Atom_laby / #7

Лабораторная работа №7.

Устройство и принципы работы лазеров.

Изучение параметров He-Ne-лазера.

(из книги Е. И. Бутикова “Оптика”, стр. 444-455)

Применение He-Ne-лазера для определения толщины

тонких нитей.

Возможность определения толщины тонких нитей заключается в явлении дифракции на них лазерного луча. Это кажется парадоксальным, но тем не менее факт, что картины дифракции на тонкой непрозрачной нити толщиной L и на щели, шириной L одинаковы за исключением области, соответствующей направлению падающего пучка света.

Данный факт известен под названием теорема (или принцип) Бабине, который гласит: при фраунгоферовой дифракции на каком-либо экране интенсивность дифрагированного света в любом направлении, кроме направления распространения падающей на экран плоской волны, должна быть такой же, как и при дифракции на дополнительном экране. Экраны называются дополнительными, если отверстиям в одном из них соответствуют точно такие же по форме, размеру, взаимному положению непрозрачные участки другого, и наоборот (например, непрозрачная полоска толщиной L и щель этой же ширины).

Доказательство принципа Бабине легко получить исходя из принципа Гюйгенса-Френеля, разбив плоский фронт падающей волны на области, соответствующие открытым участкам каждого экрана (проделать самостоятельно).

Таким образом, вместо того, чтобы рассматривать дифракцию на нити толщиной L можно перейти к дифракции на щели шириной L. Свойства последней хорошо известны. Угловые положения ее побочных максимумов находятся из решения трансцендентного уравнения tgu=u (где ). Корни уравнения таковы: 1,43, 2,46, 3,47, 4,48, 5,48, 6,48, 7,49 и т.д. Учитывая малость угла дифракции , получаем следующие положения _м побочных максимумов: 1,43, 2,46, 3,47, 4,48, и т.д.

Измеряя угловые положения максимумов, и зная длину волны лазерного излучения (6300 А⁰) , можно определить толщину нити L.

Контрольные вопросы.

1. Какие функции в лазере выполняют активная среда и резонатор?

2. Какими факторами определяется частота, на которой происходит лазерная генерация?

3. Какими условиями определяется пороговое усиление?

4. Какие процессы ведут к установлению стационарного режима генерации в случае превышения коэффициента усиления над его пороговым значением?

5. При каких условиях возможна многомодовая генерация?

6. В чем заключаются естественные и технические причины уширения линий генерации?

7. Как на опыте можно продемонстрировать пространственную когерентность лазеного излучения?

8. Почему дифракционные потери в резонаторе с плоскими зеркалами больше, чем в конфокальном резонаторе таких же размеров?

9. Поясните способы получения инверсной населенности в трехуровневых и четырехуровневых лазерах.

10. В чем заключается режим модулированной добротности?

11. Назовите основные области применения лазеров.

Выполнение работы.

Задача 1.

В начале определяют толщины нитей и ширину щели.

1) Убрать из рейтера на рельсе анализатор с фотоэлементом. Поставить перед зеркалом экран с белым листом. Включить He-Ne-лазер и установить на держателе нити.

2) Путем юстировки держателя добиться попадания середины луча лазера на нить.

3) На экране отметить положение максимумов.

4) Измерить расстояние от нити до экрана.

5) Повторить операции для других нитей.

6) Поместить в держатель щель. Убедиться, что общий вид дифракцион­ной картины не меняется.

7) На экране отметить положение максимумов и измерить расстояние от щели до экрана. Убрать щель и нити в футляр.

8) Для каждой нити рассчитать толщину L, а также ширину щели, как среднее значение, определенное по 5-8 максимумам. По разбросу значений оценить погрешность измерений.

Задача 2.

Приступают к определению расходимости лазерного луча.

1) Убрать экран. Поднять зеркало за вертикальную стойку (не касаться поверхности зеркала руками). Добиться попадания отраженного луча в зеркальце на потолке. Обвести попавшее на стол пятно лазерного луча.

2) Измерить расстояние от выходного отверстия лазера до пятна на наклонном зеркале и от него до стола. Расчитать путь луча h, зная, что расстояние от потолка до стола 220±0,2 см.

3) Вычислить расходимость в градусах по формуле =d/h, где d- диаметр пятна на столе (предполагается, что диаметр выходящего из лазера луча пренебрежимо мал по сравнению с d). Оценить погрешность .

Задача 3.

Определяют мощность лазерного луча.

1) Опускают наклонное зеркало. Луч должен попасть в отверстие измерительной головки.

2) Включают измеритель, расположенный на столе (тумблер «сеть»). Подождать 1-2 минуты, пока стабилизируется режим работы прибора.

3) Записывают 3 показания прибора с интервалом 1 мин, берут среднее (предел измерений 3*10^-5 Вт, шкала на 30 делений) и умножают на коэффициент поглощения четвертого ослабителя (114,5), введенного в канал измерений на измерительной головке.

4) Полученный результат переводят в милливатты и сравнивают с паспортным значением (2 мВт). Выключают измеритель.

Задача 4.

Как известно из оптики, если на поляризатор падает линейно поляризованная волна, то на выходе при повороте его разрешенного направления на угол  от направления колебаний вектора напряженности волны интенсивность будет I=I_o*cos², где I_o – интенсивность при нулевом значении поворота. Таким образом, график зависимости I от cos² линейный. Если это будет наблюдаться для лазерного излучения, то можно сделать вывод о его линейной поляризации.

Приступают к определению степени поляризованности лазерного излучения.

1) В рейтер (за держателем нитей) устанавливают гониометр с анализатором и фотоэлементом. Лазерный луч должен попадать в середину входного отверстия гониометра.

2) Вращением подвижной части гониометра добиться максимального показания фототока на микроамперметре. Записать нулевое положение ₀ по шкале (оно находится вблизи 110^о). Проделать операцию еще 2 раза. В результате взять среднее из трех значений.

3) Поскольку при большой интенсивности света наблюдается насыщение фототока, то измерения проводят при небольшой яркости. Поворачивают анализатор до максимального затемнения (приближенно 20⁰ по шкале гониометра).

4) В диапазоне от 0 до 50 делений по шкале микровольтметра измеряют 10 точек. По окончании выключают лазер.

5) Строят график зависимости фототока от cos² и делают вывод о поляризованности излучения (угол  отсчитывается от ₀).

Подписывают результаты у преподавателя.

15