Учебное пособие Павлодар Кереку 2010 удк 53 (075. 8) Ббк 22. 3я73

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Контрольные вопросы Виды излучения. Взаимодействие излучения с веществом. условия получения лазера. 2 - кварцевая трубка, наполненная смесью гелия (100 Па) и неона (10 Па). К концам трубки приклеены кварцевые пластины под углом L = 4-6 м от выхода (на стене) определить диаметры пучка d

Подобный материал:

• Врамках программы «Прометей» Павлодар удк 94(574. 25)(075. 8) Ббк 63. 3(5Каз)я73, 3259kb.
• Учебное пособие Павлодар удк339. 9 (075. 8) Ббк 65., 1778.36kb.
• Учебное пособие Ульяновск 2010 удк 004. 8(075. 8) Ббк 32. 813я73, 1559.86kb.
• Учебное пособие Павлодар удк 94(574+470. 4/. 5+571. 1)(075. 8) Ббк 63. 3(5Каз+2Рос)5я73, 3633.95kb.
• Учебное пособие удк 159. 9(075) Печатается ббк 88. 2я73 по решению Ученого Совета, 5335.58kb.
• Учебное пособие тверь 2008 удк 519. 876 (075. 8 + 338 (075. 8) Ббк 3817я731-1 + 450., 2962.9kb.
• Учебное пособие Чебоксары 2007 удк 32. 001 (075. 8) Ббк ф0р30, 1513.98kb.
• Учебное пособие Уфа 2005 удк 338 (075. 8) Ббк, 1087.66kb.
• Учебное пособие Казань кгту 2007 удк 31 (075) 502/ 504 ббк 60., 1553.23kb.
• Учебное пособие Майкоп 2008 удк 37(075) ббк 74. 0я73, 4313.17kb.

Таблица 2

№	S	N	ΔФ	Bкр	Ua	e/m опыта	∆e/m	εε	e/m табличный
Ед.изм	м2	-	вб	Тл	в	Кл/кг	Кл/кг	%	Кл/кг
1
2
3
сред

Контрольные вопросы

1. По какой траектории движется заряд в магнитном поле при произвольном направлении начальной скорости?
   
2. Является ли отношение e/m постоянным при любых U_a. Почему?
   

3. выведите рабочую формулу (5).
   
4. Напишите формулу силы Лоренца. Изменяется ли скорость частицы в электрическом полке? В магнитном поле?
   
5. Можно ли поставить триод таким образом, чтобы электронный пучок не отклонялся?
   

2.2 Изучение газового гелий-неонового лазера

I. Цель работы: изучение физических основ получения лазерного излучения, расчет его основных характеристик гелий-неонового лазера..

П. Оборудование: лазер, люксметр, линейка

Ш. Теоретическое введение

Лазер - это оптический квантовый генератор, излучающий электромагнитные волны в области оптического диапазона. Лазерное излучение обладает замечательными свойствами, отличающими его от обычного света:

• монохроматичность;
  
• острая направленность (слабая расходимость пучка);
  
• высокая плотность энергии вдоль луча (энергия, приходящаяся на единицу площади излучающей поверхности);
  
• когерентность;
  
• свет полностью поляризован.
  

Эти свойства позволяют применять лазерное излучение в самых разных отраслях.

Виды излучения. Излучение возникает при переходе атома из возбужденного в нормальное или менее возбужденное состояние. Переходы могут происходить: спонтанно (самопроизвольно), вынужденно (индуцирование), релаксационно.

Рассмотрим, при каких условиях возникают спонтанное и вынужденное излучения. Выберем из энергетического спектра системы атомов два энергетических уровня W₁ и W₂, причем W₂>W₁. Число атомов системы, имеющих данную энергию, называется населенностью.

Математически распределение населенности по энергетическим уровням в системе атомов, находящихся в равновесном состоянии, задается функцией Больцмана (на рисунок 1). Известно, что все системы в природе стремятся к состоянию устойчивого равновесия, которое характеризуется минимумом потенциальной энергии. Для системы атомов это означает, что большая их часть находится в состоянии с меньшей энергией, т.е. N₁>N₂. При любой температуре энергетически более высокие состояния заселены меньше любого низшего состояния.

Поглощение энергии системой сопровождается переходами атомов с нижнего энергетического уровня на более высокий, излучение наоборот. При этих переходах каждый атом излучает (поглощает) независимо от других, несогласованно, поэтому излученные фотоны имеют произвольные фазы и поляризации и

вылетают из данной системы атомов в произвольных направлениях. Волны, соответствующие этим фотонам, будут некогерентными, рассеянными, с малой плотностью энергии.




