WWW.NET.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Интернет ресурсы
 

«МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный ...»

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ухтинский государственный технический университет»

(УГТУ)

Изучение дифракции с помощью лазера

и определения длины волны

Методические указания к лабораторной работе

для студентов всех технических направлений

дневной и заочной форм обучения

Ухта, УГТУ, 2013

УДК 53 (075)

ББК 22.3 Я7

Ш 19

Шамбулина, В. Н.

Ш 19 Изучение дифракции с помощью лазера и определения длины волны [Текст] : метод. указания к лабораторной работе для студентов всех технических направлений дневной и заочной форм обучения / В. Н. Шамбулина, В. А. Жевнеренко. – Ухта : УГТУ, 2013. – 15 с.; ил.

Методические указания предназначены для выполнения контрольных работ по теме «Волновая оптика» для студентов, обучающихся по всем техническим направлениям дневной и заочной форм обучения.

УДК 53 (075) ББК 22.3 Я7 Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой физики (протокол №05 от 27.05.2013).

Содержание методических указаний соответствует рабочей учебной программе.

Рецензент: И. К. Серов, доцент кафедры физики УГТУ.

Редактор: Н. А. Северова, доцент кафедры физики УГТУ.

Корректор и технический редактор: Т. К. Шпилёва.

В методических указаниях учтены замечания рецензента и редактора.

План 2013 г., позиция 112.



Подписано в печать 30.08.2013. Компьютерный набор.

Объём 15 с. Тираж 100 экз. Заказ №277.

© Ухтинский государственный технический университет, 2013 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.

Типография УГТУ.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ

Цель работы: знакомство с принципом работы лазера. Применение лазерного пучка для изучения явления дифракции и использование явления дифракции для измерения длины волны лазерного излучения.

Устройство и принцип действия лазера В данной работе источником света является лазер. Лазер – это особый источник света, который существенно отличается от ламп накаливания, ламп дневного света и др. Его излучение характеризуется: 1) строгой монохроматичностью ( ~ 1A ), 2) высокой когерентностью, 3) малой угловой расходимостью пучка.

В основу работы лазера положен принцип усиления света за счёт эффекта вынужденного (индуцированного) излучения в активной среде. Рассмотрим, как это осуществляется на примере газового гелий-неонового (He Ne ) лазера, используемого в нашей работе.

Представление об общем виде газового лазера даёт рис. 1, на котором показаны газоразрядная трубка Тр и зеркала резонатора З (К – катод, А – анод, Р – выходные окна трубки, З – зеркала резонатора).

–  –  –

Основным элементом газового лазера является разрядная трубка. На концах трубки располагается катод К и анод А. В трубке находится смесь гелия и неона. Рабочим веществом, дающим видимое розовато-красное излучение, является неон. Гелий является вспомогательным газом, способствующим созданию возбуждённых состояний атомов неона (активной среды).

При накалённом катоде трубки и поданным между её электродами высоком напряжении в наполняющих трубку газах может поддерживаться электрический разряд. При столкновении электронов с атомами неона и гелия в разряде они передают им часть своей кинетической энергии, переводя атомы из основного состояния в возбуждённое.

Упрощённая схема энергетических уровней атомов неона и гелия показана на рис. 2. Ударами электронов в разряде возбуждаются уровень 1 – в гелии, уровни 2 и 3 – в неоне.

Однако для уровня 3 в неоне имеется ещё один способ возбуждения – передача энергии от возбуждённых атомов гелия к невозбуждённым атомам неона путём столкновения. Невозбуждённый атом неона, получая энергию от возбуждённого атома гелия, переходит в возбуждённое состояние 3.

Такая передача обусловлена близостью энергетических уровней: уровня 1 в гелии и уровня 3 в неоне.

Столкновения с возбуждёнными атомами гелия способствуют тому, что уровень 3 заселяется с большей вероятностью, нежели уровень 2. Кроме того, уровень 3 метастабильный, т. е. атомы в нём находятся достаточно долго. Поэтому возникает возможность накопить активные (возбуждённые) атомы на уровне 3 в количестве, превышающем их на уровне 2. В этом случае говорят, что достигается инверсная (обращённая) заселённость уровней 2 и 3.

