Проучване на светлинните смущения и определяне на дължината на вълната на използваното лъчение
Лабораторно ръководство
ПЕНЗА 2007
Цел на работата - проучване на методите за наблюдение на модела на смущения и измерване на неговите параметри, определяне на дължината на вълната на използваното лъчение.
Устройства и аксесоари
Фринел бипризъм.
Светлоотражателен екран.
Оптична пейка.
1 , МЕТОДИ НА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННА СНИМКА
От опит е известно, че ако светлина от два източника (например от две лампи с нажежаема жичка) падне върху определена повърхност, тогава осветяването на тази повърхност се състои от осветеността, създадена от всеки източник поотделно. Осветеността на повърхността се определя от количеството светещ поток на единица площ, следователно общият светлинен поток, падащ в този случай върху всеки повърхностен елемент, е равен на сумата от потоците от всеки от източниците. Подобни наблюдения доведоха до откриването на закона за независимост на светлинните лъчи.
Ситуацията обаче коренно се променя, ако повърхността е осветена от две светлинни вълни, излъчвани от един и същи източник на точка, но преминаващи по различни пътеки до мястото на среща. В този случай, както показва опитът, определени части от повърхността ще бъдат много слабо осветени; леките вълни, припокривайки се, се отменят взаимно. Осветяването на други области, където припокриващи се вълни се подсилват взаимно, значително ще надхвърли двойното осветление, което една от тези вълни би могла да създаде.
По този начин върху повърхността ще се наблюдава образец на редуващи се максимуми и минимуми на осветеност, който се нарича интерферентен модел (фиг. 1).
Появата на такъв модел, когато светлинните вълни се наслагват, се нарича светлинни смущения. Необходимо условие за вълнова намеса е съгласуваността, т.е. равенството на техните честоти и постоянството във времето на фазовата разлика. Два независими източника на светлина, например две крушки, създават непоследователни вълни и не образуват интерферентен модел. Има различни методи, които ви позволяват изкуствено да създавате кохерентни вълни и да наблюдавате намесата на светлината. Нека разгледаме някои от тях.
1.1. Методът на Юнг
Първият експеримент, позволяващ количествен анализ на явлението интерференция, е експериментът на Юнг, поставен през 1802 г.
Представете си много малък източник на монохроматична светлина o (фиг. 2), осветяващ две еднакво малки и плътно разположени отвори 
и 
на екрана А.
Според принципа на Хюйгенс тези дупки могат да се считат за независими източници на вторични сферични вълни. Ако точките и са разположени на равни разстояния от източника на светлина S, тогава фазите на трептенията в тези точки ще бъдат еднакви (вълните са кохерентни), а в някакъв момент P втори екран Най-откъде ще идват светлинни вълни и , фазовата разлика, припокриващи се трептения, ще зависи от разликата 
Името на разликата в хода.
Когато разликата в хода е равна на четен брой полувълни, фазите на трептенията ще се различават с коефициент 2π, а светлинните вълни, когато се наслагват в точка P ще се подсилят взаимно, точка P екранът ще бъде по-осветен от съседните точки по линията ИЛИ.
Условието за максимална осветеност на точката P може да бъде записано като:
(1)
където K=1,2,3,4…
Ако разликата в хода 
ще бъде равен на нечетен брой полувълни, тогава на P вибрации, разпространяващи се от и , ще се изгасят взаимно и тази точка няма да бъде осветена. Условието за минимална осветеност на точка
Същите точки на екрана Най-, разликата в хода, към която отговаря на условието
(3)
ще свети, но осветеността им ще бъде по-малка от максималната. Следователно, моделът на смущения, наблюдаван на екрана, е система от ленти, в които осветяването се променя плавно според синусоидалния закон при преминаване от светла към тъмна лента
За същността ох екран на разстояние от източници и , разликата на лъчите 
и 
равна на нула, т.е. в резултат на смущения тази точка ще бъде запалена колкото е възможно повече (максимален нулев ред).
Определете разстоянието 
към тези точки 
в които ще се наблюдават следните максимуми на интерференция, т.е. дефинира 
.
От десни триъгълници 
и 
имаме (по теорема на Питагор):
(4)
Изваждане на термина по термин, който получаваме
Пренаписваме това равенство във формата
Ако приемем, че разстоянието между източниците 
много по-малко разстояние от източници до екран 
, можем да предположим това
(6)
Тогава равенството (5) приема формата
На свой ред 
след това 
откъде
(8)
Накрая разстоянието до точките, в които се наблюдават максимумите, намираме от условия (1) и (8)
откъде 
(9)
Следователно първата максимално осветена линия ще бъде разположена на разстояние, започващо от средата на екрана:
Вторият ред с максимална осветеност ще бъде разположен на разстояние
и т.н.
