожилыми и старыми людьми 44 KB
  №195ФЗ Об основах социального обслуживания населения в РФ; ФЗ от 02. №473 О порядке и условиях оплаты социальных услуг предоставляемых гражданам пожилого возраста и инвалидам государственными и муниципальными учреждениями социального обслуживания; Постановление Правительства РФ от 25. №1151 О Федеральном перечне гарантированных государством социальных услуг предоставляемых гражданам пожилого возраста и инвалидам государственными и муниципальными учреждениями социального обслуживания; Указ Президента РФ от 29. №115 О мерах по...
25396. Молодежь как половозрастная группа, ее основные характеристики. Проблемы социализации молодежи в современной России 45.5 KB
  Проблемы социализации молодежи в современной России. Анализ современных проблем молодежи нельзя не начать с уточнения понятия молодежь. К проблемам социализации молодежи в современной России можно отнести: ухудшение материального и духовного благосостояния молодежи рост числа нетрудоустроенных выпускников рост числа преступлений среди молодежи рост случаев жестокого обращения с детьми физическое и психологическое насилие над подростками и молодежью увеличение числа больных психическими заболеваниями проблема детской беспризорности и...
25397. Государственная молодежная политика как механизм решения социальных проблем молодежи 50.5 KB
  Государственная молодежная политика как механизм решения социальных проблем молодежи Молодежь – это социальнодемографическая группа специфические социальные и психологические черты которой обусловлены возрастными особенностями молодых людей процессом становления их духовного мира социализации спецификой положения в социальной структуре общества. Чтобы поддержать это чувства баланса у молодежи необходимо заниматься решением всего комплекса молодежных проблем. Решение многообразных и острых проблем молодежи в России возможно лишь при...
25398. Система социальных служб для молодежи, ее специфика 49 KB
  Система социальных служб для молодежи ее специфика Молодежь это социальнодемографическая группа переживающая период становления социальной зрелости адаптации к миру взрослых и будущие изменения. К числу особо тревожных тенденций в молодежной среде относится отставание уровня образования от уровня достигнутого наиболее развитыми странами; ускорение падения престижа общего и профессиональнотехнического образования; увеличение числа молодежи начинающей трудовую деятельность с низким уровнем образования и не имеющей желания продолжать...