4. Як впливає на інтерференційну картину: а) ширина щілини; б) відстань між уявними джерелами; в) відстань між джерелами та точкою спостереження?

а) Наявність у реального джерела кінцевих лінійних розмірів призводить до загального пониження контрастності інтерференційної картини, тобто до зменшення інтенсивності усіх максимумів і підвищення інтенсивності в усіх мінімумах. Тому за збільшення лінійних розмірів джерела якість інтерференційної картини погіршується і при розмірах джерела порядку ширини смуги інтерференційні смуги взагалі зникають.

б)Відстань між уявними джерелами h впливає на відстань між інтерференційними смугами на екрані

Чим більша відстань між джерелами, тим менша відстань між інтерференційними смугами на екрані.

в) відстань між джерелами та точкою спостереження також впливає на відстань між інтерференційними смугами – чим більша ця відстань, тим більша відстань буде між смугами на екрані.

5. Чим визначається кількість видимих інтерференційних смуг?

Випромінювання завжди містить певний інтервал довжин хвиль Δλ. Це призводить до того, що інтенсивність максимумів і контрастність картини різко зменшуються з віддаленням від центру екрана, внаслідок чого для реального джерела максимальний порядок k_max смуг, що спостерігаються, не перевищує значення :

а загальна кількість темних смуг, що можна бачити на екрані:

6. Як змінюється інтерференційна картина, зі зміною довжини світлової хвилі?

Зі збільшенням довжини світлової хвилі λ відстань між інтерференційними смугами збільшується

7. Що найбільше впливає на точність вимірювань в даній роботі?

На точність вимірювань в даній роботі впливає точність вимірювання відстані між інтерференційними смугами на екрані.

Лабораторна робота №5 Вивчення гелій-неонового лазера і визначення довжини хвилі випромінювання лазера лг-44 Контрольнi запитання

1. Опишiть механiзм отримання спонтанного та вимушеного випромiнювання. Якi їх основнi характеристики? Хто i коли постулював iснування вимушеного випромiнювання?

Нехай у деякому середовищі існують два енергетичні рівні 1 і 2 з енергіями Е₁­­ і Е₂ (Е₁ < Е₂). Якщо атом або молекуларечовини знаходиться в початковому стані, який відповідає рівню 2, то він буде намагатися перейти на рівень 1. При цьому з атома повинна виділитись енергія, яка рівна різниці енергій E₂ – E₁. Коли ця енергія звільняється у вигляді електромагнітної хвилі самовільно, то цей процес називають спонтанним (самовільним) випромінюванням. При цьому частота випроміненої хвилі визначається за формулою Планка

,

де h – стала Планка. Таким чином, спонтанне випромінювання характери­зується випромінюванням фотона з енергією

,

при переході атома з рівня 2 на рівень 1.

Характерною особливістю спонтанних переходів є те, що вони не пов’язані з впливом яких-небуть зовнішніх змінних полів на атомну систему. Причиною спонтанних переходів є внутрішні збурення і флуктуації в квантових системах.

Вимушеним випромінюванням називається перехід атома або молекули з стану 2 в стан 1 при падінні на нього електромагнітної хвилі, з частотою яка відповідає енергії переходу з стану 2 в стан 1. При цьому різниця енергій Е₂ – Е₁ виділиться у вигляді електромагніт­ної хвилі, яка додається до падаючої. Його ще називають індукованим або стимульованим випромінюванням.

Існує важлива особливість вимушеного випромінювання: вторинний фотон, який виникає в результаті переходу, не відріз-няється від того фотона, який стимулював цей перехід. Обидва фотони характеризуються однаковими параметрами: при вимуше-ному випромінюванні частота, напрямок поширення і стан поляризації індукованого випромінювання точно співпадають з частотою, напрямком поширення і поляризацією довільного електромагнітного поля, яке викликало це випромінювання і співфазні з ним, тобто фази вимушуючих і випромінених квантів жорстко зв’язані. Таке випромінювання буде монохроматичним, когерентним і напрямленим.

Iснування вимушеного випромінювання постулював в 1917 році Ейнштейн при описі взаємодії електромагнітного випромінювання з молекулами.

2. З‘ясуйте фiзичну суть генерацiї Не-Nе лазера.

Оптичний квантовий генератор (лазер) складається із двох основних частин: активного середовища і резонатора, який в свою чергу складається із двох

напівпрозорих дзеркал. Активне середовище поміщається в трубку 1. Ці дзеркала утворюють інтерферометр Фабрі-Перо і можуть мати різну форму (плоскі, сферичні, параболічні).Одне з дзеркал роблять напівпрозорим, для виходу променя назовні. Оптичний резо­натор забезпечує випромінюван­ню лазера його основні властивості – високу напрямленість, коге­рент­ність і монохроматичність. Дзерка­ла забез­печують багатократне проход­ження світла через активне середо­вище.

