1873

творить двум условиям. Во-первых, атомы должны находиться в более высоком, возбуждённом состоянии, т. e. необходима инверсная заселённость, при которой число атомов в более высоком состоянии превышает чисто атомов в более низком состоянии, так что испускание фотонов преобладает над поглощением. Во-вторых, более высокое состояние должно быть метастабильным, т. е. электроны в нём должны находиться доль-ше, чем обычно, и переход в более низкое состояние происходит благодаря вынужденному, а не спонтанному (самопроизвольному) излучению.

Источники света, работающие на основе эффекта вынужденного излучения в активной среде с инверсной заселённостью энергетических уров-

ней, называются оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) (см. при-

ложения к главе 2).

Приложения к главе 2

Приложение 2.1. Оптические приборы: интерференционные и спектральные

Для исследования спектров пользуются приборами, дающими чёткие спектры (т. е. хорошо разделяющими волны различной длины и почти не допускающими перекрывания отдельных участков) – спектральными аппаратами. Основной частью спектрального аппарата чаще всего является призма или дифракционная решётка. Для визуального наблюдения спектров используется спектроскоп (от «спектр» и греч. skopeо – смотрю, наблюдаю). Прибор для фотографирования спектров называется спектрографом (от «спектр» и греч. grapho – пишу).

Наиболее распространённый призматический спектроскоп состоит из двух труб, между которыми помещают трёхгранную стеклянную призму, выполненную из материала со значительной дисперсией (вещества, дающего широкий спектр). В передней трубке К, называемой коллиматором, имеется узкая щель S, расположенная в фокальной плоскости линзы L1 (рис. 2.15). Щель состоит из двух ножей, которые можно раздвигать и сближать с помощью винтов. Свет, упавший на щель, пройдя через линзу L1, выходит из коллиматора параллельным пучком. Попадая на призму, лучи света разлагаются на цветные пучки и направляются в зрительную трубу Т. Линза L2 собирает эти пучки в различных точках фокальной плоскости АВ. В этой плоскости помещают матовое стекло, на котором получается изображение спектра. В случае, когда спектроскоп предназначен для измерений, с помощью специального устройства на изображение спектра накладывается изображение шкалы с делениями, что позволяет точно установить положение цветных линий в спектре. В спектрографе на место матового стекла помещают фотоплёнку.

52

Рис. 2.15. Оптическая схема простейшего спектрографа

Приборы, которые позволяют также измерять интенсивность света с данной длиной волны, называются фотометрами.

В спектроскопии для изучения тонкой структуры спектральных линий применяются очень точные измерительные приборы, называемые интерферометрами. Они также широко применяются в метрологии для сравнения длины стандартного метра с длинами волн отдельных спектральных линий.

Принцип действия всех интерферометров, различающихся между собой лишь конструкционно, основан на явлении интерференции света. На рис. 2.16 представлена упрощённая схема интерферометра Майкельсона. Монохроматический свет от источника S падает под углом 45° на плоскопараллельную пластинку Р1. Сторона пластинки, удалённая oт S, посеребрённая и полупрозрачная, разделяет луч на две части: луч 1 (отражается oт посеребрённого слоя) и луч 2 (проходит через него). Луч 1 отражается от зеркала М1 и, возвращаясь обратно, вновь проходит через пластинку P1 (луч 1'). Луч 2 идёт к зеркалу M2, отражается от него, возвращается обратно и отражается от пластинки Р1 (луч 2'). Так как первый из лучей проходит сквозь

ферометр Майкельсона для точного (порядка 10-7 м) измерения длин волн. Российский физик В. П. Линник (1889–1984) использовал принцип дей-

53

ствия интерферометра Майкельсона для создания микроинтерферометра (комбинация интерферометра и микроскопа), служащего для контроля чистоты обработки поверхности.

Интерферометры – очень чувствительные оптические приборы, позволяющие определять незначительные изменения показателя преломления прозрачных тел (газов, жидких и твёрдых тел) в зависимости от давления, температуры, примесей и т. д. Такие интерферометры получили название

интерференционных рефрактометров.

Приложение 2.2. Лазеры и их применение

Лазеры генерируют в видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях спектра (в оптическом диапазоне).

Важнейшими из существующих типов лазеров являются твёрдотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные. В основу такого деления положен тип активной среды. Более точная классификация учитывает также и методы накачки – оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др. Кроме того, необходимо принимать во внимание и режим генерации – непрерывный или импульсный.

Лазер обязательно имеет три основных компонента: 1) активную среду, в которой создаются состояния с инверсной заселённостью; 2) систему накачки (устройство для создания инверсии в активной среде); 3) оптический резонатор (устройство, выделяющее избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок).

Для выделения направления лазерной генерации используется оптический резонатор. В простейшем случае им служит пара обращённых друг к другу параллельных (или вогнутых) зеркал на общей оптической оси, между которыми помещается активная среда (кристалл или кювета с газом). Как правило, зеркала изготавливаются так, что от одного из них излучение полностью отражается, а второе – полупрозрачно. Фотоны, движущиеся под углами к оси кристалла или кюветы, выходят из активной среды через её боковую поверхность. Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси, многократно отразятся от противоположных торцов, каждый раз вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, вызовут вынужденное излучение, и т. д. Так как фотоны, возникшие при вынужденном излучении, движутся в том же направлении, что и первичные, то поток фотонов, параллельный оси кристалла или кюветы, будет лавинообразно нарастать. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный световой пучок огромной яркости. Таким образом, оптический резонатор формирует лазерное излучение с высокими когерентными свойствами.

Лазерное излучение обладает следующими свойствами: 1) высокой когерентностью;

54

2)строгой монохроматичностью (∆λ<10-11 м);

3)большой плотностью потока энергии;

4)очень малым угловым расхождением в пучке.

Коэффициент полезного действия (КПД) лазеров колеблется в широких пределах – от 0,01 % (для гелий-неонового лазера) до 75 % (для лазера на стекле с неодимом), хотя у большинства лазеров КПД составляет 0,1 – 1 %. Создан мощный СО2-лазер непрерывного действия, генерирующий инфракрасное излучение (λ=10,6 мкм), КПД которого (30 %) превосходит КПД существующих лазеров, работающих при комнатной температуре.

Очень перспективны и интересны полупроводниковые лазеры, т. к. они обладают широким рабочим диапазоном (0,7 – 30 мкм) и возможностью плавной перестройки частоты их излучения.

Мощные лазеры, в частности инфракрасные лазеры на углекислом газе, используются для обработки материалов (резание, сварка, сверление) с помощью сфокусированного лазерного пучка. Такие же пучки применяются в хирургии вместо скальпеля, при этом края раны почти не кровоточат.

Лазерные пучки нашли широкое применение в офтальмологии. С их помощью производятся операции на хрусталике и сетчатке глаза.

Только с помощью лазеров удалось реализовать новый метод получения изображений – голографию. Голография – метод получения объёмного изображения предметов, основанный на явлении интерференции волн. Получение голограммы связано с осуществлением интерференции света при больших разностях хода, т. е. требует весьма высокой степени когерентности света. Поэтому в голографии в качестве источников света используют лазеры. Возможное применение голографии весьма разнообразно. Далеко не полный их перечень образуют голографическое кино и телевидение, голографический микроскоп, контроль качества обработки изделий.

На монохроматическом когерентном лазерном пучке с помощью волоконной оптики может быть осуществлена кабельная, телефонная, вещательная и телевизионная связь.

В настоящее время ведутся серьезные исследования возможности осуществления лазерного термоядерного синтеза, лазерного разделения изотопов, использования лазерного облучения для стимуляции химических реакций и т. п. По мере совершенствования конструкций лазеров, использования различных активных сред – полупроводников, жидких красителей, новых сортов стёкол и т. д. – возможности применения лазеров с различными свойствами будут всё более расширяться.

С помощью лазерного излучения можно определять расстояние до движущихся объектов и скорость их движения по эффекту Доплера. Лазерная локация точнее радиолокации, поскольку световые волны значительно короче радиоволн.

55

Приложение 2.3. Приборы для определения скорости движения автомобиля

Если источник (излучатель) и приёмник электромагнитных волн движутся относительно друг друга, т. е. расстояние между ними увеличивается или уменьшается, то приёмник будет воспринимать частоту, отличную от частоты источника. Это явление называется эффектом Доплера.

Принцип действия радара (от английского radar – обнаружение и определение расстояния при помощи радио), основанный на эффекте Доплера, прост: излучаемая им электромагнитная волна с частотой ν0 отражается от металлических предметов (любой материал, кроме металла, для радара прозрачен). Если предмет движется, то частота отражённой волны ν изменится. Остаётся определить эту разницу и вычислить скорость предмета. С такой задачей успешно справляется любой придорожный радар. Совершенно неважно, лежит он на капоте, привинчен ли к стеклу патрульной машины или находится в руках блюстителя порядка.

