Определение длины волны излучения газового лазера с

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО
ЛАЗЕРА С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ
Цель работы. Ознакомиться с принципом действия газового лазера.
Доказать волновую природу света. Научиться определять длину волны
лазерного излучения с помощью дифракционной решетки. Приборы и
принадлежности: газовой лазер, оптическая скамья, дифракционная
решетка, экран со шкалой.
Теоретическая часть.
Лазеры - это квантовые генераторы излучения, работающие в
оптическом диапазоне (ОКГ). Рассмотрим принцип их действия.
Как известно при взаимодействии излучения с веществом атом может
поглотить фотон и перейти в возбужденное состояние, характеризуемое
большой внутренней энергией. Это состояние является нестабильным.
Обычно время жизни атома в этом состоянии 10"8 с, Атом, находящийся в
возбужденном состоянии в какой-то момент времени самопроизвольно или,
как говорят, спонтанно может перейти в состояние с меньшей энергией с
излучением фотона. Такое излучение называется спонтанным. Спонтанное
излучение носит случайный характер. Поэтому это излучение изотропно
(не имеет преимущественного направления), некогерентно (кванты,
испускаемые разными атомами, имеют разные фазы), и немонохроматично
(состоит из набора различных частот). Такое излучение дают, например,
лампы накаливания и газоразрядные лампы.
Переход атома из возбужденного состояния в менее возбужденное
возможен также под действием падающего фотона, если энергия его равна
энергии этого перехода, При этом излучается два фотона: падающий и
фотон, образовавшийся в результате перехода атома из возбужденного
состояния в менее возбужденное. Падающий фотон в данном случае
индуцирует (вынуждает, стимулирует) процесс перехода атома в менее
возбужденное состояние. Поэтому излучение, образующееся таким
образом называется индуцированным (вынужденным, стимулированным).
Индуцированное
излучение
возбужденного
атома
может
происходить не только под действием постороннего фотона, но и
фотона, полученного в результате индуцированного излучения. При
наличии достаточного количества возбужденных атомов это приведет к
лавинообразному нарастанию излучения.
Основном свойством индуцированного излучения является его
когерентность, монохроматичность и направленность. Это обусловлено
тем, что падающие и индуцированные кванты имеют одинаковые
параметры: частоту, фазу, импульс и поляризацию. Индуцированное
излучение является процессом, составляющим физическую основу
работы ОКГ.
Вероятность индуцированных переходов тем больше, чем больше
падающих квантов и чем больше число возбужденных атомов.
В естественник условиях по распределений Больцмана в вещество
число частиц в возбужденном состоянии всегда, меньше чем в менее
возбужденном, т.е. населенность верхних энергетических уровней
меньше, чем нижних. Для получения усиления излучения за счет
индуцированных переходов необходимо; чтобы хотя бы для двух
энергетических состояний атома било нарушено больцмановское
распределение и населенность верхнего энергетического уровня
оказалось
бы
больше,
чем
какого-либо
нижнего
(инверсная
заселенность уровней), т.е. число возбужденных атомов оказалось бы
больше чем невозбужденных. Такое распределение наблюдается для
некоторых веществ, имеющие энергетические уровни, спонтаний
переход о которых на менее возбужденный, или основной уровень
маловероятен. Время жизни атомов такое состоянии велико (до 10" е.).
Такие уровни называется метастабильные и в процессе возбуждения на
них может накапливается значительное количество возбужденных
атомов и создаваться инверсная заселенности. Также вещества
составляют активную (рабочую) среду ОКР.
Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая
соответствующие частицы (метод сортировки) или специально возбуждая
частицы, например, светом (метод оптической накачки) или электрическим
разрядом (метод электрической накачки).
Чтобы увеличить мощность индуцированного излечения в ОКГ
применяется резонатор. Он представляет собой систему обращенных друг к
другу отражающих поверхностей, между которыми располагается активное
(рабочее) вещество генератора. Отражающие поверхности резонатора
могут
представлять
собой
зеркала
различной
формы
(плоские,
сферические, параболические). Излучение, отражаясь от поверхностей
резонатор, многократно проходит через инверсную среду, каждый раз
вызывая усиление и достигнув определенной мощности, вызывается
наружу через полуотражающее окно, имевшееся на одной из отражающих
поверхностей.