Рисунок 2

Пунктирные стрелки на рис. 2 иллюстрируют процессы возбуждения, приводящие к созданию активной среды из атомов неона с инверсной заселённостью уровней.

Как известно, в возбуждённом состоянии атом не может находиться долго. Без воздействия извне, спонтанно (самопроизвольно) он рано или поздно перейдёт в менее возбуждённое состояние, в данном случае на уровень 2, что приведёт к распространению в активной среде фотонов с энергией h. Эти фотоны вызывают вынужденное излучение другими возбуждёнными атомами неона таких фотонов, которые, в свою очередь, вызовут вынужденное излучение другими атомами и т. д. Электромагнитное поле распространяющегося фотона как бы «сваливает» атомы с возбуждённого уровня вниз на менее возбуждённый уровень. В результате образуется каскад фотонов. При этом фотоны, возникающие при вынужденном излучении, летят в том же направлении, что и падающие фотоны, сохраняются неизменными частота волны и поляризация. Вынужденное излучение строго когерентно с вызвавшей его проходящей в веществе электромагнитной волной.

Лавинообразное нарастание числа фотонов в активной среде означает, что такая среда действует как усилитель электромагнитных волн.

Рисунок 3

Эффект усиления света в лазере увеличивается при многократном прохождении света через один и тот же слой активной среды, что обеспечивается помещением разрядной трубки в зеркальный резонатор – систему из двух зеркал (рис. 3). Фотон А, движущийся параллельно оси активной среды, рождает лавину фотонов, летящих в том же направлении (рис. 3, а). Часть этой лавины пройдёт через полупрозрачное зеркало З1 наружу, а часть отразится и будет нарастать в активной среде (рис. 3, б). После отражения от зеркала З2 усиленный поток фотонов будет двигаться так же, как и первоначальный «затравочный» фотон А (рис. 3, в).

Многократное прохождение излучения вдоль оси трубки приводит к формированию мощного потока направленного когерентного излучения лазера, выходящего из полупрозрачного зеркала З1 с малым расхождением угла.

Фотоны В и С (рис. 3, а), летящие под углом к оси трубки, не участвуют в образовании лазерного пучка.

Разрядная трубка Тр замкнута с торцов плоскопараллельными стеклянными пластинками Р, расположенными под Брюстеровским углом к оси трубки (рис. 1), что приводит к линейной поляризации выходящего лазерного пучка.

В данной работе изучается дифракция в параллельных лучах (дифракция Фраунгофера). Параллельные лучи обычно получают при помощи оптических систем – коллиматоров.

При использовании лазера оптическая система значительно упрощается, так как излучаемые лазером когерентные световые пучки являются параллельными и не требуют применения оптических систем для их коллимации.

Дифракция от щели и нити

Схема наблюдения дифракции от одной щели представлена на рис. 4. Параллельный пучок от (He Ne ) лазера 1 падает нормально на щель 2, длина которой много больше её ширины в. Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка плоскости щели, до которой дошло световое колебание, становится источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны под углами дифракции, т. е. свет дифрагирует (заходит в область геометрической тени) при прохождении через щель. Дифрагированные пучки являются когерентными и могут интерферировать между собой при наложении. В каждую точку на экран Э приходят когерентные лучи от каждой точки плоскости щели 2. Результат интерференции приводит к тому, что в одних точках на экране Э наблюдается усиление интенсивности света (максимум), в других – ослабление интенсивности (минимум). Периодическое распределение интенсивности света на экране изображено графиком (рис. 4) в виде волнистой кривой, где величина интенсивности света I отложена вдоль оси абсцисс.





–  –  –

Дифракционная решётка представляет собой систему из большого числа N одинаковых по ширине и параллельных друг другу щелей, разделённых также одинаковыми по ширине непрозрачными промежутками (рис. 5).

