3. Система накачки.

Щ об в активному середовищі підтримувати стан посилення світла, необхідно безперервно переводити атоми у збуджені стани, що виконується за допомогою системи накачки від зовнішнього джерела.

Рис. 2

Найбільш розповсюдженим способом отримання метастабільного стану являється метод електричного удару. Деколи використовується також оптична накачка – збудження випромінюванням. Частина енергії випромінювання лампи накачки витрачається для накачки, тобто для утворення стану з від’ємною температурою (стану збудження). Збуджені атоми віддають частину своєї енергії кристалічній решітці, без випромінювання переходячи у метастабільний стан. Випромінюючи світло, атоми переходять в основний стан. Ті із початкових фотонів, які виникли в лазері спонтанно і будуть рухатися вздовж осі рубінового стержня (рис. 2), багатократно відіб'ються від його торців, кожного разу викликаючи вимушене випромінювання нових фотонів. Процес каскадного збільшення фотонів продовжується до визначеного моменту. Як тільки інтенсивність випромінювання досягне межі, яка залежить від втрат і пропускної здатності напівпрозорого дзеркала, з'явиться направлений пучок світла – лазерний промінь.

Порядок виконання роботи

Завдання 1. Визначення режиму максимальної потужності

1. Ввімкнути стабілізатор напруги і розрядну трубку згідно з інструкцією.

2. На шляху лазерного пучка вставити фотоопір для вимірювання потужності випромінювання.

3. Зняти залежність фотоструму від величини розрядного струму.

4. Користуючись графіком, встановити струм розряду, який відповідає максимальній потужності випромінювання, поріг генерації ОКГ.

Завдання 2. Спостереження дифракції від щілини і розрахунок довжини хвилі лазера

1. Встановити за допомогою мікрометричного гвинта щілину 0,12 мм.

2. Отримати чітку дифракційну картину, проводячи спостереження через окуляр мікроскопа.

3. Визначити на гоніометрі кутове розсіяння між мінімумами –го порядку, розміщеними по обидві сторони від максимуму.

4. Підрахувати довжину хвилі видимого випромінювання ОКГ за формулою дифракційної решітки , де – ширина щілини; – порядок дифракції.

Контрольні питання та завдання

1. Чим характеризується лазерне випромінювання?

2. Принцип дії лазера.

3. Самовільні і вимушені переходи.

4. Метастабільні стани.

Попередження!

Бажано вести спостереження в окулярах. Ні в якому разі не допускати прямого попадання лазерного випромінювання в очі.

Лабораторна робота 62

Вивчення зовнішнього фотоефекту

Прилади та обладнання: лабораторний стіл з платою №4, фотоелемент , мікроамперметр постійного струму на 50 мкА, вольтметр постійного струму на 10 В, лампи розжарювання.

Теоретичні відомості

Фотоефектом називають звільнення електронів від зв'язків з атомами і молекулами речовини під впливом світла (видимого, інфрачервоного, ультрафіолетового). Розрізняють декілька видів фотоефекту: зовнішній, внутрішній, вентильний.

Внутрішнім фотоефектом називається перерозподіл електронів за енергетичними станами в твердих і рідких напівпровідниках, що відбувається під дією світла. При цьому фотоефекті електрони втрачають зв'язок з атомами і молекулами, але залишаються усередині освітленої речовини у вигляді "вільних електронів" (часткове звільнення), збільшуючи тим самим електропровідність речовини. Зростання електропровідності речовини внаслідок збільшення концентрації вільних носіїв струму (електронів провідності і дірок) під дією світла називається фотопровідністю.

Вентильний фотоефект полягає у виникненні електрорушійної сили внаслідок внутрішнього фотоефекту поблизу поверхні контакту між металом і напівпровідником або між двома напівпровідниками – та –типу.

Зовнішній фотоефект – це випромінювання електронів речовиною під дією світла (фотоелектронна емісія). Зовнішній фотоефект спостерігається для металів. Електрони, що вилітають з речовини при зовнішньому фотоефекті, називаються фотоелектронами, а електричний струм, створений ними при впорядкованому русі в зовнішньому полі, називається фотострумом

Квантова теорія світла дозволила успішно пояснити основні закономірності фотоефекту. Відповідно гіпотезі Ейнштейна світло не тільки випромінюється, а також і поглинається речовиною у вигляді окремих дискретних квантів електромагнітного випромінювання фотонів.

Енергія фотона, (квант енергії) пропорційна частоті монохроматичного світла

де - стала Планка.

Один фотон взаємодіє тільки з одним електроном. При вириванні електрона з металу енергія кванта витрачається на:

1)роботу виходу електрона з металу ;

2) надання кінетичної енергії електрону, який звільняється .

(1)

Експериментальні дослідження привели до встановлення основних законів фотоефекту:

1. Фотострум насичення прямо пропорційний світловому потоку

де — фоточутливість освітленої поверхні (закон Столєтова).

2. Швидкість фотоелектронів зростає при збільшенні частоти падаючого світла і не залежить від його інтенсивності,

3. Для кожного фотокатода існує червона границя фотоефекту, тобто мінімальна частота світла v₀ , при якій фотоефект ще відбувається . Частота залежить від матеріалу фотокатода та стану його поверхні:

(2)

Довжина хвилі пов'язана з частотою світла співвідношенням ( –швидкість світла в вакуумі), тоді червона границя фотоефекту – це гранична довжина хвилі

(3)

В техніці явище зовнішнього фотоефекту використовується для створення спеціальних приладів – фотоелементів, які реєструють або вимірюють світловий потік. Фотоелементи бувають вакуумні та газонаповнені. Вакуумний фотоелемент являє собою евакуйований скляний балон, на внутрішній поверхні якого нанесений шар металу, який служить катодом . Анод здійснений у вигляді металевого кільця, що знаходиться в центральній частині балона. Фоточутливість вакуумних фотоелементів досягає 10 – 150 мкА/лм, газонаповнених – біля 100 мкА/лм. Наповнення фотоелементів газом (аргоном) призводить до збільшення чутливості, тому що фотострум у такому фотоелементі підсилюється внаслідок іонізації аргону, яку спричиняють зіткнення фотоелектронів з атомами аргону.