№ 171 (Лабы по оптике)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛомоносоваФизический факультеткафедра общей физики и физики конденсированного состоянияМетодическая разработкапо общему физическому практикумуЛаб. работа № 171ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ ФРАУНГОФЕРАНА ЩЕЛИПРИ ПОМОЩИ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРАРаботу поставилидоцент Авксентьев Ю.И., доцент Белов Д.В.,доцент Пустовалов Г.Е.Москва 2012 г.ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ ФРАУНГОФЕРА НА ЩЕЛИ ПРИ ПОМОЩИ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРАЦелью данной работы является получение и исследование графика распределения интенсивности света в дифракционной картине от одной щели.ПОГЛОЩЕНИЕ И ИЗЛУЧЕНИЕ СВЕТА АТОМАМИЭлектроны в атомах могут иметь только строго определенные значения энергии, или, как говорят, могут находиться на строго определенных энергетических уровнях.

Для простоты мы будем говорить лишь ободном электроне в атоме. Обычно электрон занимает уровень с наименьшим возможным значением энергии. Такой уровень называется основным. На рисунке он условно изображается горизонтальной линией.Уровни с другими значениями энергии изображаются горизонтальнымилиниями, проведенными над основным и располагающимися тем выше,чем больше энергия, им соответствующая.Для того чтобы электрон с основного уровня перешел на уровень сбóльшим значением энергии, атом следует возбудить, т.е.

сообщить емувполне определенную порцию энергии, равную разности энергий возбужденного и основного уровней. Эта энергия может быть получена припоглощении атомом кванта света, энергия которого h строго равна разности энергий этих уровней. Атом может получить энергию, достаточную для перехода атома на возбужденный уровень, также при столкновении с другим атомом или с быстро летящим электроном. В таком случае энергия, имеющаяся у этих частиц до столкновения, должна быть неменьше величины h ; при наличии излишка энергии участвующие встолкновении частицы после столкновения приобретают кинетическуюэнергию.

При получении достаточной порции энергии электроны могутпереходить на лежащий выше уровень не только с основного, но и с любого другого уровня.Переходы с получением энергии извне называются вынужденными, или индуцированными. В веществе при температуре выше абсолютного нуля всегда имеется некоторое количество возбужденныхатомов. Концентрация одинаковых атомов, у которых электрон находится в данный момент на каком-либо уровне, определяет населенность (заселенность) этого уровня.

Возбужденное состояние атоманедолговечно. Обычно спустя время порядка 10-8 с электрон с возбужденного уровня переходит на какой-либо лежащий ниже уровень (в частности, на основной). Такой переход происходит самопроизвольно3(спонтанно) и сопровождается излучением кванта света с энергией h ,равной разности энергий этих уровней. Так как кванты испускаютсяатомами в различные, не связанные между собой моменты времени, иимеют разную поляризацию, то в целом свет, который образуют этикванты, некогерентный и неполяризованный (естественный).Кроме обычных, часто встречающихся уровней со временем жизниэлектронов на них около 10-8 с, атомы могут иметь так называемые метастабильные уровни. Время жизни электрона на них значительнобольше и может достигать до 10-3 с.Эйнштейн предположил, что кроме самопроизвольных переходов сверхнего уровня на нижний, могут иметь место также и вынужденные,индуцированные.

Такие переходы вызываются действием света, имеющего ту же частоту , которую имеют кванты света, излучаемые приэтом переходе. Сами кванты света, вызывающие эти вынужденные переходы, не поглощаются, а лишь способствуют переходам. Предположение Эйнштейна было необходимо для вывода с квантовой точки зрения формулы Планка для излучения абсолютно черного тела.Очень важным свойством вынужденного излучения при переходеэлектрона с верхнего уровня на нижний является то, что получающеесяпри этом излучение совпадает по направлению, частоте, поляризации ифазе с вызвавшим его излучением.

Иными словами, индуцированное излучение когерентно с индуцирующим.Обратим внимание на то, что в результате вынужденного переходасверху вниз вместо одного кванта света имеется два: индуцирующий ииндуцированный. При наличии подходящим образом возбужденныхатомов оба этих кванта могут вызывать вынужденные переходы. В результате получиться уже четыре кванта. Такой процесс может продолжаться и далее. Таким образом, может возникнуть пучок когерентногоизлучения, в котором принимают участие большое количество квантов,т.е. пучок когерентного света большой интенсивности.