Основными параметрами дифракционной решётки являются её период d (постоянная решётки), т. е. расстояние между серединами двух соседних щелей, и число штрихов N.

Схема наблюдения дифракции на решётке представлена на рис. 6.

–  –  –

Параллельный пучок лучей от источника – (He Ne ) лазера 1 освещает решётку 2, плоскость которой перпендикулярна лучам.

Дифракция Фраунгофера наблюдается только в параллельных лучах, поэтому в данной схеме расстояние L от решётки до экрана Э должно быть значительно больше ширины щелей в и расстояния d между ними. В этом случае лучи, приходящие в одну точку экрана от всех щелей, будут практически параллельными (рис. 5), и направление, в котором производится наблюдение, определяется углом между нормалью к решётке и направлением лучей на экран.

Распределение интенсивности в дифракционной картине на экране Э определяется интерференцией (наложением) когерентных волн, приходящих в точку наблюдения от различных щелей дифракционной решётки. Из явления интерференции известно, что максимумы интенсивности возникают в тех случаях, когда волны приходят в точку их встречи (наложения) синфазно. Это выполняется при условии, если на разности хода интерферирующих лучей укладывается целое число волн: =, где =0, 1, 2 … Как видно из рис.

5, разность хода лучей, идущих от соседних щелей, определяется постоянной решётки d и углом наблюдения :

= d sin.

Согласно вышесказанному, в тех направлениях, для которых выполняется условие:

d sin = k, (4) интенсивность света на экране будет максимальна. Максимумы, определяемые формулой (4), называют главными.

Чем больше щелей на решётке, тем больше света проходит через неё, поэтому резкость дифракционной картины возрастает – максимумы становятся более узкими, более яркими и более отчётливыми. Между главными максимумами на экране расположена система более дифракционных максимумов.

Распределение интенсивности на экране изображено кривой (рис. 6), где интенсивность отложена вдоль оси абсцисс.

Точками 0, 1, 2, 3 … отмечены местоположения главных (наиболее ярких) максимумов.

–  –  –

Приборы и принадлежности: источник света – (He Ne ) лазер ( = 632,8 нм), раздвижная щель, тонкая металлическая нить, дифракционная решётка с постоянной d = 0,01 мм.

<

–  –  –

Установка собирается по схеме рис. 7:

Лазер Л установлен на столе так, чтобы от лазера до экрана Э имелось свободное пространство не менее 1-1,5 м. Для измерения дифракционной картины экран снабжён шкалой.

Все оптические детали укреплены в специальных держателях со стойкой и могут поочередно закрепляться в штативе Шт, который вместе с оптической деталью устанавливается на пути луча между линзой и экраном в положение, удобное для измерения или задаваемое преподавателем.

На столе имеется для измерений отсчётная линейка длиной 1 м с ценой деления 1 мм.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ! Ни при каких условиях прямой луч лазера не должен попадать в глаз.

Выполнение работы Задание №1. Наблюдение дифракции от щели

1. Установить в штативе держатель с раздвижной щелью.

2. Включить лазер.

3. Приблизить щель к лазеру и осветить лучом щель.

4. Добиться наибольшей чёткости картины на экране, для чего поперечными перемещениями установить щель так, чтобы пучок от лазера симметрично перекрывал щель.

5. Меняя ширину щели, пронаблюдать, как меняется дифракционная картина на экране.

6. Результат наблюдений записать в тетрадь.

Задание №2. Измерение толщины нити

1. Заменив щель вкладышем с нитью, поместить её на пути луча.

2. Передвигая нить вдоль луча, найти дифракционную картину, чтобы ширина полос на экране была удобной для измерения.

3. Измерить расстояние L от нити до экрана.

4. С помощью шкалы на экране измерить ширину интерференционной полосы х. Для большей точности измерить интервал, охватывающий N полос, а затем вычислить ширину одной полосы:

–  –  –

Пользуясь формулой (3), вычислить толщину нити в. Значение взять для 5.

(He Ne ) лазера 632,8 нм.