Все источники света, кроме лазера, имеют излучающие системы с распределением Больцмана атомов по энергиям, искусственным путем можно привести систему атомов в неравновесное состояние с антибольцмановским населением уровней, т.е. N₂>N₁.

Такое неравновесное состояние называют инверсией (обращением) населенности. Поэтому среду, в которой осуществлена инверсия населенностей между какими-либо уровнями, называют иногда средой с «отрицательной» температурой. В реальной системе такое быть не может.

Однако, в некоторых системах существуют такие возбужденные состояния атомов, излучательные спонтанные переходы из которых либо идут с малой вероятностью, либо вовсе запрещены. Время жизни атома в таком состоянии велико и достигает порядка 10^-3с. Такие состояния атомов называют метастабильными.

Из этого состояния возможен индуцированный (вынужденный) переход, если мимо атома, находящегося в возбужденном состоянии пролетает фотон, энергия которого находится в резонансе с энергией уровней W_I и W₂, этот фотон подталкивает возбужденный атом, и тот «скатывается» в состояние с меньшей энергией, излучая фотон, полностью идентичный фотону, вызвавшему переход той же частоты, фазы, поляризации, что и летящий в том же направлении. Плотность энергии такого излучения велика, т.к. излучаемая энергия приходится на очень малую площадь.

Кроме этих переходов, возможен в твердых телах релаксационный переход. Он не сопровождается излучением, избыточная энергия передается кристаллической решетке, приводя к усилению колебаний ее этомое в узлах, что приводит к нагреву всего кристалла.

Взаимодействие излучения с веществом. условия получения лазера. Если в систему атомов попадает фотон энергии, он может быть поглощен любым из числа атомов N₁ вызвать индуцированный переход любого из числа N₂ атомов. А.Эйнштейн показал, что вероятность перехода пропорциональна населенности соответствующего энергетического уровня. Это значит, что среда с равновесным (больцмановским) распределением атомов по энергиям будет, в основном, поглощать попадающее в нее излучение. Всякая среда называется оптически неактивной, коэффициент поглощения ее положителен.

В среде с осуществленной инверсией населенностей (N₂>N₁.) вероятнее индуцированные переходы, которые приводят к усилению излучения. Среда с инверсией населенностей называется оптически активной, ее коэффициент поглощения отрицателен. Ясно, что для получения оптического квантового генератора - лазера, нужно вызвать в среде инверсию населенностей. Процесс получения инверсии между выбранными двумя уровнями является первым из необходимых условий получения лазера на твердотельной или газовой среде и называется накачкой. В твердотельных лазерах накачка оптическая, то есть атомы возбуждаются вследствие облучения крисстала электромагнитными волнами. В газовых лазерах накачка обеспечивается, как правило, возбуждением атомов газовым разрядом. Вторым необходимым условием получения лазера на любой среде является наличие у нее метастабилъных состояний. Среднее время жизни уровня, как уже говорилось, порядка 10^-8с. За это время невозможно совершить накачку, так как уровень успеет самопроизвольно разрушиться. Если же верхний из двух выбранных для получения лазера уровней будет метастабильным (10^-3с), можно успеть населить его инверсно по сравнению с нижним, и прежде чем система придет в равновесие (к распределению Болъцмана), в ней можно вызвать индуцированное излучение с последующим усилением его, то есть вызвать лазерный эффект.

Условием усиления и генерации индуцированного излучения - третьим необходимым условием получения лазера - является наличие оптического резонатора - системы параллельных зеркал с диэлектрическими покрытиями. Оптический резонатор обеспечивает обратную положительную связь (то есть возвращение вторичных, вновь рожденных фотонов в активную среду в качестве первичных) и избирательность излучения по частоте (коэффициент отражения диэлектрических покрытий подбираются таким образом, чтобы отражались волны нужной частоты и поглощались остальные). Расстояние между зеркалами подбирается таким образом, чтобы между идущей к зеркалу и отраженной волной выполнялось условие интерференции 2dn = kλ, что приводит к резкому усилению выходящей через зеркало электромагнитной волны.

Перечисленные условия являются общими для всех лазеров. Отличаются лазеры: рабочей средой, способом накачки, конструкцией резонатора, режимом работы.