Активним середовищем гелій-нео­нового лазера є суміш газів гелію і неону, яка міститься в скляній або кварцовій трубці. За допомогою високочастотного генератора в трубці створюється газовий розряд. В плазмі газового розряду атоми гелію і неону збуджуються при непружних зіткненнях з електронами

В чистому неоні створити інверсію в неперервному режимі дуже важко. Цю трудність можна обійти якщо в електронний розряд ввести додатковий газ – донора енергії збудження. В даному випадку цим газом є гелій. Енергії двох перших збуджених метастабільних рівнів гелію 2³S₁ і 2¹S₀ (рис.5.7) достатньо добре співпадають з енергетичними рівнями 2S, 3S неону. Тому добре реалізуються умови резонансної передачі збудження за схемою:

He^*+NeNe^*+ He + Е _кін

При правильно вибраних тисках неону і гелію, можна добитися населення одного або двох станів 2S і 3S неону, яке значно перевищує заселення цих рівнів в чистому неоні, і отримати інверсну населеність цих рівнів у відношенні до станів 2p, 3p. Для отримання генерацiй у видимiй областi гелiй-неоновий лазер обладнується багатоша­ровими дiелектрич­ними iнтерференцiйними дзеркалами, якi володiють високим коефiцiєнтом вiдбиття тiльки на потрiбнiй довжинi хвилi.

3. Якi функцiї в лазерi виконують активне середовище i резонатор?

Оптичний квантовий генератор (лазер) складається із двох основних частин: активного середовища і резонатора. Резонатор складається із двох напівпрозорих дзеркал . Ці дзеркала утворюють інтерферометр Фабрі-Перо і можуть мати різну форму (плоскі, сферичні, параболічні). Оптичний резо­натор забезпечує випромінюван­ню лазера його основні властивості – високу напрямленість, коге­рент­ність і монохроматичність. Дзерка­ла забез­печують багатократне проход­ження світла через активне середо­вище і його підсилення.

Активним середовищем гелій-нео­нового лазера є суміш газів гелію і неону, яка міститься в скляній або кварцовій трубці. За допомогою високочастотного генератора в трубці створюється газовий розряд. В плазмі газового розряду атоми гелію і неону збуджуються при непружних зіткненнях з електронами і потім випромінюють світло , переходячи назад з збудженого стану в основний.

4. Якими факторами визначається частота лазерного випромiню­вання?

5. Якими умовами визначається порогове пiдсилення?

6. Якi процеси ведуть до встановлення стацiонарного режиму генерацiй у випадку перевищення коефiцiєнта пiдсилення над його пороговим значенням?

7. З’ясуйте методи, за допомогою яких можливо видiлити одну генерацiю iз багатьох можливих лазерних переходiв, якi можливi в Не-Nе лазeрi.

Для отримання генерацiй на певній довжині хвилі гелiй-неоновий лазер обладнується багатоша­ровими дiелектрич­ними iнтерференцiйними дзеркалами, якi володiють високим коефiцiєнтом вiдбиття тiльки на потрiбнiй довжинi хвилi.

Другий метод полягає у використанні тригранної призми. Iз-за дисперсiї призми генерацiя в резонаторi, як показано на рисунку, може виникати тiльки на певнiй довжинi хвилi. Повертаючи призму навколо осi, пер­пендикулярної до площини рисунка, можна змiнити довжину хвилi ₁.

8. Чому практично неможливо створити лазер на середовищi, яке характеризується дворiвневою схемою? Чим характерний лазер, який працює за чотирирiвневою схемою?

В чистому неоні створити інверсію в неперервному режимі дуже важко. Цю трудність можна обійти якщо в електронний розряд ввести додатковий газ – донора енергії збудження. В даному випадку цим газом є гелій. Енергії двох перших збуджених метастабільних рівнів гелію 2³S₁ і 2¹S₀ достатньо добре співпадають з енергетичними рівнями 2S, 3S неону. Тому добре реалізуються умови резонансної передачі збудження за схемою:

He^*+NeNe^*+ He + Е _кін

При правильно вибраних тисках неону і гелію, можна добитися населення одного або двох станів 2S і 3S неону, яке значно перевищує заселення цих рівнів в чистому неоні, і отримати інверсну населеність цих рівнів у відношенні до станів 2p, 3p.

9. Якi ви знаєте типи лазерiв? Що ви можете сказати про лазери в рентгенiвському дiапазонi хвиль та гамма-лазери?

Типи лазерів – газові (на інертних газах, на вуглекислому газі), рідинні (на барвниках), твердотільні (на кристалах і спеціальнім склі), напівпровідникові.

10. Назвiть основнi сфери застосування лазерiв?

Лазери використовуються достатньо широко в техніці і науці(фізика, хімія, біологія, медицина, електроніка). Таке широке використання лазерів є прямим наслідком специфічних особливостей лазерного випромінювання: висока концентрація енергії і когерентність лазерного випромінювання. З енергетичними властивостями пов’язане таке використання: зварювання, свердління отворів, різка матеріалів, випаровування тугоплавких матеріалів, лазерний термоядерний синтез, променева передача енергії. З високою когерентністю пов’язані наступні сфери використання лазерів: управління лазерним променем, геодезія і картографія, голографія, гірометрія, лазерна спектроскопія, вимірювання швидкостей потоків, світло локація.