Valon häiriöiden tutkimus ja käytetyn säteilyn aallonpituuden määrittäminen
Laboratorio-ohjeet
PENZA 2007
Työn tarkoitus - menetelmien tutkiminen häiriökuvion havaitsemiseksi ja sen parametrien mittaamiseksi käytetyn säteilyn aallonpituuden määrittämiseksi.
LAITTEET JA LISÄVARUSTEET
Fresnelin biprismi.
Heijastava näyttö.
Optinen penkki.
1 . HÄIRIÖKUVAMENETELMÄT
Kokemuksesta tiedetään, että jos kahdesta lähteestä (esimerkiksi kahdesta hehkulampusta) tuleva valo putoaa tietylle pinnalle, silloin tämän pinnan valaistus koostuu kunkin lähteen erikseen tuottamista valaisimista. Pinnan valaistus määräytyy valovirtamäärän pinta-alayksikköä kohden, joten tässä tapauksessa mihin tahansa pintaelementtiin sattunut kokonaisvalovirta on yhtä suuri kuin kunkin lähteen vuon summa. Tällaiset havainnot johtivat valonsäteiden riippumattomuuden lain löytämiseen.
Tilanne muuttuu kuitenkin perusteellisesti, jos pintaa valaisee kaksi saman pisteen lähteen lähettämää valoaaltoa, mutta kulkee eri polkujen kautta kohtauspisteeseen. Kuten kokemus osoittaa, tietyt pinnan osat valaistaan \u200b\u200btässä tapauksessa hyvin himmeästi; päällekkäiset kevyet aallot poistavat toisiaan. Muiden alueiden valaistus, joissa limittyvät aallot vahvistavat toisiaan, ylittävät huomattavasti kaksinkertaisen valaistuksen, jonka toinen näistä aalloista voisi luoda.
Siten pinnalla havaitaan vuorottelevien valaistuksen maksimien ja minimien malli, jota kutsutaan häiriökuvioksi (kuva 1).
Tällaisen kuvion ulkonäköä valoaaltojen päällekkäin kutsutaan valohäiriöiksi. Aallon häiriöiden välttämätön edellytys on koheesio, ts. niiden taajuuksien yhtäläisyys ja vaihe-eron ajanpysyvyys. Kaksi riippumatonta valonlähdettä, esimerkiksi kaksi hehkulamppua, luo epäjohdonmukaisia \u200b\u200baaltoja eikä muodosta häiriökuviota. On olemassa monia menetelmiä, joiden avulla voit keinotekoisesti luoda koherentteja aaltoja ja tarkkailla valon häiriöitä. Tarkastellaan joitain niistä.
1.1. Jungin menetelmä
Ensimmäinen koe, joka mahdollisti häiriöilmiön kvantitatiivisen analyysin, oli Jungin koe, asetettu vuonna 1802.
Kuvittele hyvin pieni monokromaattisen valonlähde o (kuva 2), valaiseen kaksi yhtä pientä ja lähekkäin sijaitsevaa aukkoa 
ja 
näytöllä .
Huygens-periaatteen mukaan näitä reikiä voidaan pitää toissijaisten pallomaisten aaltojen riippumattomina lähteinä. Jos pisteitä ja sijaitsevat yhtä etäisyydellä valonlähteestä S, sitten värähtelyjen vaiheet näissä kohdissa ovat samat (aallot ovat koherentit), ja jossain vaiheessa P toinen näyttö mistä valoaallot tulevat ja , vaihe-ero, päällekkäiset värähtelyt, riippuu erosta 
Aivohalvauksen eron nimi.
Kun iskuero on yhtä suuri kuin parillinen määrä puoliaalloja, värähtelyjen vaiheet eroavat kertoimella 2π ja kevyet aallot, kun ne on asetettu kohtaan P vahvistaa toisiaan, kohta P näyttö on valaistuneempi kuin linjan viereiset pisteet TAI.