При измерении скорости движения автомобиля сказывается косинусный эффект, если инспектор с радаром находится не на оси движения автомобиля (рис. 2.17). При прямом сближении автомобиля с радаром (рис. 2.17, а) радар покажет его истинную скорость υа. При движении автомобиля под углом α к радару (рис. 2.17, б) радар покажет меньшую скорость υ=υаcosα, т. е. сказывается косинусный эффект. Чем больше угол отклонения, тем меньше показания радара.В основном работники ДПС вооружены обычными радарами «Барьер» (существует несколько модификаций), «Искра» и «Сокол». Такие радары, как «Сова» и ЛИСД – пока редкость. «Сова»

– это совершенно новый прибор, дорогой и сложный, т. к. к нему положен персональный компьютер. С «Совой» не поспоришь. На мониторе застывает картинка автомобиля, видны его номер, время, дата и скорость.

Радар Радар

v

Автомобиль Автомобиль

Ось Ось Рис. 2.17. Косинусный эффект

ЛИСД – это лазерный радар, похожий на обычный бинокль (рис. 2.18). Чтобы замерить скорость автомобиля, достаточно навести на него перекрестье прибора. Луч лазера узок, и ошибиться невозможно. «Питон» и «ТС-

56

3» являются импортными радарами. С их помощью можно замерять скорость прямо из движущегося автомобиля.

Рис. 2.18. Лазерный радар ЛИСД-2 (вид спереди и сзади)

Дальше речь пойдёт о детекторах (в пер. с лат. «обнаруживателях») радара, неправильно называемых у нас «антирадарами». Антирадары – это передатчики, запрещённые к использованию, т. к. они могут блокировать работу радара или изменить его показания.

Радары-детекторы способны различать не только силу, но и частоту зафиксированного сигнала радара (радары могут работать на разных частотах). По этому признаку (частоте) большинство радаров делят на четыре группы: 1) излучающие в диапазоне 10 500–10 550 ГГц (в нём работают отечественные «Барьер-2М» и предыдущие его модели); 2) излучающие в диапазоне 24 050–24 250 ГГц (1 ГГц=109 Гц); 3) излучающие в диапазоне 33 400–36 000 ГГц; 4) лазерные радары – самые современные приборы контроля скорости. Лазерный луч радара «бьёт» намного дальше обычных. Его можно увидеть, но «увернуться» от него сложно. Лазерный луч детекторы тоже могут обнаружить.

Детекторы – это помощники, предупреждающие водителя о близости радара. Однако впределахпрямого «выстрела»радаралюбойдетектор непоможет.

Приложение 2.4. Спутниковая навигационная система автомобилей

Искусственные спутники Земли, в зоне видимости которых находится автомобиль, определяют его местоположение. Знание координат автомобиля заметно упрощает работу многих служб – скажем, поиск места аварии, розыск угнанной машины и многое другое. В случае необходимости водитель нажимает соответствующую кнопку и сообщение отправляется в контрольный центр, где поступившая информация дешифруется и определяется причина вызова, а также координаты автомобиля. Если водитель пострадал в аварии и не в состоянии самостоятельно связаться с оператором, в работу включаются датчики, реагирующие на механические повреждения автомобиля. С их помощью сигнал будет передан диспетчеру автоматиче-

57

ски. Таким образом, местонахождение машины будет установлено почти моментально и врачи, не теряя драгоценных минут, поспешат на помощь. Больше того, медики могут дать нужные рекомендации и оказать психологическую поддержку, что порой бывает просто необходимо, до приезда бригады врачей, связавшись с водителем по сотовому телефону, который является частью системы. Например, спутниковый навигатор «Магеллан» определяет координаты в любом месте планеты с точностью 20–30 метров, высоту над уровнем моря, скорость движения, время в пути и ориентировочное время прибытия в заданный пункт, покажет направление и расстояние до выбранной точки, запишет и нарисует пройденный путь в нескольких масштабах, запомнит координаты 200 выбранных точек. Вся информация отображается на графическом экране.

Рассмотрим поподробнее основные принципы систем ориентирования. У водителя имеется специализированный микрокомпьютер, похожий на ноутбук, только ещё меньших размеров. На его цветном жидкокристаллическом экране развёртывается подробнейшая карта нужного города или трассы, которую легко купить в магазине в виде лазерного диска. Перед поездкой вы указываете так называемым световым пером нужный пункт на экране и компьютер автоматически определяет оптимальный маршрут с учётом всех тонкостей организации движения. Если вы желаете исключить из этого маршрута какие-либо улицы (например чрезмерно загруженные в часы пик), электронный штурман тут же проложит новую трассу. По мере движения к цели вам не надо будет постоянно отвлекаться, чтобы смотреть на дисплей. Звуковой сигнал вовремя напомнит вам о необходимости перестроения, предстоящем повороте.

Понятно, что для работы системы одной карты недостаточно. Электронный штурман должен в любой момент точно знать, где вы реально находитесь. Вот тут-то и приходят на помощь навигационные спутники, местоположение которых в пространстве известно с высочайшей степенью точности. Они излучают кодированные сигналы, принимаемые вашим навигатором. Приёмник определяет расстояние до каждого из них, а компьютер, решая систему уравнений, вычисляет координаты вашего автомобиля.

