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.