Pisteen P maksimaalisen valaisun ehto voidaan kirjoittaa seuraavasti:
(1)
jossa K=1,2,3,4…
Jos aivohalvauksen ero 
on yhtä suuri kuin pariton määrä puoliaalloja, sitten pisteessä P värähtely, joka leviää ja , sammuvat toisiaan, ja tätä kohtaa ei pala. Edellytys pisteen vähimmäisvalaistukselle
Sama näyttö osoittaa , iskuero, johon ehto täyttää
(3)
palaa, mutta niiden valaistus on vähemmän kuin maksimiarvo. Siksi näytöllä havaittu häiriökuvio on kaistojen järjestelmä, jonka sisällä valaistus muuttuu tasaisesti sinimuotoisen lain mukaan vaihtaessa valosta tummaan kaistaan
Asiaan oi näyttö yhtä kaukana lähteistä ja , säteiden ero 
ja 
yhtä suuri kuin nolla, ts. häiriön seurauksena tämä kohta palaa niin paljon kuin mahdollista (nollajärjestyksen enimmäisarvo).
Määritä etäisyys 
niihin pisteisiin 
jossa seuraavat häiriömaksimumit havaitaan, ts. määritellä 
.
Oikealta kolmiosta 
ja 
meillä on (Pythagoran lauseen perusteella):
(4)
Laimentamalla termi termillä saamme
Me kirjoitamme tämän tasa-arvon muodossa
Oletetaan, että lähteiden välinen etäisyys 
paljon vähemmän etäisyyttä lähteistä näytölle 
, voimme olettaa sen
(6)
Sitten tasa-arvo (5) on muodossa
Vuorostaan 
sitten 
mistä
(8)
Lopuksi etäisyys pisteisiin, joissa maksimit havaitaan, löydämme olosuhteista (1) ja (8)
mistä alkaen 
(9)
Siksi ensimmäinen maksimaalisesti valaistu viiva sijaitsee etäisyydellä näytön keskeltä:
Toinen rivi, jolla on suurin valaistus, sijaitsee etäisyydellä
jne.
etäisyys pisteisiin, joissa minimiä noudatetaan (tummat viivat), saamme kunnosta
jossa 
= 0,1,2,3...
Häiriökuvion jakso, ts. saman valaistuksen lähimpien viivojen välinen etäisyys (esimerkiksi suurin tai pienin), kuten kohdasta (9) tai (10) seuraa,
Kun valaistaan \u200b\u200breikiä ja valkoinen (monivärinen) valo näytöllä tuottaa värillisiä raitoja, eikä tumma ja vaalea, kuten kuvatussa kokeessa.
1.2. Lloydin menetelmä
Kuvassa 1 Kuvio 3 esittää häiriölaitetta, joka koostuu kelvollisesta valonlähteestä S ja litteät peilit 
(Lloydin peilit). Yksi valonlähteestä tuleva valonsäde heijastuu peilistä ja osuu näytölle 
. Tämä valonsäde voidaan kuvitella kuvitteellisesta kuvasta.
valonlähde 
peilin muodostama. Lisäksi säteet tulevat suoraan valonlähteestä S. Näytön alueella, jolla molemmat valonsäteet ovat päällekkäin, ts. kaksi koherenttia aaltoa on asetettu päällekkäin, häiriökuvio havaitaan.
1.3. Fresnel Biprism
Koherentteja aaltoja voidaan ladata myös käyttämällä Fresnel-biprismia - kahta prismaa (erittäin pienillä taitekulmilla), jotka on taitettu pohjoihin.
Kuvio 4 antaa kaavion sädepolusta tässä kokeessa.
Erilaisten säteiden säde valonlähteestä SYläprisma kulkee, se taittuu pohjalleen ja etenee edelleen kuin pisteestä - kuvitteellinen kuva pisteestä 
. Toinen alemman prisman kohdalla oleva taitekestävyys taipuu ylöspäin. Piste, josta tämän säteen säteet poikkeavat - myös kuvitteellinen kuva pisteestä . Molemmat palkit ovat päällekkäin ja antavat ruudulle 
häiriökuva. Häiriön tulos näytön jokaisessa pisteessä, esimerkiksi pisteessä P, riippuu tässä vaiheessa tapahtuvien säteiden polun erosta, ts. etäisyyserosta kuvitteellisiin valonlähteisiin ja .
2. LASKELAMATON ASENTAMISEN JA PERUUTTAMISEN KUVAUS
Tässä työssä on määritettävä käytetyn yksivärisen säteilyn aallonpituus mittaamalla havaitun häiriökuvion jakso. Säteilylähde on laser, joka on sijoitettu yhdessä muiden kokeellisen asennuksen solmujen kanssa optiselle penkille (laserin toiminnan fysiikka on kuvattu liitteessä). Optinen asetus on esitetty kuvassa 5.
