Особенности лазерного излучения

Излучение лазеров имеет следующие особенности по сравнению с излучением обычных источников света:

1. Лазерное излучение в высокой степени когерентно, т.к. все фотоны испускаются согласованно. В волновой теории аналог фотона – волновой цуг.

2. Степень монохроматичности лазера мала, составляет всего ~ 10^-5_.

3. Излучение лазера отличается очень малой расходимостью лазерного луча. Угол расходимости составляет величину порядка 10^–5 – 10^–6 рад.

4. Лазерное излучение в большинстве случаев оказывается практически полностью плоскополяризованным (из-за многократного отражения под углом Брюстера).

Рис. 4.1. Ход некогерентного (а) и когерентного (б) пучков

Некогерентный световой пучок принципиально нельзя хорошо сфокусировать, потому что световые лучи падают на линзу под разными углами к оптической оси (рис. 4.1а). В пучке с высокой степенью когерентности световые лучи практически параллельны, и их можно сфокусировать почти в точку (рис. 4.1б). Эта точка будет иметь диаметр порядка длины волны падающего света.

Описание экспериментальной установки

Блок-схема установки по изучению дифракции и поляризации лазерного излучения представлена на рис. 4.2. Все приборы размещены на оптической скамье С, на лицевой стороне которой имеется линейная сантиметровая шкала. На скамье с помощью штативов установлены: труб­ка лазера Л, соединенная с блоком питания БП, поляроид-анализатор П, дифракционная решетка Д, канал К для лазерного луча, экран Э с миллиметровой линейной шкалой. В центре шкалы расположен фотодиод, соединенный с цифровым микроамперметром μA.

Рис. 4.2. Схема установки

Определение длины волны лазерного излучения. Вывод расчетной формулы

На рис. 4.3 показаны возможные варианты наблюдения дифракции Фраунгофера при прохождении света через дифракционную решетку. В первом случае на пути луча света ставится собирающая линза, во втором – можно обойтись без линзы, но расстояние между решеткой и точкой наблюдения должно быть достаточно большим. В последнем случае область дифракции Фраунгофера простирается от бесконечности до некоторого минимального расстояния (l_min) между решеткой и точкой наблюдения Р, причем это ми­ни­мальное расстояние зависит от постоянной дифракционной решетки d:

(4.1)

Рис. 4.3. Варианты наблюдения дифракции Фраунгофера

Таким образом, можно без линзы определять длины волн света с помощью дифракционной решетки, используя все закономерности для дифракции Фраунгофера.

Пусть на решетку D падает нормально монохроматическое лазерное излучение с длиной волны (рис. 4.4). За решеткой свет распространяется по всем направлениям. На экране Э в произвольной точке А наблюдается интерференция вторичных волн. Экран расположен параллельно решетке на расстоянии L от нее, причем L>>d, где d - постоянная решетки.

При достаточно малом диаметре пучка света, падающего на дифракционную решетку, при выполнении условия L>l_min полученную дифракционную картину можно рассматривать как результат дифракции Фраунгофера, где l_min – минимальное расстояние от решетки до экрана, определяемое формулой (4.1).

Интенсивность в точке А определяется оптической разностью хода волн 2 и 1:

r₂ - r₁ (4.2)

Углы дифракции практически равны между собой, так как , а расходимость светового пучка мала. Из рассмотрения прямоугольных тре­уголь­ников получаем выражение для оптической разности хода волн 2 и 1.

, (4.3)

где – расстояние между центрами двух максимумов одного (m-го) порядка (на рис. 4.4а).

Рис. 4.4. Схема хода лучей

Используя условие усиления света

, (4.4)

найдем связь между длиной волны излучения , постоянной решетки d и расстоянием между максимумами m-го порядка диф­ракционной картины

(4.5)

Из формулы (4.5) видно, что, измерив ,d и L, можно найти длину волны лазерного излучения:

(4.6)

Дифракционная картина на экране от лазерного излучения имеет вид чрезвычайно ярких точек на экране – максимумов различной интенсивности (рис. 4.4б), расстояние между центрами которых зависит от длины волны излучения и от расстояния между решеткой и экраном.