разстояние до точките, където се наблюдават минимумите (тъмни линии), получаваме от условието
където 
= 0,1,2,3...
Периодът на интерференционния модел, т.е. разстоянието между най-близките линии на една и съща осветеност (например, максимално или минимално), както следва от (9) или (10), е
При осветление на дупки и бяла (полихроматична) светлина на екрана произвежда цветни ивици, а не тъмна и светла, както в описания експеримент.
1.2. Метод на Лойд
На фиг. 3 показва устройство за смущения, състоящо се от валиден източник на светлина S и плоски огледала 
(Огледалата на Лойд). Един светлинен лъч, идващ от източник на светлина, се отразява от огледалото и се удря в екрана 
, Този светлинен лъч може да се представи от въображаемо изображение.
източник на светлина 
образувана от огледало. В допълнение, лъчите, идващи директно от източника на светлина S, В областта на екрана, където и двата лъча светлина се припокриват, т.е. две кохерентни вълни се наслагват, ще се наблюдава интерферентен модел.
1.3. Френел Биприз
Кохерентните вълни могат да се зареждат и с помощта на бипризма на Френел - две призми (с много малки ъгли на пречупване), сгънати от основите.
Фиг. 4 дава диаграма на лъчевия път в този експеримент.
Лъч от разминаващи се лъчи от светлинен източник Sпреминавайки горната призма, тя се пречупва до основата си и се разпространява по-нататък, сякаш от точка - въображаем образ на точка 
, Друг инцидент на лъча върху долната призма, пречупващ, отклонява нагоре. Точката, от която се разминават лъчите на този лъч - също въображаем образ на точка , И двете лъчи се припокриват и дават на екрана 
интерференционна картина. Резултатът от смущения във всяка точка на екрана, например в точка P, зависи от разликата в пътя на лъчите, падащи в този момент, т.е. от разлика на разстоянието до въображаеми източници на светлина и .
2. ОПИСАНИЕ НА МОНТАЖА И ИЗТЪРКВАНЕТО НА ФОРМУЛАТА НА ИЗЧИСЛЕНИЕТО
В тази работа се изисква да се определи дължината на вълната на монохроматичното излъчване, използвано чрез измерване на периода на наблюдаваната схема на смущения. Източникът на излъчване е лазер, поставен заедно с други възли на експерименталната настройка на оптичен стенд (физиката на лазерната работа е описана в приложението). Оптичната настройка е показана на фиг.
Паралелен лазерен лъч LHфокусира чрез обектив L 1
, и неговата фокусна точка 
е източник, осветяващ бипризъм на Френел BF, Като се има предвид, че разстоянието от точката преди бипризъм има много повече светлинно петно \u200b\u200bвърху бипризъм, т.е. дивергенция на лъча от фокуса на лещата L 1
е малък, в първо приближение можем да приемем, че всички лъчи, случващи се върху бипризма, са успоредни. Тогава лъчите, падащи върху горния клин на бипризма, се отклоняват под ъгъл
(12)
където п - рефракционен индекс на бипризъм;
- пречупващ ъгъл на бипризъм.
Лъчите, които падат върху долния клин, също са отклонени нагоре. 
, Така че от бипризъм до обектив L 2
два паралелни лъча светлина (две равнини вълни) се разпространяват, ъгълът между които е равен на 2 , обектив L 2
фокусира тези лъчи и образува в своята фокусна равнина два точкови източника, раздалечени един от друг на разстояние
(13)
където 
- фокусно разстояние на лещата L 2
.
Предвид това отвличане същото като ъгъл много малко, разстоянието между източниците може да бъде записано като
(14)
Кохерентните вълни, разпространяващи се от тези източници, се наслагват една върху друга и се образуват на екрана 
интерферентен модел, периодът на който се описва с израз (11). Заместване в този израз
(15)
(което следва от формули (12), (14) и фиг. 5) за периода, който пишем
(16)
От тук получаваме формулата за изчисление
(17)
Параметрите, включени във формула (17), са обобщени в таблицата.
ПОРЪЧКА ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ
|
|
|
|
|
|
|||
, мВъпроси за сигурност
Какво е вълновата намеса?
Какви са условията за появата на интерференционния модел?
Какви са методите за получаване на кохерентни светлинни вълни.
Какви са условията за формиране на максимуми и минимуми на интерференцията?
Обяснете как периодът на интерференционния модел зависи от ъгъла на пречупване на бипризма и дължината на вълната на светлината.
Каква е целта на лазера в този документ?
