№ 171 (Лабы по оптике), страница 2

Зеркала должны быть настроены в резонанс: в расстоянии между нимидолжно укладываться целое число полуволн индуцированного излучения, т.е. точность их установки должна составлять порядка 10-10 м. Лишьв этом случае отраженные от зеркал волны будут иметь одинаковую фазу с падающими на них волнами.В установлении инверсной населенности уровней E1 и E2 заметнуюроль играют столкновения атомов неона со стенками газоразряднойтрубки. Такие столкновения уменьшают населенность уровня E1, вызывая переходы с этого уровня на уровень E0. Чтобы столкновения состенками трубки происходили достаточно часто, диаметр трубки недолжен быть слишком велик.Из концов трубки свет выходит через так называемые окна Брюстера, представляющие собой плоскопараллельные стеклянные пластинки, расположенные так, что свет, идущий вдоль трубки, падает наних под углом Брюстера.

Роль этих окон следующая. Интенсивностьсвета при прохождении через стеклянную пластинку в случае перпендикулярного падения уменьшается примерно на 8% вследствие отражениясвета от каждой из поверхностей пластинки. Поэтому, если бы окна наторцах трубки были бы ей перпендикулярны, то после пятидесятикратного прохождения света между зеркалами от первоначальной интенсивности осталось бы менее 0,3%, что недостаточно для возникновениястабильного индуцированного излучения. В то же время, если свет падает на стеклянную пластинку под углом Брюстера, то волна, поляризованная так, что вектор напряженности электрического поля этой волнылежит в плоскости падения, вообще не отражается, т.е.

волна с такойполяризацией проходит через пластинку без потерь, целиком отражается от зеркала и снова так же без потерь оказывается в разрядном промежутке. То же самое происходит и на другом конце трубки. Таким образом, благодаря окнам Брюстера возможно возникновение стабильногоиндуцированного излучения, поляризованного в плоскости падения кокнам. Излучения с другой поляризацией, вследствие больших потерь7при прохождении через окна, возникнуть не может. Следовательно, выходящие наружу из лазера пучки света, поляризованы в одной плоскости.Итак, если соблюдены все необходимые условия (размеры трубки,состав газа и его давление, анодное напряжение, юстировка зеркал, коэффициент их отражения, наличие окон Брюстера), то в газоразряднойтрубке устанавливается равновесие между числом атомов неона, в которых электроны различными путями попадают на уровень E2 , и числоматомов, в которых происходят переходы электронов с уровня E2 на уровень E1 с испусканием индуцированного излучения.

В результате из лазера выходят мощные когерентные в высокой степени монохроматические поляризованные пучки света. Каждый пучок состоит из практически параллельных лучей. Расхождение лучей в нем обусловлено дифракцией на выходных отверстиях трубки. Поэтому угол расхожденияимеет порядок ~ /D, где D - диаметр трубки, - длина волны светаизлучаемого лазером. При диаметре трубки в несколько миллиметров~ 10-4 рад ~ 0,006 градуса.Как известно из теории дифракции, интенсивность света, испускаемого некогерентными источниками света (например, лампами накаливания), равна сумме интенсивностей отдельных излучателей: I0 = Na2,где N - число излучающих атомов, a - амплитуда колебаний в волне, испускаемой отдельным атомом.

В лазерном излучении, когда излучаемыевсеми атомами волны имеют одинаковые фазы, поляризацию и направление, т.е. когерентны между собой, суммарная амплитуда колебаний A= Na, а интенсивность света I1 = N 2a2. Таким образом, I1/I0 = N, т.е. в Nраз больше, чем в случае некогерентного источника при том же числеизлучающих атомов.

Так как число излучающих атомов очень велико,то становится понятным, что интенсивность света от лазеров во многораз превышает интенсивность света от обычных источников.ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯО ДИФРАКЦИИ ФРАУНГОФЕРА НА ЩЕЛИИз теории дифракции известно, что положение максимумов и минимумов в дифракционной картине определяется условиями:b sin=b sin= (2n+1)- условие минимумов,n2- условие максимумов,(1)(2)где - угол между перпендикуляром к плоскости щели и направлениемна максимум или минимум.