6. Сравнить результат с заданным значением в, указанным на установке.

Задание №3. Измерение длины волны лазера

1. Укрепить в штативе дифракционную решётку.

2. Установить решётку на расстоянии L, заданном преподавателем (плоскость решётки должна быть перпендикулярна лучу).

3. С помощью шкалы на экране измерить расстояние rК между серединами симметричных дифракционных максимумов одинакового порядка K.

Результаты измерений занести в таблицу:

–  –  –

4. По формуле (5) вычислить значение для каждого измерения и найти среднее значение из всех измерений. Сопоставить измеренную длину с известным значением для (He Ne ) лазера.

Определить относительную и абсолютную погрешность опыта.

5.

–  –  –

1. Каковы особенности лазерного излучения?

2. В чём заключается принцип действия лазера?

3. Описать изменение дифракционной картины при увеличении ширины щели. Дать объяснение.

4. Дать обоснование условию наблюдения главных максимумов для дифракционной решётки.

5. Как различаются дифракционные картины от двух решёток с разным количеством щелей на единицу длины?

6. Используя метод зон Френеля, получить условие наблюдения минимумов (максимумов) от щели.

–  –  –

Трофимова, Т. И. Оптика. Квантовая природа излучения. Курс физики:



Похожие работы:

«Авиационная и ракетно-космическая техника УДК 621.452.3+004.9 DOI: 10.18287/2541-7533-2016-15-4-47-56 ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ "ВИРТУАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ" В СИСТЕМЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗ...»

«1 В набор: Редактор Д.Акишев Оглавление выпуска "Экономического обозрения" №2,3 2007 Объем, № Название статьи Автор Подразделение стр. Развитие денежно-кредитной политики 1. О модели трансмиссионного Конурбаева ДИС механизма и модели Б.М. монетарного правила Состояние и перспективы развития финансового сек...»

«УДК 621.892 : 621.77 Каргин1 Б.С., Каргин2 С.Б., Бурлуцкий3 А.С.– ГВУЗ "Приазовский государственный технический университет", г. Мариуполь, Украина, к. т. н., проф., e-mail: gefest.2007.44@mail.ru – ГВУЗ "Приазовский государственный технический университет", г. Мариуполь, Украина, к. т. н.;– ГП НПКГ "Зар...»

«/ /. ^. Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение м высшего профессионального образования Пермский национальный исследовательский политехнический университет Химико-технологический факультет Кафедра автоматизации технологических процессов...»

«ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "МОНЧЕГОРСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ" УТВЕРЖДАЮ Заместитель директора по^учебной работе ^§^/5 О.В. Першина S /о г. 20 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА Дисциплины (МДК, ПМ) ОГСЭ. Психол...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ О. Н. Ноговицин СОЦИОЛОГИЧЕСКАЯ КРИТИКА ЭКОНОМИЧЕСКОГО РАЗУМА Текст лекции Санкт-Петербург УДК 330.8 ББК 65.01 Н72 Рецензенты: докт...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный Университет" Итоговая Научно-образовательная конференция студентов Казанского федерального университета 2014 года Сборник статей Том 2 ИНСТ...»

«Powermax125 ® Система плазменно-дуговой резки Руководство оператора 80808J | 1-я редакция | Русский | Russian Регистрация новой системы Hypertherm Зарегистрируйте приобретенную продукцию через Интернет на странице www.hypertherm.com/registration, что...»

«АВТОНОМНЫЙ БЕСТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ГЕНЕРАТОР Часть 1. Краткое описание проекта Вторая редакция Предлагается проект бестопливного генератора электроэнергии. Описываются основные технические, физические и математические идеи. Описываются прототипы и эксперименты с ни...»

«ONYX BOOX РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ONYX BOOX A62S Профессор МОРИАРТИ, Шерлок ХОЛМС, Доктор ВАТСОН СОДЕРЖАНИЕ МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПЛЕКТАЦИЯ ЭЛЕМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ НАЧАЛО РАБО...»








 
2017 www.ne.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.