Начертайте оптична инсталационна схема и обяснете предназначението на елементите.
приложение
Физични основи на лазерната работа
Изучавайки механизма на изследване и усвояване от квантова система (атом или молекула), открихме, че когато квантова система преминава от едно енергийно състояние в друго, излъчване или абсорбция на част 
електромагнитна анергия (фиг. 6).
В случая говорихме само за такъв механизъм на радиация, при който атомът стига до по-ниско енергийно ниво спонтанно (спонтанно), т.е. без външен удар (топлинно излъчване, луминесценция и др.). Този радиационен механизъм обаче не е единственият възможен.
А. Айнщайн през 1917 г. установява, че квантовата система може да излъчва квантова енергия (когато преминава в състояние с по-малка енергия) под въздействието на външно електромагнитно поле. Този ефект се нарича индуцирана (стимулирана) радиация. То е обратното на процеса на абсорбция на фотоните от средата (отрицателен коефициент на абсорбция). Тоест, когато различен външен фотон, имащ енергия, равна на енергията на фотон, излъчен спонтанно, действа върху възбуден атом, възбуденият атом ще премине по-ниско енергийно ниво и ще излъчи фотон, който ще бъде добавен към инцидентния („Фиг. 6, б).
Индуцираното електромагнитно излъчване има забележително свойство, то е идентично с първичното излъчване, възникващо върху вещество, т.е. съвпада с него по честота, насочено разпространение и поляризация и е съгласуван с целия обем на веществото. В случай на спонтанно излъчване фотоните имат различни фази и посоки и честотите им са в определен диапазон от стойности.
Средата, в която е възможна индуцираната (стимулирана) радиация, има отрицателен коефициент на абсорбция, тъй като лъчистият поток, преминаващ през такава среда, не се затихва, а се усилва. Тези среди се различават от обикновените по това, че в тях има повече възбудени атоми, отколкото неизбудени.
При нормални условия абсорбцията винаги преобладава над стимулираната емисия. Това се обяснява с факта, че обикновено броят на неизбудените атоми винаги е по-голям от броя на възбудените атоми, а вероятностите за преходи към една или друга страна под въздействието на външни фотони са еднакви ("виж фиг. Б, а).
Възможността за създаване на квантова система, способна да доставя енергия на електромагнитна вълна, е оправдана за първи път през 1939 г. от съветския физик В. А. Фабрикант. По-късно, през 1955 г., съветските физици Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от тях, американските физици Л. Тоунс и Дж. Гордън, разработиха за първи път квантови инструменти, базирани на използването на индуцирана радиация.
Устройствата, използващи индуцирано излъчване, могат да работят както в усилващ, така и в режим на генериране. Съответно те се наричат \u200b\u200bквантови усилватели или квантови генератори. Наричат \u200b\u200bсе още съкратени лазери (ако това е усилване или генериране на видима светлина) и мазери - когато усилват (или генерират) радиация с по-дълги вълни (инфрачервени лъчи, радиовълни).
Основните основни части в лазер са: активна среда, в която възниква стимулирана емисия, източник на възбуждане на частици от тази среда („светещ“) и устройство, което позволява усилване на фотонна лавина.
Различни вещества се използват като работен елемент (активна среда) на съвременните квантови усилватели и генератори, най-често в твърдо и газообразно състояние.
Помислете за един от видовете синтетичен рубинов квантов генератор (фиг. 7). Работният елемент е цилиндър 2 от розов рубин (активна среда), който по химичен състав е алуминиев оксид 
-корунд, в който алуминиевите атоми са незначително заместени с атоми на хром. Колкото по-високо е съдържанието на хром, толкова по-наситен е червеният цвят на рубина. Оцветяването му дължи своя произход на факта, че хромовите атоми имат селективно абсорбиране на светлина в зелено-жълтата част на спектъра. В този случай хромовите атоми, поглъщащи лъчението, преминават във възбудено състояние. Обратният преход е придружен от излъчването на фотони.
Размерите на цилиндъра могат да бъдат от около 0,1 до 2 см в диаметър и от 2 до 23 см в дължина. Плоските му повърхности са внимателно полирани и успоредни с висока степен на точност. Те са покрити със сребърно покритие, така че единият край на рубина да стане напълно отразяващ (огледален), а другият, излъчващ се, е сребрист не толкова плътно и е частично отразяващ (пропускливостта е обикновено от 10 до 25%).
Рубиновият цилиндър е заобиколен от завои на спирална светкавица 1, даваща главно зелено и синьо лъчение. Поради енергията на това излъчване възниква възбуждане. Във феномена на генериране на светлина участват само йони от хром.