Знаки плюс и минус соответствуют положительным или отрицательным значением угла , n - целое число. С дру8гой стороны, число n представляет собой также и номер максимума,считая от центра. Центральному максимуму, положение которого не укладывается в формулу (2), приписывается нулевой номер. Число 2n+1определяет число открытых зон в щели.В данной работе на щель падает параллельный пучок монохроматического света. Расстояние L от щели до экрана: на котором получается дифракционная картина, велико по сравнению с размерами самойкартины.

Поэтому sintg . Учитывая это, из условий (1) и (2) дляположения минимумов и максимумов на экране можно получить формулы:xмин = nLbxмакс=(2n+1)L2b- положение минимумов,(3)- положение максимумов.(4)Здесь xмин и xмакс - расстояние от центра дифракционной картины до соответствующего минимума или максимума.Для установлениясоотношений междуЩельинтенсивностямив2-я зонамаксимумах дифрак1-я зонационной картины обратимся к методу векторных диаграмм.

Разобьем зону Френеля,построенную в плоскости щели, на ряд узких полосок одинаковой ширины (рис.3).Навекторнойдиаграмме каждой изэтих полосок соответствует вектор, изображающий амплитуВекторнаяду колебаний.диаграммаНа экран в центр диРис.3фракционной картиныколебания от всех полосок приходят в одной фазе. На векторной диаграмме векторы, изображающие эти колебания, одинаковы по модулю иимеют одно и то же направление. Сумма их может быть представлена ввиде прямой линии, длина которой равна амплитуде A0 колебаний вцентральном максимуме (рис.4,а). В точку наблюдения, несколько уда9ленную от центра дифракционной картины, колебания приходят с одинаковым запаздыванием по фазе относительно друг друга.

Поэтому векторы, изображающие такие колебания, повернуты друг к другу на одини тот же угол (см. в частности, рис.3). Если ширину полосок устремить кнулю, то цепочка из векторов превращается в плавную кривую, представляющую собой дугу окружности длины A0. Амплитуда колебаний вэтой точке изображается замыкающей A этой дуги (рис.4,б).а)АЕсли для точки наблюдениявыполняется условие n-го макА0симума и, следовательно, открыто нечетное число зон Френеля,то колебания от крайних полосокв точку наблюдения приходят вб)в)противоположных фазах.

В этомАnслучае направления начала иконца дуги должны иметь протиА0воположные направления, а самакривая должна состоять изстолькихполуокружностей,Рис. 4сколько открыто зон. АмплитудаAn результирующего колебанияизображается диаметром этих полуокружностей (рис.4,в).

Так как полная длина всей закрученной на 2n+1 полуоборотов кривой равна A0, тоA0на каждый из полуоборотов приходится. Диаметр An связан с2n 1длиной полуокружности соотношением2A0.2n 1An(5)Таким образом, отношение амплитуды колебаний в центральноммаксимуме к амплитуде колебаний в n-ом максимумеA0(2n 1) ,An2а отношение интенсивностей в нихI0InA0An22n 12(6)2.(7)Отсюда легко получить отношение интенсивностей в максимумах с номерами n и n’, Здесь n и n’ не равны нулю :10InIn2n ' 12n 12.(8)ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИОбщий вид установки показан на рис. 5. На оптической скамьеразмещены: гелий-неоновый лазер, служащий источником когерентного поляризованного монохроматического света с длинной волны =632,8 нм, щель, на которой происходит дифракцияи экран, на котором наблюдается дифракция.Вдоль экрана по направляющей рейке, снабженной миллиметровойшкалой, перемещается фотоэлемент, служащий для измерения распределения интенсивности света в дифракционной картине.

Перемещение фотоэлемента может производиться как вручную, так и электродви-Пульт управленияэлектродвиеателемЭкранЭлектродвигательЩельЛазерФотоэлементИсточник питанияСамописецБ5 - 47СЕТЬСамо писец Н - 3 0 7УсилительФ-116/2Ф - 116 / 2мВП РЕДЕЛЫ И ЗМЕРЕН И ЯСЕТЬВКЛIН УЛЬUАРРРО Д РАБО ТЫБлокпитаниялазераСЕТЬ0 5 10 15 20ВЫКЛПУСКТ ОКАНОДАРис. 5гателем. Пульт управления электродвигателем и электродвигатель размещаются сзади экрана.Под действием света, падающего на фотоэлемент, на его выводахвозникает напряжение. Величина напряжения пропорциональна интенсивности света, но имеет, однако, очень маленькую величину (порядка10-4В) и требует усиления.

