1873

Таблица 2.1

град

Упражнение 2

Определение наименьшего угла отклонения 0 для линий различных длин волн спектра атомов ртути

1.Сняв столик с призмой, расположить коллиматор К и зрительную трубу Т соосно (см. рис. 2.20), добиться совмещения вертикальной нити окуляра и изображения щели коллиматора. Определить по нониусу Нт правление неотклонённого луча 1 .

2.Расположить столик с призмой так, чтобы угол падения i луча на грань АВ был примерно равен 70–80° (рис. 2.23).

3.Трубу Т перемещать до тех пор, пока в поле зрения не попадет спектр паров ртути.

4.Необходимо найти такое положение призмы по отношению к падающему на ее грань АВ лучу, при котором угол отклонения будет наимень-

ответствует наименьшему значению угла отклонения 0 преломленного луча;

б) если спектр сразу же смещается в направлении, противоположном вращению, то следует столик с призмой повернуть в сторону, обратную движению зрительной трубы на угол 8–10° и повторить действия пункта а.

5.Зафиксировав момент, когда угол будет наименьшим, закрепить столик с призмой.

6.Навести нить окуляра на желтую линию спектра ртути. Определить по нониусу Hт угол 2 .

7.Найти наименьший угол отклонения для желтых лучей:

62

8.При закрепленном столике с призмой произвести операции, указанные в пп. 6–7, для желтой, светло-зеленой, синей, фиолетовой линий спектра ртути.

9.Данные заносить в табл. 2.2.

10.Вычислить для одной из линий спектрпогрешности в определении 0.

Таблица 2.2

φ1= град

2, град

0, град

Упражнение 3

Построение дисперсионной кривой для стекла

1. По данным табл. 2.1 и 2.2 и по формуле (2.1) вычислить показатель преломления вещества призмы для каждой линии спектра ртути, результаты занести в табл. 2.3.

Таблица 2.3

А = град

Линии спектра желтая светло-зеленая сине-зеленая синяя фиолетовая

λ, нм

δ0, град

n

2.Построить дисперсионную кривую (длины волн наблюдаемых линий взять из приложений).

3.Подсчитать погрешности в определении показателя преломления для одной из наблюдаемых линий.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем состоит явление дисперсии света?

2.Что называется дисперсионной кривой?

3.Как в лабораторной работе определяется показатель преломления стекла для волн различной длины?

4.Начертить и объяснить ход лучей в трехгранной призме. При каком условии величина угла отклонения преломленного луча наименьшая?

5.Почему в работе не использована в качестве источника света лампа накаливания? Можно ли использовать водородную или неоновую газоразрядную трубку?

63

ЛР 2.2. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

Цель работы: ознакомление с принципом работа газового лазера, а также измерение некоторых характеристик лазерного излучения.

Оборудование: газовый лазер, оптическая скамья, поляроид, фотоэлемент, микроамперметр, дифракционная решетка, экран.

Краткая теория

Оптическим квантовым генератором (ОКГ), или лазером, называется прибор, генерирующий узкий пучок монохроматического света высокой интенсивности. В ОКГ на основе квантовых законов происходит преобразование любой энергии (электрической, тепловой, химической и др.) в более качественную энергию когерентного светового луча видимого и невидимого диапазонов. Отметим, что для традиционных источников света характерна некогерентность излучения.

Любой лазер содержит три основных элемента: активную среду, устройство для ее накачки (возбуждения) и оптический резонатор. На рис. 2.24 приведена принципиальная схема газового лазера на смеси гелия и неона. Лазер состоит из газоразрядной стеклянной трубки Т, наполненной газовой смесью (10 частей Не и 1 часть Ne) при общем давлении ~130 Па. На концах трубки привариваются тщательно отполированные плоскопараллельные пластинки, расположенные так, что нормаль к ним составляет с осью трубки Т угол Брюстера. Это позволяет свести отражение от торцевых пластин к минимуму и получить на выходе линейно поляризованное излучение.

