- •Волновая оптика
- •Часть II
- •Введение
- •Общие положения о работе в оптической лаборатории
- •Организация работы студента по подготовке и выполнению лабораторных работ
- •1. Изучение явления дифракции лазерного излучения на дифракционной решетке
- •Теоретические введения
- •Зоны Френеля
- •Дифракция на щели
- •Дифракция на дифракционной решетке
- •Задание I. Измерение длины волны излучения газового лазера с помощью дифракционной решетки
- •Задание II. Определение постоянной дифракционной решетки
- •Контрольные вопросы
- •2. Получение и исследование поляризованного света
- •Контрольные вопросы
- •Список литературы
- •Оглавление
- •424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3
- •424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17
1. Изучение явления дифракции лазерного излучения на дифракционной решетке
Приборы и принадлежности – оптическая скамья, рейтеры, лазер с источником питания, дифракционная решетка, устанавливаемая в держателе (столике), экран.
Цель работы – ознакомиться с явлением дифракции, изучить принцип работы газового лазера, измерить длину волны газового лазера с помощью дифракционной решетки, определить постоянную дифракционной решетки.
Теоретические введения
Дифракция света – явление, наблюдаемое при распространении света в среде вблизи непрозрачных тел сквозь малые отверстия и связанное с отклонениями от законов геометрической оптики.
Дифракция приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени.
Дифракция легко наблюдается, если размеры преграды, например, щели, через которую проходит свет, соизмеримы с длиной волны в пределах нескольких порядков.
Дифракцию объясняет принцип Гюйгенса – именно вторичные волны огибают препятствия на пути распространения первичных волн.
Френель дополнил принцип Гюйгенса представлением о когерентности вторичных волн и их интерференции.
Явление интерференции свидетельствует о том, что свет – волна.
Интерференцией световых волн называется сложение двух или более когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.
Когерентностью называется согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует постоянная разность фаз.
Все источники света, кроме лазера, некогерентны.
Монохроматическое излучение (греч. mono – один и chroma (родительный падеж chromatos) – цвет) – электромагнитное излучение, обладающее очень малым разбросом частот, в идеале – одной длиной волны. Монохроматическое излучение формируется в системах, в которых существует только один разрешённый электронный переход из возбуждённого в основное состояние. На практике используют несколько способов получения монохромного излучения: призматические системы для выделения потока излучения с заданной степенью монохроматичности; системы на основе дифракционной решетки; лазеры, излучение которых не только высокомонохроматично, но и когерентно; газоразрядные лампы и другие источники света, в которых происходит преимущественно один электронный переход (например, натриевая лампа, в излучении которой преобладает наиболее яркая линия D или ртутная лампа).
Монохроматические волны – неограниченные в пространстве волны одной определенной и постоянной частоты – являются когерентными.
Для получения монохроматического излучения используются оптические квантовые генераторы (ОКГ) – источники света, работающие на основе эффекта вынужденного излучения в активной среде с инверсной населённостью энергетических уровней. ОКГ, работающие в оптическом диапазоне, называются лазерами. ОКГ, работающие в диапазоне ультракоротких волн, называются мазерами.
Существует несколько типов лазеров: твёрдотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные (в основу такого деления положен тип активной среды). Лазеры также классифицируются по методу накачки: оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др. Различают непрерывный и импульсный режимы генерации лазера.
Лазер как источник света качественно отличается от обычных, нелазерных источников. Для излучения лазера характерны: а) острая направленность, очень малое угловое расхождение в пучке; б) большая яркость (большая плотность потока энергии); в) временная и пространственная когерентность; г) строгая монохроматичность;
Лазер излучает узкий, малорасходящийся световой пучок. В случае теплового источника узкий пучок можно получить с помощью экрана с малым отверстием. Однако яркость лазера значительно больше, чем у обычного нелазерного источника света
Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции (сложения) когерентных вторичных волн, излучаемых вторичными (фиктивными) источниками – бесконечно малыми элементами любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S.
В зависимости от схемы наблюдения дифракционные явления условно разделяют на дифракцию Френеля (рис. 1.1.) и дифракцию Фраунгофера (рис. 1.2.).
Дифракция Френеля (дифракция в расходящихся лучах) |
Дифракция Фраунгофера (дифракция в параллельных лучах) |
Рис.1.1. Дифракция Френеля
|
Рис.1.2. Дифракция Фраунгофера: 1 – источник света; 2 – щель; 3 и 4 – линзы; 5 – дифрагированные лучи; 6 – фокальная плоскость |
На препятствие падает сферическая или плоская волна |
На препятствие падает плоская волна |
Дифракционная картина наблюдается на экране, находящемся позади препятствия на конечном расстоянии от него |
Дифракционная картина наблюдается на экране, который находится в фокальной плоскости собирающей линзы, установленной на пути прошедшего через препятствие света |
На экране получается «дифракционное изображение» препятствия |
На экране получается «дифракционное изображение» удаленного источника света |