На фиг. Фигура 8 е опростена диаграма за появата на стимулирано лъчение в рубин. Когато рубинен кристал се облъчва със светлина (от лампа) с дължина на вълната 5600А (зелен), хромовите йони, които преди това са били в основно състояние при енергийно ниво 1, преминават към горното енергийно ниво 3, по-точно - към нивата, лежащи в лента 3.
В рамките на кратко (но добре дефинирано) време, някои от тези йони ще се върнат на ниво 1 с радиация, а други - на ниво 2, което се нарича метастабилно ( R на нивото на земята). По време на този преход не се получава радиация: хромовите йони дават енергия на решетката на рубиновата кристал. На метастабилно (междинно) ниво йоните са разположени за по-дълго време, отколкото в горното, в резултат на което се достига излишък от популация (обратна популация) на метастабилното ниво 1. Това се нарича оптично изпомпване.
Ако сега насочим радиация към рубина с честота, съответстваща на енергията на прехода от ниво 2 към ниво 1, т.е.
,
тогава това лъчение стимулира йони, които са на ниво 2, да дават излишък от енергията си 
и преминете към ниво 1. Преходът е придружен от излъчване на фотони със същата честота
По този начин първоначалният сигнал се усилва многократно и се получава лавинообразно излъчване на тясна червена линия
Фотоните, които се движат непаралелно на надлъжната ос на кристала, напускат кристала, минавайки през прозрачните странични стени.
Поради тази причина изходният лъч се образува поради факта, че фотоновите потоци, претърпели множество отражения от предното и задното лице на огледалото на рубиновия цилиндър, достигайки достатъчна мощност, излизат навън през тази крайна страна, която има известна прозрачност.
Острата насоченост на лъча ви позволява да концентрирате енергия върху изключително малки зони. Енергията на лазерния импулс е от порядъка на 1 J, а времето на импулса от порядъка на 1 μs. Следователно, импулсната мощност е от порядъка на 1000 вата.
Ако такъв лъч е концентриран на площ от 100 μm, тогава специфичната мощност по време на импулса ще бъде 10 9 W / cm. При тази мощност всички огнеупорни материали се превръщат в пара. Мощен и много тесен лъч от кохерентна светлина вече е намерил приложението си в технологията за микробно заваряване и правене на дупки в медицината - като хирургически нож при очни операции („заваряване“ на ексфолирана ретина) и др.
ГАЗОВИ ЛАЗЕРИ
Година след създаването на рубиновия лазер от американския физик Т. Майман през I960 г. е създаден газов лазер, в който активната среда е смес от хелий и неонови газове при налягане няколкостотин пъти по-малко от атмосферното. Газовата смес се поставя в стъклена или кварцова тръба (фиг. 9), в която се поддържа електрически разряд, като се използва външно напрежение, приложено към споените електроди Е. електрически ток в газа.
За наличието на намеса. Ефектът тук е върху векторите А 1,2 (например, силата на електрическото поле в електромагнитна вълна) не са ортогонални една на друга. Повърхностите на максимумите и минимумите (и съответните гранични смущения на екрана) са неподвижни, ако фазовата разлика Δφ и, строго погледнато, също и амплитудите А 1.2 в (1) са постоянни във времето. В случая на независими източници, например, малка детунизация между техните честоти Δw \u003d w 2 -w 1 е еквивалентна на монотонно отклонение на фазовата разлика: Δφ \u003d Δwt, докато координатите на максимумите и минимумите ще се движат в пространството, а в дадена точка амплитудата ще преживее удари с разлика честота Δw: от А 1 +А 2 до | А 1 - А 2 |. Същите удари, но нередовни във времето, възникват поради фазова нестабилност на източниците, ако случайните отклонения на фазовата разлика са от порядъка на или по-големи от p. Способността да се наблюдават смущения. максимумите и минимумите в този случай зависят от степента на инертност на записващото оборудване - всяко устройство, строго погледнато, е средно за определено време t 0. Ако t 0 е малък в сравнение с характерния период на ударите на полученото поле („време на кохерентност“ t, което е от порядъка на обратната ширина на вълновия спектър), тогава поради смущения. член в (1), максималните и минимумите ще бъдат записани в случай на независими източници. С нарастването на съотношението t 0 / t, поради случайни промени в cosΔφ (t), възниква постепенно изглаждане („замъгляване“) на интерференцията. максимуми и минимуми, а при t 0 dt I. век. не се наблюдава - измерена интензивност А 2 полученото поле ще бъде равно на сумата от интензитетите на компонентните вълни. В случая на типични генератори на радиовълни, например, не само условието t 0