В настоящее время в качестве рабочих веществ в лазерах используются
самые
различные
материалы:
кристаллы,
активированные
стекла,
пластмассы, газы, жидкости и полупроводники. В данной лабораторной
работе используется гелий - неоновый лазер, дающий излучение в красной
области спектра. Он состоит из кварцевой трубки Т, наполненной смесью
газов: гелия (под давлением 1 мм рт.ст.) и неона (0,1 мм рг.ст.). По концам
трубки расположены зеркала 3 (плоско параллельные или сферические),
одно из которых полупрозрачной. Газовой разряд создается с помощью
электродов, устанавливаемых снаружи трубки или вмонтированных в нее.
При электрическом разряде в результате соударения с электронами
атомы неона возбуждаются и переходят из основного уровня Ео на
метастабильный уровень Ег . Из-за наличия других метастабильных
уровней в чистом неоне трудно создать инверсную заселенность на уровне
Е0 относительно уровня Ei (вынужденный переход с уровня Ег на Ei
сопровождается излучением красной области спектра). Это затруднение
устраняется при помощи атомов гелия. Под действием электрического
разряда атомы гелия возбуждаются и переходят из основного уровня на
метастабильный, энергия которого близка к энергии уровня Ег неона. В
процессе неупругого соударения атомы гелия передают энергию атомам
неона, которые возбуждаясь в переходят на уровень с энергией Ег.
Опустошение уровня Ei (т.е. уменьшение его заселенности) происходит при
соударении атомов с неона со стенками газоразрядной трубки.
В итоге атомы гелия способствуют созданию стационарной инверсной
населенности уровня Ег относительно Ei для атомов неона. Таким образом
в этот лазере атомы неона являются рабочими, а гелия вспомогательными.
Газовые лазеры являются непрерывного действия.
Основные
свойства
лазерного
излучения:
когерентность,
монохроматичность, направленность и большая плотность энергии,
обусловливают его широкое применение в различных областях науки и
техники.
Воздействие лазерного излучения на различные вещества вызывает
локальное
выделение
сопровождающееся
тепла
и
изменением
резкое
повышение
состояния
вещества
температуры,
(плавление,
испарение), образованием ударных волн, интенсивным теплообмена.
Это особенности и возможность концентрации лазерного излучения в
очень тонкий луч микрона), несущий колоссальную энергию, а также
селективность (избирательность) поглощения, обуславливают его широкое
применение в медицине.
Лазерный луч применяется в хирургии для безкровного разреза тканей,
т.к. при этом сваривает края ткани и этим предупреждает капиллярное
кровотечение. В онкологии применяется для разрушения
раковых клеток (т.к. лазерный луч сильно поглощается ими).
В офтальмологии лазерный луч используется для "приваривания"
отслоившейся
сетчатки,
а
такие
при
глаукоме
для
образования
микроскопического отверстия в склере для оттока внутриглазной жидкости.
В дерматологии излучение газового лазера применяется с терапевтической
цель. Учитывая особенности воздействия лазерного из лучения на
биологические ткани при работе с ним необходимо предотвращать
попадание, луча (даже отраженного
В данной лабораторной работе для определения длины волны
лазерного излучения применяется дифракционная решетка, которая
представляет собой совокупность большого числа одинаковых,
отстоящих друг от друга на одно и тоже расстояние щелей. Она
изготавливается в виде стеклянной пластинки, на который при помощи
длительного аппарата заносится необходимое количество параллельных
штрихов. Они затираются черной краской. Полосы между штрихами
прозрачны для света и служат щелями решетки. Расстояние d и между
Срединами соседних щелей называется периодом или постоянной решетки.
По принципу Гюгенса-Френеля каждая щель является источником
когерентных вторичных если, способных интерферировать друг с другом.