Для отбора нужного излучения и увеличения мощности трубку помещают в оптический резонатор, который представляет собой два зеркала М1 и М2, расположенных параллельно на некотором расстоянии друг or друга. Коэффициент отражения этих зеркал очень высок (98–99 %).

Рис. 2.24. Устройство газового лазера

На практике лазерные резонаторы обычно образуются сферическими или плоскими зеркалами.

Основное назначение резонатора – осуществление положительной об-

64

ратной связи: его зеркала возвращают часть световой энергии, излученной активной средой, обратно.

Все свойства лазерного излучения зависят исключительно от совокупности действия активной среды и оптического резонатора.

Многократное прохождение светового пучка за счет отражения от зеркал приводит к его усилению. Расстояние между зеркалами устанавливается таким, чтобы оно было кратно целому числу полуволн излучения (условие резонанса).

Так как одно из зеркал резонатора полупрозрачно (М1), то индуцированное активной средой излучение будет направлено во внешнее пространство.

Выходное излучение OKГ является узконаправленным, так как испускаются лишь волны, многократно отраженные oт зеркал резонатора и не испытавшие отклонений от оптической оси.

Лазерное излучение является монохроматическим, т. е. оно сосредоточено в узкой полосе частот. Такое излучение обладает высокой когерентностью: как пространственной, обусловленной плоским фронтом волны излучения, так и временной, поскольку излучение монохроматично во времени.

Излучение ОКГ обладает свойством линейной поляризованности, создаваемой плоскопараллельными окнами, установленными под углом Брюстера.

Индуцированное излучение обладает значительной мощностью, т.к. в процессе создания излучения одновременно участвует большое количество возбужденных атомов.

ВНИМАНИЕ!

При работе с лазером необходимо строго соблюдать меры предосторожности, связанные с использованием в системе его питания источника высокого напряжения.

Любое перемещение лазера во включенном состоянии категорически запрещается!

Попадание в глаза прямого излучения лазера опасно для зрения. Поэтому при работе свет от лазера разрешается наблюдать только после отражения от экрана с рассеивающей поверхностью.

Включать лазер разрешается только преподавателю и лаборанту!

65

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Упражнение 1

Определение степени поляризации излучения газового ОКГ

Степенью поляризации излучения называется выражение

Imax Imin

где Imax и Imin – максимальная и минимальная интенсивности света, соответствующие двум взаимно-перпендикулярным направлениям световых колебаний в пучке.

Для определения Р используется установка, схема которой приведена на рис. 2.25.

Излучение лазера направляется на поляроид П, за которым находится фотоприемник ФП и микроамперметр. По величине фототока судят об интенсивности света.

Плавно вращая поляроид в оправе, находим максимальное значение фототока imax, которое пропорционально максимальной интенсивности прошедшего через поляроид света, и фиксируем угол поворота поляроида φmax.

Затем таким же образом определяем минимальное значение фототока imin и фиксируем φmin. Измерения повторяем еще 3–5 раз и находим средние значения imax , max , imin , min . По формуле (2.5) рассчитать степень поляризации излучения ОКГ. Определить разность углов поворота поля-

На основании этих результатов сделать вывод о степени поляризации излучения лазера.

Упражнение 2

Определение длины волны излучения лазера с помощью дифракционной решетки

Излучение лазера представляет собой узкий пучок параллельных монохроматических когерентных волн.

Эти свойства позволяют использовать излучение лазера для наблюде-

66

ний различных случаев дифракции Фраунгофера. Схема установки приведена на рис.2.26.

I

ХК

к

Лазер

L Э

Рис. 2.26. Схема измерений

Узкий пучок света от лазера падает на прозрачную дифракционную решетку I. Параллельно решетке на расстоянии 40–50 см от нее располагается экран. На экране наблюдается дифракционная картина в виде светящихся полосок, представляющих собой главные дифракционные максимумы.

Для упрощения оптической схемы опыта за дифракционной решеткой не помещена линза для фокусировки дифракционных максимумов, поэтому на экране спектры излучения лазера представлены в виде широких полосок, повторяющих сечение первичного светового пучка, падающего на решетку.

Дифракционную решетку I и экран Э необходимо установить перпендикулярно оси светового пучка лазера. В этом случае дифракционные максимумы располагаются симметрично относительно нулевого максимума, как показано на рис. 2.26.

Закрепив на экране Э листок миллиметровой бумаги, отмечают положения всех дифракционных максимумов (следует отмечать середины наблюдаемых спектров-полосок). Измерить расстояние между дифракционной решеткой и экраном L. Снять листок бумаги с экрана и измерить расстояния между нулевым и k-м максимумом Xk. Результаты измерений занести в табл. 2.4.

Расчет длины волны λ проводится по формуле

k

где k=1,2,3... – порядок спектра; d – период (постоянная) решетки, указывается на решетке.

Значение угла <φk> (угол дифракции k-го спектра) определяется из соотношения

67

tgφk=Xk/L. (2.8)

По формулам (2.7) и (2.8) определить длины волн λ для всех порядков спектра. Вычислить среднее значение <λ> и рассчитать погрешность измерений.

Сравнить этот результат с табличным значением (паспортные данные лазера).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Каковы характерные особенности лазерного излучения?

2.Каковы особенности вынужденного излучения?

3.Из каких основных частей состоит лазер? Их назначение.

4.Какова роль оптического резонатора в формировании лазерного излучения?

5.В чем заключается дифракция и поляризация света?

6.Чем отличается естественный свет от поляризованного?

7.Что представляет собой дифракционная решётка? Опишите дифракционный спектр и сформулируйте условия главных максимумов.

ЛР 2.3. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛА РАСХОДИМОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Узкая направленность лазерного пучка определяется многократностью прохождения вынужденного излучения в газоразрядной трубке между параллельными зеркалами резонатора. Часть излучения, направление которого по каким-либо причинам значительно отклоняется от осевого, через боковые стенки газоразрядной трубки покидает активную среду и не участвует в дальнейшем усилении излучения.

Такое устройство резонатора позволяет с улучшением технических возможностей изготовления лазеров уменьшать расходимость лазерного пучка. В итоге расходимость будет определяться свойствами самого излучения, т.е. длиной волны излучения и характерным размером объема активной среды. Установлено, что минимальная теоретически достижимая расходимость пучка лазерного излучения определяется по формуле

где Θτ – угловой раствор луча, рад; λ – длина волны излучения, м; d – диаметр источника излучения, м.

В данной работе для измерения расходимости излучения используется метод сечения пучка.

Схема измерений представлена на рис. 2.27.

Угол расходимости из геометрических соотношений определится по

68

Рис. 2.27. Схема измерений

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1.Установить экран перпендикулярно оси пучка на начальном расстоянии от лазера и отметить это положение экрана.

2.Отметить на листе, прикрепленном на экране, диаметр пучка d0. Сместить экран вдоль пучка на расстояние LN и вновь отметить на листе диаметр пучка dN. Операцию провести 5–6 раз и для разных расстояний LN.

3.Снять лист с экрана, измерить любым измерительным инструментом диаметры. Результаты занести в табл. 2.5.

Таблица 2.5

4. Определить углы расходимости излучения по формуле (2.10). Рассчитать погрешность измерения для двух крайних значений dN. Определить угол расходимости луча по формуле (2.9) и сравнить с по-

лученным из опыта.

Построить график зависимости d = d(L) и определить по графику среднее значение угла расходимости. Сравнить результат с определенным ранее.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Чем характеризуется лазерное излучение?

2.Чем обусловлена малая расходимость лазерного излучения?

3.От чего зависит расходимость излучения лазера?

69

Глава 3. Элементы фотометрии и светотехники

3.1. Основные понятия

Разнообразные действия света связаны в первую очередь с наличием определенной световой энергии. Свет, рассматриваемый как электромагнитная волна, переносит энергию без переноса вещества. В волновой оптике важнейшей энергетической характеристикой электромагнитной волны является плотность потока излучения, иначе называемая интенсивно-

стью волны. Она равна средней мощности излучения, переносимой волной через поверхность единичной площади:

Выделим в пространстве, где распространяется плоская электромагнитная волна со скоростью с, участок поверхности площади S (рис.3.1).

Y

X

c

B

l c t

Z

Рис. 3.1. Область распространения плоской электромагнитной волны

За время ∆t через эту поверхность пройдёт энергия, содержащаяся в элементарном объёме

∆V=S ∆l=S c ∆t.

Так как поток энергии волн в течение периода колебаний Т изменяется от максимума до нуля, предполагаем, что ∆t>>T. Средняя энергия, содержащаяся в этом объёме, равна

∆Wср=wср ∆V=wср S c ∆t,

где wср средняя плотность энергии электромагнитной волны. Подставив это значение средней энергии в выражение (3.1.1), получим вектор Н. Умо-

ва (1846-1915) - Д. Пойнтинга (1852-1914):

I = wср с.

Модуль этого вектора и есть интенсивность волны, или плотность потока излучения. Нетрудно убедиться, что единицей плотности потока излучения является ватт на квадратный метр.

Действие световой энергии вызывает ощущение света глазом, любым другим приемником света. Явления, происходящие при испускании, распространении, поглощении света, связаны прежде всего с процессами испускания, распространения и поглощения энергии света или лучистой энергии.

70

Фотометрия – раздел физической оптики, посвящённый изучению электромагнитного излучения оптического диапазона. Под фотометрией в широком смысле понимают измерение характеристик процессов испускания, распространения, поглощения и рассеяния излучения в диапазоне от ультрафиолетовых до инфракрасных лучей. Под фотометрией в узком смысле слова понимают световые измерения, т.е. оценку энергии видимого излучения в соответствии с его действиями на глаз и другие приемники света. Фотометрические измерения можно производить двумя различными методами: объективно по мощности электромагнитного излучения и субъективно по световому действию видимых оптических волн на различные приёмники излучения (глаз, фотоэлементы, фотоумножители). Соответственно этим двум различным задачам устанавливаются и два ряда величин, рассматриваемых в фотометрии: объективные энергетические характеристики и субъективные – световые (фотометрические) характеристики. Энергетические фотометрические величины оптического излучения рассматриваются безотносительно к его действию на приёмники излучения.

В фотометрии, как и любом другом разделе физики, используют идеа-

лизацию – точечный источник и понятие телесного угла. Считается, что точечный источник равномерно излучает свет во все стороны, т.е. действие источника будет зависеть только от расстояния R от приемника до источника и не будет зависеть от направления радиуса, проведенного к приемнику от источника. Размеры его намного меньше расстояния до освещаемой поверхности. Например, если лампа диаметром 10 см освещает поверхность на расстоянии 100 м, то эту лампу можно считать точечным источником. Но если расстояние до поверхности 50 см, то такое предположение сделать нельзя. Типичный точечный источник света звёзды.

Для протяжённых источников мы можем разбить поверхность источников на элементарные участки (достаточно малые по сравнению с расстоянием) и, определив действие, создаваемое каждым из них, проинтегрировать затем по всей площади источника.

Телесный угол характеризует область пространства, ограниченную конической поверхностью. Единица телесного угла стерадиан (ср) является дополнительной единицей СИ. Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы (рис.3.2). Для измерения телесного угла следует найти отношение площади поверхности шарового сегмента S0 к квадрату радиуса сферы с центром в вершине конуса:

Ω= S0 /R2.

Зная площадь поверхности сферы S0, можно определить полный телесный угол вокруг точки:

71