Определение длины волны генерации лазера с помощью бипризмы френеля

Лабораторная работа  5.1

Определение длины волны генерации лазера с помощью бипризмы френеля

Цель работы: ознакомление с условиями и схемой образования интерференционной картины, измерение ширины интерференционной полосы, определение длины волны изучения лазера.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья с тремя рейтерами,

источник света (He – Ne-лазер), окулярный микрометр, собирающая линза, 

бипризма Френеля, диафрагма с раздвижной щелью.

Краткое теоретическое содержание 

Свет и электромагнитные волны – явление одной природы. Излучение света атомами вещества  в простейшем случае можно представить следующим образом: каждый атом, будучи возбужден тем или иным способом, излучает за время τ  (10^-10  - 10^-8 с) «обры-   вок синусойды» (цуг волны), затем прибывает некоторое время невозбужденном  сос-тоянии. Получив новую порцию энергии, снова возбуждается и создает новый цуг.

Направление распространения энергии волны называется лучом. Последующие   «обрывки синусойд» никак не связаны друг с другом; акты излучения отдельных атомов также независимы.  Такие источники и колебания называют       некогерентными (несогласованными). Сложение таких колебаний дает поле монотонной освещенности.

Совершенно иной результат получается, если источники удовлетворяют жёстким условиям:

                 а) частоты их колебаний строго равны;

                 б) разность начальных фаз постоянна;

                 в) векторы напряженности электрического поля лежат в одной плоскости

                      (волны плоскополяризованы) и по величине одного порядка.

Источники, удовлетворяющие указанным условиям, называются когерентными.

В области, освещаемой двумя такими источниками, создается периодическое изменение

освещенности в пространстве. Такие явления, подтверждающие волновую природу света,  называются интерференцией.

Существует несколько способов получения когерентных источников света, например с помощью отражения (зеркала Френеля) и преломления (бипризма Френеля).

На рис. 1 изображена интерференционная картина, получаемая при наложении света от двух когерентных источников.

Бипризма Френеля обеспечивает получение когерентных пучков лучей от одного источника света. Она состоит из двух призм с малыми преломляющими углами ( порядка 30' ), сложенные своими основаниями.

На рис.2 показана схема образования интерференционной картины с помощью бипризмы Френеля.

Источником света является узкая щель S, расположенная параллельно грани бипризмы. 

При прохождении света через верхнюю и нижнюю половины бипризмы каждая элементарная световая волна распадается на две когерентные волны, как бы исходящие из точек S₁ и S₂  ( мнимые изображения источника S ). Расчлененные световые пучки перекрываются, образуя зону интерференции. На экране, помещенном в область наложе-  ния  волн, можно наблюдать интерференционные полосы.

Чередование светлых и темных полос ( в случае монохроматического света ) наблюдается и  в отсутствие бипризмы, если уменьшая ширину щели добиться возникновения на экране дифракционной картины. Размеры дифракционной картины таковы, что на центральной светлой полосе (её главном максимуме) умещается вся интерференционная

 Картина, образованная бипризмой Френеля.

Положение интерференционных максимумов легко определить, воспользовавшись схемой, изображенной на рис.3.

Из теории гармонических колебаний известно, если разность хода волн равна четному числу полуволн, т.е.

Δ=r₂- r₁=2Kλ/2    , где K=0,1,2,… - номер линии полосы, то будет наблюдаться максимум  интенсивности ( световая полоса ); если  Δ=½λ( 2К + 1 ),     наблюдается минимум интенсивности ( темная полоса ).

Следовательно, центральная световая полоса будет в точке В, для которой разность хода Δ=r₂- r₁=0.

На рис.3 видно:       r₂²  = L² + ( у + ½ h )^{2     (1)}       

                                               r₁²  = L² + ( у - ½h )^{2        (2)}

^{вычитая из первого уравнения второе, получим:}

                                   r₂²- r₁²=2 уh,

или

                       ( r₂ + r₁ )( r₂ - r₁ ) = 2 уh.

Сумму r₂ + r₁ с достаточной степенью точности можно заменить на 2L.

 r₂ - r₁ =Δ .  Таким образом   2LΔ=2 уh  и   Δ = уh/L.

Если ук- расстояние от центра экрана до К-й светлой полоски, то

Δ=2Kλ/2=у_кh/L   и   у_к=кλ( L/h).

Расстояние между светлыми ( или темными ) линиями, т.е. ширина интерференционной полосы, находится по формуле:

Δу=ук-у_к-1= кλ( L/h).- (к-1)λ( L/h)= λ L/h     (3)

Отсюда можно найти длину волны:

      λ=Δуh/L                                                      (4)

Итак, для нахождения длины волны с помощью бипризмы Френеля достаточно знать расстояние между мнимыми источниками света, ширину интерференционной полосы и расстояние от источников до экрана. Все эти величины легко находятся из опыта.

Описание оптического квантового генератора (окг)

ОКГ ( или лазер ) – прибор, предназначенный для использования в качестве когерентного излучения в оптическом диапазоне спектра.

При обычном излучении отдельные возбужденные атомы переходят самопроизвольно на более низкие энергетические уровни не зависимо друг от друга и света, излученный всей группой атомов, будет некогерентным. В ОКГ атомы совершают переход упорядоченно.

В основе действия лазера лежит процесс вынужденного излучения атомов, находящегося в возбужденном состоянии с энергией Е₁ , при воздействии на него фотона с энергией

ε= Е₁-Е₂,    (5)

 где Е₂ – энергия основного состояния. При этом атом, переходя в основное состояние, излучает квант света той же частоты

ν = ( E₁ - E₂ ) / h. (6)

Необходимым условием работы лазера является наличие такого состояния, когда число атомов N₁, находящихся в возбужденном состояние, было бы больше количества атомов N₂ в основном состоянии, это состояние N₁>N₂ называется инверсной заселенностью энергетических уровней.

Среда, в которой большинство атомов может быть переведено в возбужденное состояние, называется активной средой.

Процесс перевода системы в инверсное состояние называется накачкой.

Накачку можно осуществить различными способами: оптическим  ( в твердотельных лазерах ); электрическим (в газовых лазерах ) и другими.

В работе используется газовый лазер ЛГ-126. Активной средой в нем является гелий-неоновая смесь. Накачка осуществляется электрическим методом. Атомы переходят в возбужденное состояние благодаря неупругим столкновениям с электронами в газовом разряде.

среде. Принципиальная схема лазера показана на рис.4.

Активная среда А располагается между двумя параллельными зеркалами З₁ и З₂.

Для усиления генерируемого лазером излучения увеличивают путь света в активной

Длина волны лазерного излучения вычисляется по формуле (7),

h=h'L₁/L₂

где, L₁-расстояние от линзы до щели;  L2-расстояние  от линзы 2 до окулярного микрометра; h'- видимое расстояние между мнимыми источниками- величины из h'меряемые.

№ опыта	Измеряемые величины					Полученные результаты
	l1	l2	L	h'	h	Δу	λ	Δλ
Красный
Синий
зеленый