В городах автомобильной «навигации» активно мешает экранирующее воздействие плотной застройки, тоннелей и эстакад. Поэтому автомобиль оборудуют не только датчиком, но и мощным микрокомпьютером, обрабатывающим сигналы от датчиков скорости вращения колёс и угла их поворота. Эти данные позволяют корректировать вычисляемые координаты даже тогда, когда устойчивый сигнал со спутников отсутствует. Российский датчик «Навиор-14» массой чуть более 100 г позволяет определить даже полосу, по которой движется автомобиль. Такая впечатляющая точность достигается за счёт использования им двух спутниковых систем – американской системы GPS (Global Positioning Systems) и отечественной ГЛО-

58

НАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система). Ясно, что используя две системы (вместо одной), компьютер может определить координаты автомобиля точнее.

В настоящее время идёт работа по «встраиванию» автомобиля в Интернет. «Всемирная компьютерная паутина» снабдит водителя самой разнообразной и полезной информацией. Например, она не только подскажет адрес ближайшей АЗС или гостиницы, напомнит о необходимости замены масла, но и на ходу продиагностирует двигатель, выдав соответствующие рекомендации. Разработчики надеются, что Интернет станет мощным оружием в борьбе с угонщиками, блокируя при необходимости работу различных систем – замков, зажигания и т. п. Если же машину всё-таки угнали, то специальный датчик позволит определить её местонахождение.

Лабораторные работы к главе 2

ЛР 2.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСИИ СВЕТА В СТЕКЛЕ

Дисперсией света называется явление зависимости показателя преломления вещества n от длины волны падающего света. В случае нормальной дисперсии показатель преломления тем больше, чем меньше длина волны. График зависимости показателя преломления от длины световой волны n f называется дисперсионной кривой.

Цель данной лабораторной работы – построение дисперсионной кривой для стекла.

В качестве источника света в работе используется ртутно-кварцевая лампа, свет от которой направляется на трехгранную стеклянную призму. После выхода из призмы наблюдается линейчатый спектр, содержащий пять наиболее ярких видимых линий: желтую, светло-зеленую, синезеленую, синюю, фиолетовую. Соответствующая им длина волны указана в приложениях.

Показатель преломления для каждой из этих длин волн может быть подсчитан из соотношения

где А – преломляющий угол призмы (рис. 2.19); 0 – наименьший угол отклонения выходящего из призмы луча от направления падающего луча.

Можно доказать, что угол 0 будет наименьшим при таком падении света на грань АВ, при котором внутри призмы луч идет параллельно основанию (см. рис. 2.19).

59

Таким образом, задача сводится к определению преломляющего угла А A призмы и наименьшего угла отклонения 0 для каждой линии спектра

ртути.

Гониометр (рис. 2.20) состоит из двух труб – зрительной Т и коллимато-

В центре гониометра – предметный столик С, на котором располагается призма, столик жестко связан с нониусом Н.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Упражнение 1

Определение преломляющего угла призмы А

1.Направить пучок света от ПРК-2 на линзу коллиматора К.

2.При снятой призме расположить коллиматор К и зрительную трубу соосно (как показано на рис. 2.20).

3.Добиться резкого изображения щели коллиматора и ее совмещения с вертикальной нитью окуляра трубы Т.

4.Закрепить неподвижно столик С и поместить на него призму так, чтобы угол падения i светового луча на ее грань АВ составлял около 30– 45° (рис. 2.21, а).

5.Перемещать трубу Т до тех пор, пока изображение щели коллиматора, отраженное от грани АВ, не совместится с вертикальной нитью окуляра

(см. рис. 2.21, а).

6.С помощью нониуса Hc произвести отсчёт 1.

60

1, Hc

K K

а) б)

Рис. 2.21. Расположение призмы, трубы и коллиматора

7.Закрепив трубу Т неподвижно, поворачивать столик вместе с призмой до тех пор, пока место грани АВ не займет грань АС (рис. 2.21, б). В этот момент вертикальная нить окуляра вновь совместится с изображением щели коллиматора.

8.С помощью нониуса Hc произвести отсчет 2.

9.Определить угол поворота призмы:

10. Из рис. 2.22 видно, что искомый преломляющий угол призмы равен A 2 ; 2 1800 ,следовательно,

Рис. 2.22. Определение преломляющего угла призмы

11.Произвести операции, указанные в пп. 4–10, для двух других углов падения i, сместив столик на 2–3° вправо или влево относительно первого положения.

12.Найти среднее значение преломляющего угла А призмы.

13.Данные заносить в табл. 2.1.

14.Подсчитать погрешности в определении угла А.

61