Херсонський національний технічний університет Кафедра загальної та прикладної фзики Дисципліна: фізика. Розділ ”Оптика” Степанчиков Д.М., Гоголєва Т.П. 17.03.2004.

Лабораторна робота № 4-8

ВИЗНАЧЕННЯ КУТА РОЗХОДЖЕННЯ ЛАЗЕРНОГО ПРОМЕНЯ ТА РОЗПОДІЛУ ЕНЕРГІЇ В НЬОМУ

Мета роботи: фотоелектричним методом визначити кут розходження лазерного променя та розподіл енергії в ньому.

Обладнання: блок лазерного випромінювання, прилад для реєстрування інтенсивності лазерного випромінювання, оптична лава, лінійка.

Теоретичні відомості

Оптичним квантовим генератором (лазером) називається пристрій, в якому відбувається генерація монохроматичних електромагнітних хвиль оптичного діапазону завдяки вимушеного випромінювання

Головні властивості лазерного випромінювання:

1. монохроматичність

2. когерентність

3. висока спрямованість

4. поляризованість

5. велика спектральна густина

В поданій роботі вимірюється один з найважливіших параметрів лазерного випромінювання – кут розходження променя. Величина цього кута визначає спрямованість лазерного променя. Розходження виникає внаслідок дифракції лазерного випромінювання на вихідному отворі резонатора.

Під кутом розходження розуміють тілесний кут, в якому розповсюджується найбільша частка випромінювання. З геометрії відомо, що тілесний кут – це відношення площі S, яка вирізається на сфері конусом з вершиною в центрі сфери, до квадрату радіуса цієї сфери(рис.1).

(1)

Одиницею вимірювання тілесного кута є стерадіан (ср). Тілесний кут можна розрахувати через відповідний плоский кут :

(2)

Для малих значень можна скористатися наближеною формулою:

(3)

Величину кута знаходять фотоелектричним методом. Для цього на різних відстанях визначають діаметри поперечного перерізу лазерного променя (рис.2).

(4)

Так як кут дуже малий, то виконується наближена рівність:

(5)

Фотоелектричний метод дозволяє також дослідити розподіл енергії вздовж перерізу лазерного променя.

Опис експериментальної установки

Установка складається з блока лазерного випромінювання (1) і фотоелектричного приладу, який містить в собі фотоелемент (2),закритий вузькою щілиною, мікроамперметр(3), мікрометричний гвинт(4)та гвинт для поперечного пересування приладу(5). Лазер і фотоелектричний прилад знаходяться на оптичній лаві(6), вздовж якої їх можна пересувати. Для регулювання лазерного променя по вертикалі використовується гвинт (7).

Увага! Пряме попадання лазерного променя в око шкідливе для зору. Лазерний промінь можна спостерігати лише після відбивання від розсіючих поверхонь.

Порядок виконання роботи

Вмикання (вимикання) лазера здійснюється тільки викладачем!

Вправа 1. Визначення кута розходження лазерного променя.

1. Зафіксувати положення фотоелектричного приладу на деякій відстані від лазера. .

2. Мікрометричний гвинт (4) встановити в нульове положення.

3. Гвинтом (7) встановити лазерний промінь посередині щілини фотоелементу (2).

4. За допомогою гвинта (5) знайти положення приладу з максимальними показами мікроамперметра (3).

5. Обертаючи мікрометричний гвинт (4), зменшити фотострум на половину. Шкала гвинта покаже значення діаметру лазерного променя.

6. Зафіксувати інше положення фотоелектричного приладу на оптичній лаві.

7. Виміряти відстань L від попереднього положення приладу.

8. Повторити п.п.2 – 5.

9. Дослід провести 3 рази.

10. Для кожного випадку розрахувати значення і за формулами (3,5), а також їх середні значення.

11. Обчислити абсолютні та відносні похибки визначення кутів і за формулами:

    	(6)
    	(7)

12. Результати занести в таблиці 1, 2.

Таблиця № 1

№ досліду	d, мм	D, мм	L, мм	, рад	, ср

Таблиця № 2

сер, рад	сер , ср	, рад		ср

Вправа 2. Визначення розподілу енергії у лазерному промені.

1. Повторити п. п. 1 – 4 з вправи 1.

2. Обертаючи мікрометричний гвінт (4) відмічати покази мікроамперметра (3) через кожні 0,20 мм.

3. Результати занести в таблицю 3.

4. За даними таблиці 3 побудувати графік залежності струму I від радіуса r=d/2 поперечного перерізу лазерного променя.

Таблиця № 3

r = d/2, мм	I, мкА	r = d/2, мм	I, мкА	r = d/2, мм	I, мкА

Контрольні питання

1. Принцип дії лазера. Головні властивості лазерного випромінювання.

2. Що таке кут розходження лазерного променя?

3. Вивести формулу (4).

4. Які практичні застосування оптичних квантових генераторів?

Література

1. Бушок Г.Ф., Венгер Є.Ф. Курс фізики, т.2. – К.: Либідь, 2001.

2. Кучерук І.М., Дущенко В.П., Загальна фізика. Оптика. Квантова фізики. – К.: Вища школа, 1991.

3. Савельев И.В. Курс общей физики, Т. 3, - М.: Наука, 1989.

4. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики, т. 3, М, 1986.

5. Элементарный учебник физики, т.3, Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – М.: Наука, 1985.

6. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики, т. 3, М.: Наука, 1986.

7. Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика с основами электротехники. М.: Наука, 1985.

8. Бутиков Е.И. Оптика. – М.: Высш. шк., 1986.

стор. 1 з 11