Фізика(готові лабораторні роботи) / fizika / Лабораторна робота №64

Міністерство 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

1. Визначення довжини робочої хвилі лазера:

   1. Ввімкнути лазер.

   2. Помістити на шляху променя пластинки з ниткою, виміряти відстань L від нитки до екрана та відстань l_n 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

2. Знаходження положення площини поляризації світла лазера:

   1. Встановити на шляху променя поляроїд з лімбом і фоторезистор, замкнути коло фоторезистора.

   2. Повертаючи поляроїд, за максимумом струму знайти кут між площиною поляризації і вертикальною площиною.

φ_min = 177⁰

φ_min = 350⁰

φ_max = 96⁰

φ_max = 280⁰

3. Визначення ширини щілини:

   1. Встановити на шляху променя щілину на підставці.

   2. 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, l_k – половина відстані між двома k-ми мінімумами.

d_ср = 0,332×10^-3 м

3. Обчислити похибки вимірювань, записати результат.

d = (0,332 ± 0,0003)×10^-3 м

Контрольні запитання

1. 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.

2. 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.

3. 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×∆p_x ≥ h

∆p_x = p_x

υ² – υ²₀ = 2×a×L (1)

Де:

F = E×e

Підставивши це в формулу 1 і вважаючи, що υ₀ = 0, отримаємо:

p_x = ∆p_x = 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.