Фізика(готові лабораторні роботи) / Лабораторна робота №64
.docМіністерство освіти і науки України
Житомирський державний технологічний університет
Кафедра фізики
Група РТ-8
Лабораторна робота №64
Тема: “Дослідження властивостей лазерного випромінювання”
Виконав: Чернега П.В.
Перевірив: Алексюк В.Ю.
Житомир
2004р.
Мета роботи: визначити довжину хвилі лазерного випромінювання та її площину поляризації; навчитись користуватися лазером як вимірювальним приладом.
Обладнання: газовий лазер неперервної дії, нитка та щілина на підставці, поляроїд, лінійка, екран.
Короткі теоретичні відомості
Гелій-неоновий лазер – неперервної дії, середньої потужності, простий, надійний, широко застосовується, λ = 633 нм (червоно-оранжевий колір променя).
Лазер складається з кварцової трубки (рис 2), заповненої сумішшю Не і Ne. Перпендикулярно до осі трубки розміщено два дзеркала – переднє напівпрозоре1 і заднє непрозоре 2. Трубку охоплюють кільцеві електроди 4, що з’єднані з генератором високої частоти 5. За допомогою цих електродів в трубці створюється змінне електричне поле (ν ≈ 300 МГц) енергія якого використовується для збудження атомів Не і Ne.
Дія лазера грунтується на тому, що в його робочому тілі (атоми Ne) створюється так звана інверсна заселеність, тобто створюється ситуація, за якої більшість електронів Ne знаходяться у високих енергетичних станах E4 і E5 (рис. 1), а на рівні E2 та Е3 – вільні. Будь-який фотон, частота якого відповідає енергії переходу, наприклад, з заселеного рівня Е5 на незаселений Е3 (ε = Е5 – Е3), буде стимулювати переходи Е5 → Е3 в атомах Ne та випромінювання фотонів тих самих частот, поляризації і напрямку розповсюдження, що і вхідний фотон. Таким чином, в середовищі Ne з інверсною заселеністю рівнів E3 і Е5 відбуватиметься підсилення випромінювання частотою . Найбільше підсилюватиметься випромінювання вздовж трубки, бо воно, неодноразово відбиваючись від дзеркал, пройде в середовищі Ne найбільший шлях.
З допомогою лазера легко спостерігати яіище дифракції світла, що використано в даній роботі.
Порядок виконання роботи
-
Визначення довжини робочої хвилі лазера:
-
Ввімкнути лазер.
-
Помістити на шляху променя пластинки з ниткою, виміряти відстань L від нитки до екрана та відстань ln між центральним та n-ми 5 або 7 максимумами. За формулою , (з умови дифракційного максимуму d×sinφ = n×λ з урахуванням sinφ ≈ tgφ для малих кутів) обчислити довжину хвилі. Товщина нитки d вказана на пластинці.
-
L = 137 см
l1 = 1,15 см
l2 = 1,9 см
l3 = 2,6 см
λ = (0,072 ± 0,004)×10-5 м
-
Знаходження положення площини поляризації світла лазера:
-
Встановити на шляху променя поляроїд з лімбом і фоторезистор, замкнути коло фоторезистора.
-
Повертаючи поляроїд, за максимумом струму знайти кут між площиною поляризації і вертикальною площиною.
-
φmin = 1770
φmin = 3500
φmax = 960
φmax = 2800
-
Визначення ширини щілини:
-
Встановити на шляху променя щілину на підставці.
-
Визначити по шкалі на екрані положення 3 – 5 мінімумів і обчислити ширину щілини за формулою , де k = 1,2,3, … – номер мінімуму, λ – довжина хвилі лазера, L – відстань між щілиною та екраном, lk – половина відстані між двома k-ми мінімумами.
-
dср = 0,332×10-3 м
-
Обчислити похибки вимірювань, записати результат.
d = (0,332 ± 0,0003)×10-3 м
Контрольні запитання
-
Вкажіть особливості роботи імпульсного лазера на рубіні.
Рубіновий лазер – це перший твердотілий лазер, працюючий в видимій області спектра. В ньому інвертна населеність рівня здійснюється по трьох рівневій схемі. Кристал рубіну представляє собою оксид алюмінію Al2O3, в кристалічній гратці якого деякі з атомів алюмінію заміщено трьохвалентними іонами Cr3+. Для оптичної накачки використовується імпульсна газорозривна лампа, при інтенсивному опроміненні рубіна світлом потужної імпульсної лампи, атоми хрому переходять з нижнього рівня на рівень широкої смуги. Так як час життя атомів хрому в збудженому стані малий (менше 10-7 с), то здійснюється або спонтанні переходи з верхнього рівня на нижній (вони малі), або більш можливо безопромінювальні переходи на метастабільний рівень з передачи лишка енергії.
-
Перерахуйте відомі вам застосування лазерів.
Лазери застосовуються для обробки, різання і мікрозварки твердих матеріалів, що являється економічно більш вигідним. Також вони застосовуються для швидкісного та точного знаходження дефектів у виробах, для найточніших операцій, для дослідження механізмів хімічних реакцій і впливу на їх, для отримання надчистих речовин. Одним із важливих використань лазера є отримання дослідження високотемпературної плазми. Лазери широко використовуються в вимірювальній техніці.
-
Експерементально за допомогою даної установки перевірте, чи виконується закон Малюса для плоскополяризованого світла.
За законом Малюса I = I0×cos2α, де І0 та І – відповідно інтенсивності світла, падаючого на другий кристал і виходячого з нього. Відповідно, інтенсивність світла, яке прорходить через пластинки змінюється від мінімума до максимума. В даній роботі ми повертали поляризатор і при повороті два рази спостерігали min і два рази max, це і витікає з закону Малюса. Отже він виконується для плоскополяризованого світла.
Задача 628
Моноенергетичний пучок електронів висвічує в центрі екрана електронно-променевої трубки пляму радіуса r ≈ 10-3 см. Користуючись співвідношенням невизначеностей, знайти, в скільки разів невизначеність ∆х координати електрона на екрані в напрямку, перпендикулярному до осі трубки, менша розмірів r плями. Довжина L електронно-променевої трубки прийняти рівною 0,5 м, а прискорююча електрон напруга U рівна 20 кВ.
Розв’язок
Співвідношення невизначенстей має вигляд:
∆x×∆px ≥ h
∆px = px
υ2 – υ20 = 2×a×L (1)
Де:
F = E×e
Підставивши це в формулу 1 і вважаючи, що υ0 = 0, отримаємо:
px = ∆px = m×υ = 9,11×10-31×8,4×104 = 76,5×10-27 (кг×м/с)
0,9×10-8 (м)
Відповідь: отже невизначеність ∆х координати електрона на екрані в напрямку, перпендикулярному до осі трубки, менша розмірів r плями в 90000 разів.