Возможностьпоявления таких пучков привела к созданию лазеров - мощных источников направленного монохроматического излучения (слово лазер составлено из первых букв английского названия: Light Amplification byStimulation Emission of Radiation, что означает - усиление света припомощи вынужденного излучения).В системе, излучающей свет некоторой частоты, наряду с процессом излучения всегда идет конкурирующий с ним процесс поглощениясвета той же частоты - одни атомы излучают, в то время как другие поглощают. Чем больше населенность N уровня, с которого переходитэлектрон, тем больше происходит переходов.

Чтобы система могла служить источником света, необходимо преобладание процесса излучения4над процессом поглощения. При тепловом способе возбуждения согласно распределению Больцмана населенность N1 нижних уровней энергиивсегда больше населенности N2 верхних уровней.

В этом случае индуцированное поглощение, сопровождающее спонтанное излучение, преобладает над индуцированным излучением. Поэтому тепловые источники света, например, лампы накаливания, испускают лишь некогерентноеспонтанное излучение.Индуцированное излучение будет преобладать над поглощением,если N2 окажется больше, чем N1, т.е. будет создана так называемая инверсная населенность уровней. Это возможно лишь при специальныхнетепловых способах возбуждения высоких уровней.Для индуцированного излучения имеются конкурирующие процессы и помимо индуцированного поглощения. Это спонтанное излучениеи переходы вообще без излучения, когда энергия перехода идет (вследствие столкновения с другим атомом) непосредственно на увеличениеэнергии теплового движения атомов.

Кроме того, часть излучения уходит из области рабочего вещества (области, где создана инверсная населенность уровней), не вызвав индуцированного излучения. Поэтому длявозникновения когерентного индуцированного излучения требуетсясоздание достаточно большой плотности индуцированного излучения врабочем веществе. Для этого рабочее вещество помещают в резонатор между зеркалами, частично пропускающими свет. Доля света, проходящего через зеркала наружу, и представляет собой тот когерентный пучок, который можно использовать для каких-либо целей. Часть же излучения, отражаясь от зеркал, многократно проходит через рабочее вещество. Подбирая рабочее вещество, способ возбуждения его атомов и коэффициенты пропускания зеркал, можно добиться плотности излучения,необходимой для получения нарастающего когерентного излучения (вслучае импульсных лазеров) или стабильного когерентного излучения (вслучае лазеров непрерывного действия).ПРИНЦИП РАБОТЫ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРАНЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯВ гелий-неоновом лазере излучение возникает в стеклянной газоразрядной трубке, помещенной, как говорилось выше, между двумязеркалами и наполненной смесью газов - гелия и неона в определеннойпропорции.

В трубку впаяны электроды - анод и катод, между которымисоздается высоковольтное напряжение, необходимое для возникновения газового разряда. На рис.1 приведено схематическое изображениеустройства такого лазера. Разберем принцип его работы.5АнодКатодЗеркалоЗеркалоГазоразрядная трубкаОкноБрюстераОкноБрюстераРис.1На рис.2 изображены уровни энергии атомов неона Ne и гелияУровень с инверсной населенностьюПереход, вызванныйстолкновениями атомов гелия и неонаМетастабильныйуровеньE2СпонтанноеизлучениеE2Индуцированныйпереход, дающийкогерентное излучение =632,8 нмE1ВозбуждениеэлектроннымисоударениямиE0E0NeОсновноесостояниеHeРис.2He, переходы между которыми обеспечивают когерентное излучениекрасной линии в неоновом спектре с длиной волны= 632,8 нм (другие уровни не показаны).Вдоль трубки в газовом разряде имеется поток электронов.

При ихстолкновениях с атомами неона и гелия возбуждаются уровни E2 неонаи E 2 гелия. Напряжение подобрано так, чтобы другие уровни возбуждались по возможности меньше. Энергия возбуждения уровня E 2 гелиянесколько выше энергии возбуждения уровня E2 неона. Уровень E 2 гелия метастабильный - его время жизни много больше времени междустолкновениями атомов неона и гелия друг с другом. При таких столк6новениях атом гелия отдает свою энергию без излучения атому неона,вызывая переход в атоме неона с уровня E0 на уровень E2. В результатестолкновений возбуждение уровня E2 неона происходит настолько часто, что создается инверсия в населенности уровней неона E1 и E2 (нарис.2 густота точек отражает относительную населенность). При переходах электронов в атомах неона с уровня E2 на уровень E1 и создаетсяиндуцированное когерентное излучение.Достаточная для стабильности плотность излучения обеспечивается многократным прохождением света через рабочее вещество в результате его отражения от слегка вогнутых зеркал, помещенных у концов трубки и пропускающих наружу 1-2% падающего на них света.