Изучение дифракции Фраунгофера при помощи газового лазера

Цель работы: a) наблюдение дифракции на различных объектах; б) исследование дифракции на одномерной и двумерной решетках.

Приборы и принадлежности: газовый лазер, набор дифракционных объектов, экран, фотоэлемент, микроамперметр.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Источником света в работе служит гелий-неоновый лазер (l=632,8 нм). В качестве объектов исследования используют регулируемую щель, экраны с круглыми и прямоугольными отверстиями, нити, одномерные и двумерные решетки, закрепленные в рейтере на оптическом рельсе. Дифракционную картину наблюдают на экране. Для измерения фототока используют фотодиод ФД-3 с микроамперметром.

Принцип генерации света в лазерах

При помощи лазера (ОКГ) можно получить узкий направленный пучок, имеющий большую интенсивность монохроматического света. Это связано с тем, что в лазерах, в отличие от обычных источников света, излучения отдельных атомов когерентны. Если число излучающих атомов N, то интенсивность света в пучке I =N²i.

Рабочим веществом лазера является прозрачная для генерируемого света среда (кристалл, либо вещество в газообразном или жидком состоянии).

В лазерах искусственным путём создаются условия, при которых число атомов в возбуждённом состоянии больше, чем число атомов в стационарном состоянии. При этих условиях процессы вынужденного излучения атомов будут превалировать над процессами поглощения. Исходный фотон будет порождать интенсивный направленный поток когерентных фотонов – в этом заключается принцип генерации света в лазерах.

Устройство и принцип действия гелий-неонового лазера ЛГ/38

Основной частью газового лазера является газоразрядная трубка 1, в которой осуществляется тлеющий газовый разряд. Трубка заполнена смесью неона и изотопа He. Используемый в работе лазер генерирует когерентное излучение с длиной волны 632,8 нм.

В результате взаимодействия атомов неона и гелия с электронами газоразрядной плазмы часть атомов Nе и Не переходят в возбужденное состояние. Атомы гелия, находясь на нестабильных уровнях, могут передавать энергию возбуждения атомам Ne при их столкновениях. Вследствие этого возникает инверсная (обращённая) заселённость возбужденных уровней атомов Ne,что и приводит к процессам вынужденного излучения. Кванты света, распространяющиеся вдоль оси трубки, испытывают многократное отражение от зеркал 2, что обеспечивает большую длину пути в газовой среде, и, следовательно, большую интенсивность излучения. Часть этого излучения проходит через переднее зеркало, коэффициент пропускания которого около 2%.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

УПРАЖНЕНИЕ 1.  Наблюдение дифракции Фраунгофера на щели

1.  На выходе лазерного луча поместили штатив со щелью. Меняя ширину щели, пронаблюдали зависимость вида дифракционной картины от ширины щели.

2.  Выбрав ширину щели 0,02 мм, определили положение нескольких минимумов относительно центра картины, удовлетворяющих формуле

где L – расстояние от щели до экрана, a – ширина щели, m – порядок дифракционного минимума.

3.  Расстояние между соседними минимумами определили по формуле

Определив координаты минимумов и расстояние между соседними минимумами, оценили ширину щели:

.

УПРАЖНЕНИЕ 2. Наблюдение дифракции на отверстиях различной формы

Помещали на выходе лазерного луча поочередно экраны c прямоугольными и круглыми отверстиями и нити различной толщины. Зарисовали наблюдаемые дифракционные картины, сравнили их.

УПРАЖНЕНИЕ 3. Дифракция Фраунгофера на одномерной решетке

1.  Поместили на выходе лазерного луча одномерную решетку и определили положения нескольких максимумов относительно центрального (нулевого) максимума.

2.  Определили длину волны излучения газового лазера по формуле

  λ₁=638,6 нм  λ₂=638,6нм где X_max1=14мм  X_max2=28мм – координата наблюдаемого максимума относительно центрального, d=1,3*10^-4м – постоянная решетки, L=2,85м – расстояние от решетки до экрана, m – порядок максимума.

УПРАЖНЕНИЕ 4. Дифракция Фраунгофера на двумерной решетке

1.  Расположили на выходе лазерного луча держатель с набором двумерных дифракционных решеток. Получили дифракционную картину и определили координаты и порядок дифракционных максимумов на экране.

Рассчитали углы дифракции и по расстоянию до экрана L и координатам максимумов (X_max и Y_max). Из условия главных максимумов  и  

где и  – порядки дифракционных максимумов; d_x и d_y – периоды решеток;  и  – соответствующие углы дифракции определили периоды двумерных решеток, так как   и  малые углы, то можно считать, что их тангенсы совападают с их синусами и совпадают с самими углами.

Вывод: пронаблюдали дифракцию на различных объектах, провели исследование дифракции на одномерной и двумерной решетках, получили результаты: длинна волны газового лазера λ=638,6 нм (реальная λ=632,8 нм), период двумерной решетки d=0,27,мм.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет им. Ф.Скорины»

Физический факультет

Отчет по лабораторной работе

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ ФРАУНГОФЕРА ПРИ ПОМОЩИ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

Выполнили студенты   группы Ф-32:

Гордунов Д.С.

Вераксич А.Н.

Грецкий Б.П.

Гомель 2011