Дослідження лазерного випромінювання за допомогою дифракційної гратки.

Прилади і приладдя: оптичний квантовий генератор (лазер), дифракційна гратка, шкала з фоторезистором, що переміщується, мікроамперметром з сухим елементом.

Мета роботи: засвоїти принцип дії лазерів і визначення довжини хвилі лазера за допомогою дифракційної гратки.

 

Коротка теорія і методика вимірювань

 

В основі роботи квантових генераторів лежить явище індукованого випромінення, суть якого полягає ось у чому. Нехай електрон в атомі знаходиться у двох станах 1 і 2 (рис. 1), що характеризується енергіями W₁ і W₂.

2 W₂ W₂

1 W₁ W₁

 

Рис.1 Рис.2

Щоб перевести електрон з рівня 1 на більш високий енергетичний рівень 2, йому треба надати енергії ε = h υ, де h - стала Планка, що дорівнює h = 6,62^.10^-34 Дж^.c; υ- частота випромінювання, що поглинається. Енергія фoтона, що поглинається, має бути не менша за різницю W₂ – W₁.

Із стану 2 в стан 1 електрон може повернутися двома способами. Перший – самодовільний - спонтанний перехід з випроміненням фотона з енергією ε, що дорівнює поглинутій енергії.

Оскільки різні атоми випромінюють незалежно один від одного, то спонтанне випромінення є некогерентним.

Другий спосіб повернення електрона в стан W₁ - індукований перехід під дією випромінювання з енргією фотонів ε, рівною різниці енргій W₂–W₁. Супроводжуюче індуковані переходи випромінювання має ту ж частоту, спрямованість поширення, поляризацію і фазу, що і вимушуюче випромінювання. Однаковість фаз вимушуючого і індукованого випромінювань зумовлює когерентність індукованого випромінювання.

Звичайно під дією випромінювання з енергією ε відбуваються одночасно як переходи електронів у збуджений стан, так і індуковані переходи в стан нормальний. В системах, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, найбільше число електронів знаходиться в стані 1, тому під дією зовнішнього випромінювання переважно йдуть процеси поглинання випромінювання з переходом в стан 2. Якщо ж створити таку систему, в якій число електронів у збудженому стані більше, ніж в основному стані (на нижньому рівні), то випромінювання з енергією ε викличе переважно індуковане випромінювання. Схема цього процесу подана на рис.2.

Системи, у яких число електронів у збудженому стані більше, ніж в основному, називають системами з інверсною заселеністю рівнів. Такі системи використовуються на практиці для створення квантових генераторів. Квантовий генератор, що випромінює в діапазоні довжин хвиль видимого світла, носить назву лазера. Цей термін утворений початковими буквами слів англійської фрази, що означає “ підсилення світла за допомогою індукованого випромінювання”. В нинішній час випускаються різні марки лазерів, інверсна заселеність в яких робиться оптичною накачкою, в результаті пропускання електроструму або за допомогою газового розряду.

В даній роботі вивчається гелій-неоновий лазер, в якому інверсна заселеність створюється газовим розрядом. Робоча речовина в даному типові лазерів – гелій-неонова суміш газів під тиском близько 1 мм. рт. ст. – міститься у кварцевій трубці, на кінцях якої розміщені два дзеркала: одне – з високою відбиваючою здатністю, друге – напівпрозоре. Газовий розряд в трубці підтримується високочастотним генератором. Напівпрозоре дзеркало поглинає до кількох відсотків падаючого на нього світла, а решта випромінювання відбиває у випромінююче середовище. В результаті кожний фотон, перш ніж вийти через напівпрозоре дзеркало, багаторазово пронизує активну речовину лазера, викликаючи індуковане випромінювання багатьох збуджених атомів. Цим досягається велика густина випромінювання. Багаторазово можуть відбитися від дзеркала тільки ті промені, що падають на дзеркало під малими кутами, тому випромінювання зосереджено в межах вузького тілесного кута. Цим визначається можливість одержання в лазерах променів великої яскравості і малої розбіжності.

