Физика Лаб. раб. Часть 2

отдельных атомов, не монохроматично, не направленно, не когерентно и не поляризовано

Однако спонтанный механизм излучения не является единственно возможным. Переход с одного уровня, в том числе и с нестабильного, на более низкий может быть ускорен путем какого-либо энергетического воздействия на атомы, например, воздействия внешней электромагнитной волны с частотой, равной частоте перехода. Особенность таких вынужденных (индуцированных) переходов состоит в том, что излучаемый при этом фотон абсолютно неотличим от вызывающего этот переход первичного фотона, т.е. индуцированное электромагнитное излучение тождественно совпадает по частоте, фазе, направлению распространения и поляризации с первичным падающим на вещество излучением. Именно эта замечательная особенность вынужденного излучения позволяет использовать его для усиления электромагнитных волн. Возможность усиления покажем на следующем примере.

Рассмотрим вещество, в котором имеется достаточное число возбужденных атомов с энергией Еп. число таких атомов Nn называется населенностью уровня En . пусть Nm - населенность нижележащего энергетического уровня Ет (Ет < Еп). В естественных условиях (при термодинамическом равновесии) в веществе уровни с меньшей энергией заселены больше, чем

	уровни с	большей энергией,	т.е. Nn	< Nm.	Под	влиянием
	падающей	электромагнитной	волны с	частотой	n,m		Em En
							h

может возникнуть либо поглощение атомом, находящимся на уровне Ет, кванта энергия h n,m при переходе другого атома,

находящегося на уровне Еп, на уровень Ет.. Вероятности переходов каждого атома под влиянием излучения с уровня на уровень в обоих направлениях Ет Еп равны. Но, поскольку населенность низшего уровня Nm. больше, чем верхнего, то под влиянием падающего излучения большее число атомов переходит в единицу времени с уровня Ет на Еп, чем наоборот. Этим и объясняется тот факт, что в обычных условиях вещество поглощает падающее на него излучение.

Теперь рассмотрим случай, когда населенность верхнего энергетического Еп уровня превышает населенность нижнего

43

уровня Ет (Nn < Nm.). В этом случае по мере прохождения электромагнитной волны через вещество будет происходить ее усиление, благодаря тому, что под влиянием падающего излучения количество вынужденных переходов с уровня Еп на Еп будет превосходить число атомов поглощения Ет →Еп.

Таким образом, для усиления электромагнитного излучения необходимо искусственно изменить населенность уровней в веществе так, чтобы населенность вышележащего энергетического уровня была бы выше, чем нижележащего. Такое неравновесное состояние вещества называется активным (или состоянием с инверсией населенности), а само вещество – активным.

Приборы, использующие индуцированное излучение, могут работать, как и в режиме усиления, так и в режиме ускорения электромагнитной волны. В соответствии с этим они называются либо квантовыми усилителями, либо квантовыми генераторами.

Последние подразделяют на лазеры – генерирование видимого света и мазеры – генерирование инфракрасного света и радиоволн.

Как и в классическом ламповом генераторе, состоящим из резонансного колебательного контура, электронной лампы и источника питания, в квантовом генераторе – лазере – можно выделить три основных элемента: резонатор, в котором возбуждаются незатухающие электромагнитные колебания, активная среда, обеспечивающая усиление излучения и источник энергии, создающей инверсную населенность. В качестве резонатора берут систему из двух параллельных зеркал. Такой резонатор не похож на классический колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности. Тем не менее, обе эти системы выполняют примерно одну и ту же функцию в схеме генератора электромагнитных колебаний, только каждая из них приспособлена для своего диапазона частот.

Активной средой может являться твердое тело, жидкость или газ, вследствие чего различают твердотельные, жидкостные и газовые лазеры.

Источник энергии и метод перевода вещества в активное состояние различны для каждого типа лазера в зависимости от вида активной среды.

44

В качестве примера рассмотрим устройство и принцип работы твердотельного лазера на кристалле рубина (рис. 3).

	Газоразрядная лампа
	Кристалл рубина
	Лазерный
	пучок
Зеркало	Полупрозрачное стекло
	Источник

питания

Рисунок 3. Структурная схема рубинового лазера

По химическому составу рубин представляет собой Al2O3 с небольшой примесью Cr2O3 . активным элементом лазера служит кристалл рубина, имеющий удлиненную цилиндрическую форму. Роль резонатора выполняют тщательно отполированные и посеребренные торцы самого рубинового стержня, один из которых является полупрозрачным (частично отражающим). Инверсная населенность достигается с помощью вспомогательного излучения, которое дает импульсная газоразрядная лампа, в виде спирали, окружающая рубиновый стержень.

В явлении генерации света участвуют только ионы хрома (алюминий и кислород являются инертными). Поглощая энергию от лампы вспышки в синей и зеленой областях видимого света, ионы Cr переходят из основного состояния Е0 и возбужденные, которые представляют собой две группы тесно расположенных энергетических уровней (энергетические полосы Е1 и Е2) (рис. 4). В этих состояниях ионы находятся очень короткое время (~ 10-7 сек) и затем безизлучательно переходят на нижерасположенный энергетический уровень Е3 , отдавая избыток энергии в виде тепла, нагревающего кристалла рубина.

45

Е

Е2

Е1

Е

3

hλ

Е0

Рисунок 4. Переход ионов хрома из возбужденного состояния в основное

Это промежуточное возбужденное состояние Е3 является метастабильным, потому что ион хрома может находиться на нем сравнительно долго (~ 10 -3 сек). В течение этого времени ионы накапливаются на метастабильном уровне Е3 , в результате чего число таких ионов становится больше числа ионов в основном состоянии, т.е. между этими уровнями возникает инверсная населенность. Спонтанный переход хотя бы одного из возбужденных ионов хрома с уровня Е3 на Е0 воздействует на соседние ионы, вызывая их вынужденные переходы, сопровождающиеся излучением одной и той же частоты ν:

E3 E0 h

Фотоны, которые движутся не параллельно продольной оси кристалла, покидают его, проходя через прозрачные боковые стенки. Фотоны, испускаемые вдоль оси, многократно отражаются от его зеркальных торцов и на своем пути вызывают индуцированное излучение все большего числа ионов. При достаточно большой инверсной населенности усиление излучений в рубине вследствие индуцированных переходов будет превышать потери на поглощение в зеркалах и на других

46

частицах самого кристалла, в результате чего лавинообразно нарастает поток фотонов. Достигнув достаточной мощности, излучение выходит наружу через полупрозрачный торец рубинового стержня.

Луч лазера существенно отличается от обычного луча света, что и определяет его широкое применение. Лазерное излучение когерентно, почти монохроматично, полностью поляризовано и распространяется в виде узкого параллельного пучка с очень малым углом расхождения. Путем оптической фокусировки такого пучка можно получить исключительно высокую концентрацию световой энергии на ничтожно малом участке вещества. В связи с этим в биологии и медицине сфокусированное излучение лазера используется в качестве тончайшего хирургического инструмента, с помощью которого можно избирательно разрушить микроскопические элементы структуры тканей с исследовательской или медицинской целью. В частности, оно применяется, например, для хирургических вмешательств на сетчатой оболочке глаза.

Описание экспериментальной установки

Схема установки изображена на рисунке 5. Большая интенсивность светового пучка лазера позволяет использовать его в ряде работ, для чего осуществляется разделение и разводка пучка к нескольким рабочим местам с помощью плоскопараллельных пластинок.

Для определения длины волны в формуле (3) необходимо знать sin φn. Так как

l >> x , то sin		tg			xn	.
	n		n
n					2l
Подставляя значение sin φn								в (3),		получим окончательную
формулу для нахождения длины волны:
							xn	d
									.	(4)
							2l n

47

		К следующему
	лазер
		рабочему месту

					Диафрагма
					Дифракционная
					решетка
l		φ3	φ3
		φ2	φ2
		φ1	φ1
к=3	к=2	к=1 х1	к=1	к=2	к=3
		к=0
Рисунок 5. Структурная схема лабораторной установки

Порядок выполнения работы

Меры безопасности: прямое воздействие излучения гелийнеонового лазера ( =632,8 нм) на глаз в силу его фокусирующей способности может вызвать повреждение сетчатки глаза, поэтому:

Луч лазера или его зеркальное отражение ни при каких условиях не должны попадать в глаза!

48

Упражнение 1. Определение длины волны гелий-неонового лазера с помощью дифракционной решетки

Оптическая схема установки представлена на рис.6.

3

	2			к=3
				к=2
1
	2		3	к=1
	1
				к=0	X	1	X 2	X 3
				к=1
				к=2
				к=3

Рисунок 6. Оптическая схема для определения длины волны лазерного излучения

Параллельный пучок света от лазера 1 падает нормально на дифракционную решетку 2 с периодом d=9,1 10 – 6 м (110 штрихов на 1 мм). На экране 3 получается симметричная дифракционная картина в виде светящихся точек - максимумов нулевого (к=0), первого (к=1), второго (к=2) и т.д. порядков.

Из формулы для возникновения к-го главного максимума в

	дифракционной решетке получим для :
			d sin k			.			(5)
			k
	Так как первые (к=1, 2, 3) углы дифракции достаточно малы,
	то с небольшой погрешностью можно считать (см. рис. 1):
	sin		tg				X k	,	(6)
		k		k			2

где Xk - расстояние между максимумами к-го порядка, - расстояние между решеткой и экраном.

Подставляя (6) в (5), получим расчетную формулу для

определения длины волны:
	d X k	.	(7)
	2 k
	49

Выполнение упражнения

1.Установить дифракционную решетку и экран согласно схеме рис. 6. Расстояние должно быть не менее 20 см.

2.После включения преподавателем лазера, небольшим перемещением дифракционной решетки добейтесь наилучшей четкости дифракционной картины на экране (решетка и экран при этом должны быть перпендикулярны лучу лазера).

3.Измерьте линейкой и запишите в таблицу 1 расстояния Xk для максимумов 1,2,3 порядков и расстояние от решетки до экрана:

									Таблица 1
Порядок
максимума,	Xk, м	, м	d, м	, м						, м
k
1
2			9,1 10-6
3

4.Рассчитайте по формуле (7) по данным 1, 2 и 3 порядков. Найдите среднее значение .

5.Оцените максимальные относительную и абсолютнуюпогрешность измерения длины волны по формулам (только для случая к=2):

		X	;					.	∆Х и ∆ = 0,005
		X 2

6. Сравните экспериментально полученное значение с паспортным значением длины волны излучения гелий-неонового лазера (=0,6328 мкм). Можно ли объяснить различие между ними (если оно есть) наличием погрешности измерения ? Сделайте вывод.

50

Упражнение 2. Применение дифракции лазерного излучения на непрозрачных мелких частицах для определения их размеров

Оптическая схема установки для наблюдения дифракции на малой круглой непрозрачной частице дана на рис. 7а.

Луч лазера 1 дифрагирует на круглой частице 2 диаметром d и на экране 3 на расстоянии от нее образуется дифракционная картина в виде яркого красного диска, окруженного красными (дифракционными максимумами) и темными (минимумы)

концентрическими		кольцами	(рис.	7а).	Графически
распределение интенсивности I дифрагированного света на
экране представлено на рис. 7б.
		3
1	2	1
				X1
				I

а)	б)

Рисунок 7. Оптическая схема для наблюдения дифракции на мелких частицах

Согласно теории, условие образования первого дифракционного минимума (первого темного кольца):

d sin 1 1,22 .	(7)
Отсюда, выражая d и заменяя sin 1, согласно (2),	получим
расчетную формулу для определения диаметра частицы:

	d	1,22			1,22				2,44		,	(8)
		sin	1		X	1	2		X	1

где X1 - диаметр первого темного кольца.

Полученная дифракционная картина от одной круглой частицы будет слаба на фоне прямого недифрагированного света. Для ее усиления в плоскости 2 вместо одной помещают большее количество таких частиц, дающих одинаковые дифракционные

51

картины, налагающиеся друг на друга на экране 3. В результате сложения интенсивностей контрастность общей картины усиливается, не изменив своей структуры.

Выполнение упражнения

В качестве измеряемых мелких почти сферических частиц берутся помещенные между двумя предметными стеклами эритроциты крови человека (с В12 и Fe-дефицитной анемиями).

Измерение среднего диаметра эритроцитов.

1.Закрепите пакет из двух стекол в держатель и расположите его согласно рис. 7а на расстоянии не менее 30 см от экрана.

2.Измерьте линейкой Х1 и и по формуле (5) рассчитайте

диаметр споры плауна (значение взять из упр.1). Результаты измерений занесите в таблицу 2.

3. Оцените погрешность измерения по формуле:

d

X1

;

d d .

X1

d

Таблица 2

Микрочастицы

, м

X1, м

d, м

, %

d, м

d

Микроциты

Макроциты

Контрольные вопросы

1.Явление интерференции света.

2.Когерентность волн.

3.Условия получения интерференционных максимумов и минимумов.

4.Явление дифракции света.

5.Принцип Гюйгенса-Френеля.

6.Дифракционную решетку и условие возникновения ее главных максимумов (с выводом формулы).

7.Квантовый характер излучения и поглощения света.

52