Министерство образования и науки Российской федерации

Московский государственный открытый университет

Рязанский институт (филиал)

ИЗУЧЕНИЕ ВОЛНОВЫХ СВОЙСТВ СВЕТА С ПОМОЩЬЮ

ЛАЗЕРА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ЛАЗЕРА С

ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЁТКИ

лабораторная работа №3.12 (руководство к выполнению лабораторной работы)

Рязань - 2004

3 Лабораторная работа № 3.12

Изучение волновых свойств света с помощью лазера. Определение длины волны лазера с помощью дифракционной решётки

Цель роботы: ознакомиться с принципом работы газового лазера и определить длину волны гелий-неонового лазера с помощью дифракционной решетки.

Приборы и принадлежности: лазерный генератор ЛГ-58 па оптической скамье,

дифракционная решетка и шкала к ней, миллимет­ровая линейка.

1. Теоретическая часть

ЛАЗЕРЫ, как оптические квантовые генераторы (ОКГ) представляют собой когерентные источники света с высокой направленностью излучения.

Излучение обычных тепловых «не лазерных» источников света распростра­няется но всем направлениям от источника, т.е. заполняют телесный угол ~ 4л ра­диана.

Излучение любого источника света представляет собой суммарный эффект излучения громадной совокупности атомов и молекул, причем все они излучают совершено независимо друг от друга, т.е. с произвольными фазами, или как гово­рят, некогерентно. Некогерентность излучения атомов связана с независимостью, случайностью элементарных актов возбуждения и их хаотическим распределением в пространстве.

Задача создания когерентного источника была решена с появлением ЛАЗЕ­РОВ. В лазерах используются принципиально новый способ высвечивания возбужденных атомов, позволяющий, несмотря на некогерентный характер возбу­ждения отдельных атомов, получать когерентные пучки света с очень малой расхо­димостью.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕНЕРАЦИИ И УСИЛЕНИЯ СВЕТА

Возбужденный атом может самопроизвольно перейти па один из нижележа­щих уровней энергии, изучив при этом квант света. Световые волны, излучаемые нагретыми телами, формируется именно в результате спонтанных (самопроизволь­ных) переходов атомов и молекул. Спонтанное излучение различных атомов неко­герентно. Однако, помимо спонтанного излучения, существуют процессы другого рода.

При распространении через среду световой волны с частотой V, соответст­вующей разности каких-либо двух энергетических уровней Е₁ и Е₂ атомов или мо­лекул среды, таких, что hv=E₂-E₂, к спонтанному излучению добавляется еще один процесс. Атомы находящиеся на нижнем энергетическом уровне Е₁ в резуль­тате поглощения квантов света hv переходят па уровень Е₂. Число таких переходов пропорционально концентрации N₁ атомов на уровне Е₁. Число таких переходов пропорционально концентрации N₂ атомов на уровне Е₂.

4

В результате переходов Е₂ —• Е₁ в световую волну добавляется энергия. Этот процесс называется ВЫНУЖДЕННЫМ (или ИНДУЦИРОВАННЫМ) излучением.

В условии термодинамического равновесия, которое чаще всего и реализуется, заселенность N₁ нижнего уровня всегда больше заселенности N₂ верхнего энерге­тического уровня. Поэтому волна теряет больше энергии, чем приобретает, т.е. имеет место поглощения света. Оказывается, однако, возможным в некоторых спе­циальных случаях создать такие условия, когда возникает, так называемая, ИНВЕРСНАЯ ЗАСЕЛЁННОСТЬ УРОВНЕЙ (N₂>N₁). При этом вынужденные пе­реходы Е₂ —► Е₁ поставляют в световую волну больше энергии, чем теряется в ре­зультате переходов Е₁—>Е₂, т.е. световая волна не ослабляется, а усиливается.

Важной особенностью вынужденного излучения является, что в отличие от спонтанного, оно когерентно падающей волне. Излучаемые атомами в результате вынужденных переходов волны тождественны по частоте и направлению распро­странения, поляризации и фазе падающей волне и, следовательно, когерентны друг

другу.

Именно из-за когерентности вынужденного излучения и происходит усиление световой волны в среде с инверсной заселенностью, а не просто дополнительное излучение новых волн.

Среду с инверсной заселенностью, способную усиливать излучение, обычно на­зывают АКТИВНОЙ СРЕДОЙ (или средой с ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ).