Использование дифракции и лазерного излучения Для определения его длины волны

Лабораторная работа №23

Использование дифракции и лазерного излучения

Для определения его длины волны

И размеров мелких частиц

Студент должен уметь: определять длину волны лазерного излучателя с помощью дифракционной решетки; определять размер мелких частиц по их… Краткая теория Явление дифракции света заключается в нарушении прямолинейного распространения световых волн в случае их прохождения…

Рис. 1.

Формирование главных максимумов дифракционной картины на экране Э, расположенном в фокальной плоскости собирающей линзы Л

Для нахождения освещенности в какой-либо точке экрана в результате интерференций вторичных волн необходимо найти разности хода между лучами,… . Соответствующие лучи, проходящие через следующие щели, будут иметь с лучом 1 разность хода, кратную Δ, т.е.…

Оптический квантовый генератор – лазер

, (4) где Еп и Еm - конечный и начальный уровень энергии, h - постоянная Планка. Возбуждение атома происходит в результате сообщения атому дополнительной энергии при каких-либо внешних воздействиях.…

Рис. 2.

Типы энергетических уровней активных центров

Однако спонтанный механизм излучения не является единственно возможным. Переход с одного уровня, в том числе и с нестабильного, на более низкий… Рассмотрим вещество, в котором имеется достаточное число возбужденных атомов с… Теперь рассмотрим случай, когда населенность верхнего энергетического Еп уровня превышает населенность нижнего уровня…

Рис. 3.

Устройство рубинового лазера

В явлении генерации света участвуют только ионы хрома (алюминий и кислород являются инертными). Поглощая энергию от лампы вспышки в синей и зеленой…      

Рис. 4.

Схема энергетических уровней хрома

Это промежуточное возбужденное состояние Е₃ является метастабильным, потому что ион хрома может находиться на нем сравнительно долго (~ 10 ^-3 сек). В течение этого времени ионы накапливаются на метастабильном уровне Е₃ , в результате чего число таких ионов становится больше числа ионов в основном состоянии, т.е. между этими уровнями возникает инверсная населенность. Спонтанный переход хотя бы одного из возбужденных ионов хрома с уровня Е₃ на Е₀ воздействует на соседние ионы, вызывая их вынужденные переходы, сопровождающиеся излучением одной и той же частоты ν:

Фотоны, которые движутся не параллельно продольной оси кристалла, покидают его, проходя через прозрачные боковые стенки. Фотоны, испускаемые вдоль оси, многократно отражаются от его зеркальных торцов и на своем пути вызывают индуцированное излучение все большего числа ионов. При достаточно большой инверсной населенности усиление излучений в рубине вследствие индуцированных переходов будет превышать потери на поглощение в зеркалах и на других частицах самого кристалла, в результате чего лавинообразно нарастает поток фотонов. Достигнув достаточной мощности, излучение выходит наружу через полупрозрачный торец рубинового стержня.

Луч лазера существенно отличается от обычного луча света, что и определяет его широкое применение. Лазерное излучение когерентно, почти монохроматично, полностью поляризовано и распространяется в виде узкого параллельного пучка с очень малым углом расхождения. Путем оптической фокусировки такого пучка можно получить исключительно высокую концентрацию световой энергии на ничтожно малом участке вещества. В связи с этим в биологии и медицине сфокусированное излучение лазера используется в качестве тончайшего хирургического инструмента, с помощью которого можно избирательно разрушить микроскопические элементы структуры тканей с исследовательской или медицинской целью. В частности, оно применяется, например, для хирургических вмешательств на сетчатой оболочке глаза.

Описание экспериментальной установки

Для определения длины волны в формуле (3) необходимо знать sin φn. Так как l >> xn, то . Подставляя значение sin φn в (3), получим окончательную формулу для нахождения длины волны:

Рис. 6.

Определение длины волны He-Ne лазера с помощью дифракционной решетки

Из формулы для возникновения к-го главного максимума в дифракционной решетке получим для l: . (5) Так как первые (к=1, 2, 3) углы дифракции достаточно малы, то с небольшой погрешностью можно считать (см. рис. 1):

Выполнение упражнения

2. После включения преподавателем лазера, небольшим перемещением дифракционной решетки добейтесь наилучшей четкости дифракционной картины на экране… 3. Измерьте линейкой и запишите в таблицу 1 расстояния Xk для максимумов… Таблица 1 Порядок максимума, k Xk, м , м d, м l, м el Dl, м …

Рис. 7.

Определение размеров мелких частиц

. (7) Отсюда, выражая d и заменяя sinj1, согласно (2), получим расчетную формулу для… , (8)

Выполнение упражнения

а) Измерение среднего диаметра споры плауна. 1. Закрепите пакет из двух стекол в держатель и расположите его согласно рис.… 2. Измерьте линейкой Х1 и и по формуле (5) рассчитайте диаметр споры плауна (значение l взять из упр.1). Результаты…