Если на дифракционную решетку па дает пучок параллельных лучей
монохроматического света, то на экране Э, расположенной в фокальной
плоскости
линзы
Л,
будет
наблюдаться
система
дифракционных
максимумов к минимумов, порченных в результате интерференции света от
различных щелей, (рис 1)
Усиление и ослабление света зависит от разности хода лучей идущих
от соответствующих точек различных щелей. Если разность хода АС
кратна целому числу длин волн, то на экране в результата интерференции
возникнут главные максимумы:
А С = d s i n φ АСsin φ-n λ
AC - n λ
п - порядок главного максимума, п = 0,±1, ±2 ...
φ - угол дифракции лучей
В направление = 0 наблюдается нулевой максимум (п=0).
Главное
максимумы
располагаются
симметрично
относительно
нулевого максимума. Положение главных максимумов зависит от длины
волны λ
Поэтому при пропускании через решетку немонохроматического
света, все максимумы, кроме нулевого, разложатся в спектр, фиолетовый
конец которого располагается со стороны нулевого максимума. При
использовании в качестве источника излучения гелий-неонового лазера на
экране образуется ряд дифракционных максимумов, окрашенных в
красный цвет, так как данный лазер излучает свет соответствующий
красной области спектра.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.
Экспериментальная установка состоит из оптической скамьи, на
которой установлены дифракционная решетка и экран со шкалой. Лазер
устанавливается вдоль оси оптической скамьи так, чтобы луч был
перпендикулярен дифракционной решетки. При этом интерференционные
максимумы будут расположены симметрично относительно этой оси.
Длину волны получения можно определить из формулы (1)
Угол дифракции т - находиться из следующего соотношения .
Где φ -расстояние между дифракционной решеткой и экраном где
расстояние Хn- между срединами максимумов соответствующих порядков.
ЗАДАНИЕ №1.
1. Установите на оптической скамье экран и дифракционную
решетку, так чтобы штрихи решетки были вертикальными. Тогда
дифракционные максимумы образуются в горизонтальном направлении.
2.
Расположите
экран
и
дифракционную
решетку
перпендикулярно оси лазера. После этого преподаватель включит лазер.
3. Перемещая экран вдоль оптической скамьи, получите на нем
четкое изображение дифракционной картины (деланы быть видны
максимумы не менее четырех порядков).
4. Измерьте по шкале, укрепленной на оптической скамье,
расстояние между решеткой и экраном.
5. Последовательно
измерьте
расстояния
между
серединами
максимумов соответствующих порядков. Полученные даяние занесите в
таблицу.
6. Определите значения sin и А,ср учитывая, что d=0,01 мм, и занесите
в таблицу I.
7.
Определите
измерения
(⌂λ),
значения
среднего
абсолютных
погрешностей
арифметического
значения
каждого
абсолютной
погрешности (ДА,ср) и относительной погрешности измерения (Д λ).
Таблица I.
п
(мм)
Хп
sinφ
Λ(mm)
⌂λ
Dλ
L(mm) (мм)
1.
2.
3.
4.
Λφ=Bλφ
ЗАДАНИЕ №2
(Для успевающих студентов).
1. Установите
на
оптической
скамье
между
экраном
и
дифракционной решеткой вторую решетку так, чтобы её штрихи были
расположены горизонтально.
2. Расположите их перпендикулярно оси лазера. После этого
преподаватель включает лазер.
3. Объясните эффект, наблюдаемый на экране.
4. Перемещая
вторую
решетку
вдоль
оптической
скамьи,
наблюдайте изменение дифракционной картины на экране. Объясните это
явление.
Контрольные вопросы:
1. Что такое спонтанное излучение и что характерно для него?
2. Что такое индуцированное излучение и при выполнении каких
условий оно возникает?
3. Основные свойства индуцированного излучения?
4. Что такое инверсная заселенность уровня и его значение для
работы лазера?
5. Что такое резонатор и его назначение?
6. Как устроен газовый лазер?
7. Расскажите принцип действия гелий-неонового лазера.
8. Применение лазера в медицине.
Литература:
1. Ливенцев Н.М. Курс физики. Высшая школа, 1973. 4.2. С. 39-43.
2. Ремизов А.Н. Курс физики, электроники и кибернетики. - М.
Высшая школа, 1982. С. 335-399.
3. 2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. - М. Высшая
школа, 1987. С. 533-538.