После усиления стоящим на полке под оптической скамьѐй фотоэлектрическим усилителем ФЭУ (Ф-116/2) напряжение попадет на вход блока Y двухкоординатного самописца.В результате перо самописца устанавливается в положение, при кото11ром координата Y пера пропорциональна логарифму интенсивностисвета. Вдоль экрана за фотоэлементом натянут реохорд - проволока сбольшим сопротивлением. Между концами реохорда приложено постоянное напряжение от источника питания Б5-47, который располагается рядом с самописцем. С задней стороны фотоэлемента имеется контакт, который при движении фотоэлемента скользит вдоль реохорда.При этом меняется напряжение между контактом и одним из концов реохорда. Это напряжение подается на вход блока Х самописца.

В результате координата Х пера самописца определяется положением фотоэлемента, а координата Y - логарифмом интенсивности падающего на фотоэлемент света в данном месте дифракционной картины. При этом впроцессе непрерывного изменения этих напряжений перо на листе бумаги, лежащем на столике самописца, вычерчивает график зависимости Ln I(X).ВКЛЮЧЕНИЕ И ПОДГОТОВКА УСТАНОВКИ КРАБОТЕЛазер, щель и ограничители движения фотоэлемента установлены заранее, их расположение согласовано друг с другом. Их положение менять нельзя. Включение проводится подруководством лаборанта.Лазер и фотоэлектрический усилитель следует включить впервую очередь, так как для устойчивой работы они требуют длительного прогрева.Лазер. Блок питания лазера расположен на полке под лазером.Шнур питания блока подключается к сети ~220 В. Передняя панель блока изображена на рис. 6.1.

Включают выключатель блока. При этом загорается лампочкаСЕТЬ.2. Выждав примерно половину минуты (время, необходимое дляпрогрева анода газоразрядной трубки лазера), несколько раз нажимаюткнопку ПУСК. Обычно лазер загорается после первого нажатия.3. Если лазер не загорелся, то поворачивают на небольшой угол почасовой стрелке ручку УСТАНОВКА НАЧАЛЬНОГО ТОКА и снова нажимают кнопку ПУСК. Эти действия следует повторять до тех пор,пока лазер не загорится.12Внимание! Излучение лазера опасно для зрения.Ни в коем случае нельзя заглядывать в выходное отверстие лазера!4. Выжидают еще минуту и поворотом ручки РЕГУЛИРОВКАСИЛЫ ТОКА устанавливают стрелку электроизмерительного прибора,показывающего ТОК АНОДА, на среднее деление шкалы 7,5.СЕТЬУстановканачальноготока0 5 10 15 20ТОКВЫКЛПУСКРегулировкатокаАНОДАРис.

6Щель. Положение щели на оптической скамье определяетсяштрихом на рейтере, который должен указывать на деление 2700 скамьи. Ширина щели фиксирована. Нижний край барабана должен находиться на четвертом делении. Деление 10 барабана должно совпадать свертикальной чертой на трубке (рис.7). Со щели снимают крышку икладут ее на оптическую скамью рядом со щелью.Фотоэлектрический(ФЭУ).усилительФ116/2Передняя панель усилителя показана на рис.8.1. Включают удлинитель, стоящий на столе за самописцем.0.40.42.

Перед включением ФЭУ переключатель родаработ должен указывать на метку U -это означаРис.7ет, что прибор включен для измерения напряжения.3. Включают ФЭУ в сеть выключателем ВКЛ –загорается лампочка СЕТЬ.01020134. Переключатель ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЯ устанавливают наделение 0.75 mV .Прибор готов к работе по прошествии 30 минут.Вход ФЭУ с помощью кабеля подключен непосредственно к фотоэлементу. Напряжение с выхода ФЭУ через электрический фильтр, подается на вход Y самописца.Ф - 116 / 2мВПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЯСЕТЬВКЛIНУЛЬUАРРРОД РАБОТЫРис. 8Фотоэлемент изображен на рис.9.1.