Rinnakkaislaser LHtarkentaa linssin mukaan L 1
, ja sen keskipiste 
on Fresnelin biprismia valaiseva lähde BF. Koska etäisyys pisteestä ennen biprismia, biprismiin on paljon enemmän valopisteitä, ts. säteen etäisyys linssin tarkennuksesta L 1
on pieni, ensimmäisessä lähentämisessä voidaan olettaa, että kaikki biprismissa tapahtuvat säteet ovat yhdensuuntaiset. Sitten biprismin yläkiilaan tulevat säteet poikkeavat kulmasta
(12)
jossa n - biprismin taitekerroin;
- biprismin taitekulma.
Alempaan kiilaan kuuluvat säteet taipuvat myös ylöspäin. 
. Joten biprismista linssiin L 2
etenee kaksi yhdensuuntaista valonsädettä (kaksi tasoaaltoa), joiden välinen kulma on yhtä suuri kuin 2 . linssi L 2
tarkentaa nämä palkit ja muodostaa polttopisteeseensä kaksi pistettä, jotka ovat etäisyyden päässä toisistaan
(13)
jossa 
- linssin polttoväli L 2
.
Koska kaappaus sama kuin kulma hyvin pieni, lähteiden välinen etäisyys voidaan kirjoittaa muodossa
(14)
Näistä lähteistä leviävät koherentit aallot ovat päällekkäin ja muodostuvat näytölle 
häiriökuvio, jonka jaksoa kuvataan lausekkeella (11)
(15)
(mikä seuraa kaavoista (12), (14) ja kuvasta 5) kirjoitettavalle ajanjaksolle
(16)
Täältä saamme laskentakaavan
(17)
Kaavaan (17) sisältyvät parametrit on esitetty yhteenvetona taulukossa.
SUORITUSMÄÄRÄYS
|
|
|
|
|
|
|||
, mTurvallisuuskysymykset
Mikä on aaltohäiriö?
Mitkä ovat ehdot häiriökuvion ilmestymiselle?
Mitkä ovat menetelmät koherenttien valoaaltojen saamiseksi.
Mitkä ovat olosuhteet häiriöiden maksimien ja minimien muodostumiselle?
Selitä, kuinka häiriökuvion jakso riippuu biprismin taitekulmasta ja valon aallonpituudesta.
Mikä on laserin tarkoitus tässä artikkelissa?
Piirrä optinen asennuskaavio ja selitä elementtien tarkoitus.
hakemus
Lasertoiminnan fyysiset perusteet
Tutkimalla kvantijärjestelmän (atomin tai molekyylin) tutkimis- ja imeytymismekanismia havaitsimme, että kun kvantisysteemi siirtyy energiatilasta toiseen, säteily tai osan absorptio 
sähkömagneettinen anergia (kuva 6).
Tässä tapauksessa puhuimme vain sellaisesta säteilymekanismista, jossa atomi menee alempaan energiatasoon spontaanisti (spontaanisti), ts. ilman ulkoista iskua (lämpö säteily, luminesenssi jne.). Tämä säteilymekanismi ei kuitenkaan ole ainoa mahdollinen.
A. Einstein totesi vuonna 1917, että kvanttijärjestelmä voi emittoida kvanttinergiaa (kun se menee pienemmän energian tilaan) ulkoisen sähkömagneettisen kentän vaikutuksesta. Tätä vaikutusta kutsutaan indusoiduksi (stimuloiduksi) säteilyksi. Se on päinvastainen kuin fotonien absorptioprosessi väliaineella (negatiivinen absorptiokerroin). Toisin sanoen kun erilainen ulkoinen fotoni, jonka energia on yhtä suuri kuin spontaanisti emittoidun fotonin energia, toimii viritetyssä atomissa, herätetty atomi menee alhaisemman energiatason yli ja emittoi fotonin, joka lisätään tapahtumaan liittyvään atomiin ("Kuva 6, b).
Indusoidulla sähkömagneettisella säteilyllä on huomattava ominaisuus, se on identtinen aineen ensisijaisen säteilyn kanssa, ts. osuu yhteen taajuuden, suunnan etenemisen ja polarisaation kanssa ja on koherentti koko aineen tilavuudessa. Spontaanin säteilyn tapauksessa fotoneilla on erilaiset vaiheet ja suunnat, ja niiden taajuudet ovat tietyllä arvoalueella.