Характерні особливості лазерного випромінювання:

1. Спрямованість випромінювання. Світловий потік зосереджений в межах малого тілесного кута з отвором не більше ніж 30^// (у прожекторів цей кут в сотні разів більший).

2. Когерентність. Інші джерела когерентного світла невідомі.

3. Поляризованість. Повністю поляризовані малоінтенсивні промені від інших джерел можна одержати тільки за допомогою додаткових приладів.

4. Монохроматичність. Інші джерела дають випромінювання в широкому інтервалі довжин хвиль.

Визначення довжини хвилі випромінювання лазера в даній лабораторній роботі проводиться за допомогою установки, схема якої подана на рис.3. Світло від лазера падає на дифракційну гратку ДР, при цьому на екрані Е спостерігається дифракційна картина. Умова спостерігання максимумів освітленості на екрані визначається рівнянням:

b sinφ = kλ, (1)

де λ - довжина хвилі випромінювання лазера; k = 0, 1, 2 …..- порядок дифракційного максимуму; b - стала дифракційної гратки, яка дорівнює відстані між сусідніми щілинами; φ - дифракційний кут, що знаходиться між первинним пучком і напрямком на максимум k -го порядку. Згідно з рис.3 кут φ може бути визначений за співвідношенням

sin φ = 1 / . (2)

Визначення довжини хвилі випромінювання лазера в даній роботі проводиться за допомогою установки, схема якої приведена на рис. 3.

 

Рис. 3.

 

Відстань L від дифракційної гратки до екрана змінюється перемішенням екрана вздовж підставки і визначається масштабною лінійкою. Відстань l визначається по шкалі на екрані. Оскільки дифракційні максимуми на екрані розмиті, то візуальне визначення положення максимуму до деякої міри утруднене. В зв’язку з цим реєстрація освітленості на екрані доповнюється фотоелектричною приставкою. Фотоелектрична приставка складаєтьсся із фоторезистора, закріпленого на повзунку, який переміщується вздовж екрану. Виводи від фоторезистора підводяться до мідних шин, з’єднаних з мікроамперметром, всередені якого вмонтовано сухий елемент. Положення максимуму визначається положенням щілини фотоелемента, що відповідає найбільшому струмові.

 

Порядок виконання роботи:

 

1. Підімкніть виводи контактів, розміщених на екрані, до мікроамперметра і зафіксуйте величину темнового струму.

2. З дозволу викладача увімкніть лазер в мережу і вивчіть дифракційну картину.

3. Установіть екран на вказаній викладачем відстані L від дифракційної гратки перпендикулярно до напрямку первинного пучка лазера.

4. Переміщуючи фоторезистор вздовж екрана, знайдіть положення трьох максимумів l₁^/, l₂^/, l₃^/ праворуч від нульового максимуму та l₁^//, l₂^//, l₃^// ліворуч від нульового максимуму, відповідаючих максимумам фотоструму.

5. Знайдіть положення максимумів як середнє між вимірами праворуч і ліворуч: l₁ = (l₁^/ + l₁^//) / 2, l₂ = (l₂^/ + l₂^//) / 2 і т.д.

6. Користуючись формулою (2), за даними l₁, l₂, l₃ визначіть величину sin φ.

7. Визначіть довжину хвилі лазера за (1). За трьома одержаними λ значеннями визначіть λср. і оцініть похибки вимірювань.

Дані вимірювань і розрахунків подайте в таблиці:

 

k	l’	l”	l	sin φ	λ, нм	(Δλ)^2
Середні значення

 

Дайте відповіді на запитання:

 

1. Що становить принципову основу дії лазера?

2. Які речовини можуть бути робочими в лазерах?

3. Де можна використати характерні властивості лазерів?

4. Чим визначаються похибки вимірювань в умовах методу, що вивчається?

 

Лабораторна робота № 44.