В данной лабораторной работе рассматриваются принципы работы и исследуются характеристики газового гелий-неонового лазера, отличительной особенностью которого является острая направленность, высокая монохроматичность, пространственная когерентность и стабильность частоты излучения.

1У. Описание установки и метода измерений

Устройство лазера изображено на рис.2 Основой конструкции лазера является длинная кварцевая трубка, торцы которой, срезаны относительно оптической оси трубки под углом Брюстера, что обеспечивает избирательность излучения по поляризации.

Длинная трубка выделяет фотоны, идущие по ее оси. Фотоны, появляющиеся вследствие индуцированного излучения и летящие под произвольный углом к оси, поглощаются стенками трубки. Таким образом, выходящий пучок получается остропаправленным с высокой плотностью энергии в сечении и малой угловой расходимостью.




Рисунок 2

I и 6 - частично прозрачные зеркала, плоское и сферическое. Излучение выходит через плоское зеркало, 2 - кварцевая трубка, наполненная смесью гелия (100 Па) и неона (10 Па). К концам трубки приклеены кварцевые пластины под углом Брюстера. 4,5,3 - внешние электроды, соединенные с генератором 7.

Оптическим резонатором является система зеркал, покрытых многослойными диэлектриками с высоким коэффициентом отражения для определенной длины волны λ.

Рабочей средой лазера является смесь газов гелия и неона, взятых, соответственно, в соотношении 10:1 или 15:1. Излучающим веществом является неон. С помощью высокочастотного генератора (с частотой несколько десятков МГц и потребляемой мощностью 50 Вт) в трубке устанавливается тлеющий газовый разряд.

В результате специального подбора парциальных давлений гелия и неона, при правильном выборе диаметра газоразрядной трубки устанавливается стационарная инверсия населенностей между выбранными уровнями неона, и лазер работает в непрерывном режиме. Фотоны, вызывающие индуцированное излучение, летят по всевозможным направлениям; но те, которые летят вдоль оси трубки, отражаются от зеркал оптического резонатора и, возвращаясь в среду, вызывают генерацию в направлении оси, а остальные поглощаются стенками трубки.

Многослойные диэлектрические покрытия зеркал позволяют создать необходимый коэффициент отражения для данной длины волны и возбудить тем самым генерацию на требуемой частоте. Излучаемый в работе лазер работает в видимом диапазоне на волне 632,8 нм.

Основными характеристиками лазера, определяемыми в данной работе, являются угловая расходимость пучка лазерного излучения; выходная мощность (световой поток) лазера - энергия, излучаемая им в единицу времени; число фотонов, излучаемых лазером в единицу времени; зависимость светового потока от величины разрядного тока. Ток разряда является важнейшей характеристикой работы лазера.

У. Порядок выполнения работы

1. Вывести регулятор тока нагрузки на минимум тока (повернуть против часовой стрелки до упора). Включить тумблер "СЕТЬ". Прогреть прибор.в течение 5 .минут, вывести регулятор тока нагрузки в среднее положение и нажать кнопку "ПОДПИТ".

2. Определить расходимость «α» лазерного пучка в минутах. Для этого на выходе пучка и на расстоянии L = 4-6 м от выхода (на стене) определить диаметры пучка d₁ и d₂. Радианы перевести в минуты.

3. Определить световой поток лазера путем измерения освещенности, создаваемой им на расстоянии L = 4-5-6 м. Для измерения освещенности используется прибор - люксметр. Для правильного пользования люксметром надо вырезать из плотной бумаги отверстие, площадью S_отв. Если оно равно S_лаз,, то световой поток будет определяться формулой:

Ф = (Е_лаз-Е_фон)S,

где S – площадь пластинки люксметра, Е_лаз – освещенность, даваемая лазером по показаниям люксметра, Е_фон – освещенность дневного света при выключенном лазере.

4. Рассчитать число фотонов, испускаемых лазером в единицу времени. Так как Ф = nhν, то n = Ф/hν = Фλ/hc

Здесь λ - длина волны излучения лазера, λ = 632,3 нм, c - скорость света, (c= 3*10⁸ м/с).

Перевод световых единиц (лм) в энергетические (Вт) для наблюдаемых длин волн производится по формуле:

Ф(Вт) = Ф(лм)/100


Таблица 1

№	L, м	Е,	Ф,	Ф, Вт	d	n
Ед.изм	фон	лк	лм		мм
1
2
3
4