МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Методические указания к лабораторным работам по физике

для студентов технических специальностей ДГТУ (Раздел «ОПТИКА») :

№3-9 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

№3-12 ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

(Институт энергетики и машиностроения)

Ростов-на-Дону 2014

УДК 530.1

Составители: А.Б. Гордеева, Н.В. Дорохова, В.С. Ковалева, В.В. Шегай

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА: Метод. указания к лабораторным работам №3-9,№3-12 по физике для студентов технических специальностей ДГТУ (Раздел «ОПТИКА») . - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2014. - 13 с.

Указания содержат краткое описание рабочей установки и методики исследования поляризации лазерного излучения и внешнего фотоэффекта. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика»).

Печатается по решению методической комиссии факультета

«Автоматизация, мехатроника и управление»

Научный редактор д-р.техн.наук, проф. В.С. Кунаков

© Издательский центр ДГТУ, 2014

Лабораторная работа № 3-9.

Исследование поляризации лазерного излучения

Цель работы: определение степени поляризации лазерного излучения.

О борудование: установка (рис.1), включающая в себя газовый лазер - Л, поляроид - П, фотоэлемент - Ф, гальванометр – Г, прилагается дифракционная решетка.

1.Краткая терия

Естественный свет - электромагнитное излучение, в котором

колебания светового вектора равновероятны во всех направлениях. Поляризованным называется свет, у которого колебания светового вектора каким-либо образом упорядочены. Различают плоскополяризованный свет ( колебания светового вектора происходят только в одном направлении) и частично поляризованный (в результате внешних воздействий проявляется преимущественное, но не единственное направление колебаний светового вектора).

Частично поляризованный свет можно получить путем наложения плоскополяризованного и естественного света разной интенсивности. Если пропустить такой свет через поляроид, то интенсивность прошедшего луча будет изменяться в зависимости от положения оси поляризации поляроида в пределах от до . Степенью поляризации называется величина:

(1)

Для плоскополяризованного света и , для естественного света и

В качестве преимущественно поляризованного света в работе используется лазерное излучение.

Лазером или оптическим квантовым генератором (ОКГ) называется устройство, обеспечивающее усиление электромагнитных волн за счет индуцированного (вынужденного или стимулированного) излучения. Лазеры генерируют в видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях. В данной работе используется газовый лазер, который работает на смеси атомов неона и гелия. Чтобы разобраться в принципе работы лазера необходимо рассмотреть схему энергетических уровней некоторого атома (рис.2). Согласно квантовой теории энергетические состояния атома образуют последовательность энергетических уровней , изменяющихся в зависимости от номера орбиты.

П од действием внешнего излучения (по теории Бора) атом совершает вынужденный переход из состояния с низшей энергией в состояние с более высокой энергией , сопровождающийся поглощением кванта света. Через некоторый промежуток времени атом, без каких-либо внешних воздействий может совершить обратный переход с на с излучением кванта света, энергия которого .Такой переход называется спонтанным. Самый нижний уровень соответствует минимально возможной энергии и называется основным, все остальные-возбужденные. Достаточным условием нахождения атома в возбужденном состоянии является переход хотя бы одного электрона, входящего в состав атома, с уровня, соответствующего меньшей (или минимальной) энергии на уровень, соответствующий состоянию с большей энергией.

Согласно квантовой теории Эйнштейна, воздействие на возбужденный атом, находящийся в энергетическом состоянии , внешнего излучения с энергией , происходит вынужденный (индуцированный) переход в состояние с излучением первичного и вторичного квантов света одинаковой энергии . Такое излучение носит название индуцированного. Испущенные таким образом кванты света, взаимодействуя с другими возбужденными атомами, стимулируют дальнейшие индуцированные переходы или могут быть поглощены невозбужденными атомами. Чтобы уменьшить количество поглощенных квантов необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденных состояниях будет больше, чем их число в основном состоянии. Такое состояние системы носит название состояние с инверсной населенностью уровней. Падающий пучок света при прохождении через подобные системы (среды) усиливается, что является основным принципом работы лазерного устройства.

В устройство лазера (рис.3) входят три основных компонента: активная среда, система накачки, оптический резонатор. В газовом лазере в качестве активной среды используется смесь атомов неона и гелия, которая находится в стеклянной трубке, гелий служит носителем энергии возбуждения, а неон дает лазерное излучение. В качестве системы накачки, создающей инверсии в среде, используется высоковольтный источник питания, создающий электрический разряд, электроды которого впаяны в стеклянную трубку с газом. Оптический резонатор, формирующий выходящий световой пучок, состоит из двух зеркал, одно из которых полупрозрачно. Стеклянная трубка расположена под углом Брюстера ( , где показатель преломления стекла) к горизонтальной оси. Лазерное излучение при многократном прохождении резонатора становится преимущественно поляризованным.