Alustoilla, joissa indusoitu (stimuloitu) säteily on mahdollista, on negatiivinen absorptiokerroin, koska tällaisen väliaineen läpi kulkevaa säteilyvirtaa ei vaimenneta, vaan vahvistetaan. Nämä väliaineet eroavat tavallisista väliaineista siinä, että niissä on enemmän innostuneita atomeja kuin käyttämättömiä.
Normaaliolosuhteissa imeytyminen on aina etusijalla stimuloidun päästön suhteen. Tämä selitetään sillä, että yleensä käyttämättömien atomien lukumäärä on aina suurempi kuin virittyneiden atomien lukumäärä, ja todennäköisyydet siirtymiselle toiselle tai toiselle puolelle ulkoisten fotonien vaikutuksesta ovat samat ("katso kuva B, a).
Mahdollisuus luoda kvanttijärjestelmä, joka pystyy toimittamaan energiaa sähkömagneettiselle aallolle, perusti ensimmäisen kerran vuonna 1939 Neuvostoliiton fyysikko V. A. Fabrikant. Myöhemmin, vuonna 1955, Neuvostoliiton fyysikot N. G. Basov ja A. M. Prokhorov, ja heistä riippumattomasti, amerikkalaiset fyysikot L. Townes ja J. Gordon, kehittivät ensimmäistä kertaa kvanttilaitteita, jotka perustuvat indusoidun säteilyn käyttöön.
Indusoitua säteilyä käyttävät laitteet voivat toimia sekä vahvistusmoodissa että generointitilassa. Vastaavasti niitä kutsutaan kvanttivahvistimiksi tai kvanttigeneraattoreiksi. Niitä kutsutaan myös lyhenteinä lasereiksi (jos se on vahvistusta tai näkyvän valon tuottamista) ja masereiksi - kun vahvistetaan (tai tuotetaan) pidemmän aallon säteilyä (infrapunasäteitä, radioaaltoja).
Laserin pääosat ovat: aktiivinen väliaine, jossa tapahtuu stimuloitunutta säteilyä, tämän väliaineen hiukkasten virityslähde (”hehkuva”) ja laite, joka sallii fotonivyöryn vahvistumisen.
Nykyaikaisten kvanttivahvistimien ja generaattoreiden työelementtinä (aktiivisena väliaineena) käytetään erilaisia \u200b\u200baineita, useimmiten kiinteässä ja pi-kaasumaisessa tilassa.
Harkitse yhtä synteettisen rubiinin kvanttigeneraattorin tyypeistä (kuva 7). Työelementti on vaaleanpunaisen rubiinin (aktiivinen väliaine) sylinteri 2, joka kemiallisen koostumuksensa suhteen on alumiinioksidia 
-korundi, jossa alumiiniatomeja korvataan merkityksettömästi kromiatomeilla. Mitä suurempi kromipitoisuus, sitä kylläisempi on rubiinin punainen väri. Sen väritys johtuu alkuperästään siitä, että kromiatomeilla on selektiivinen valon absorptio spektrin vihreä-keltaisessa osassa. Tällöin säteilyä absorboivat kromiatomit menevät viritettyyn tilaan. Käänteiseen muutokseen liittyy fotonien emissio.
Sylinterin mitat voivat olla halkaisijaltaan noin 0,1 - 2 cm ja pituudet 2 - 23 cm. Sen litteät päätypinnat on kiillotettu huolellisesti ja yhdensuuntaisesti erittäin tarkkuudella. Ne päällystetään hopeapinnoitteella siten, että rubiinin toisesta päästä tulee täysin heijastava (peili), ja toisesta, säteilevästä, se on hopeoitu ei niin tiheästi ja on osittain heijastava (läpäisykyky on yleensä 10-25%).
Ruby-sylinteriä ympäröivät spiraalimaalaimen lamput 1, joka antaa pääasiassa vihreää ja sinistä säteilyä. Tämän säteilyn energian takia heräte tapahtuu. Vain kromi-ionit osallistuvat valontuotannon ilmiöön.
Kuvassa 1 Kuvio 8 on yksinkertaistettu kaavio stimuloidun säteilyn esiintymisestä rubiinissa. Kun rubiinikideä säteilytetään valolla (lampusta), jonka aallonpituus on 5600A (vihreä), kromi-ionit, jotka olivat aikaisemmin pohjatilassa energiatasolla 1, menevät ylemmälle energiatasolle 3, tarkemmin - kaistan 3 tasoille.
Jotkut näistä ioneista palautuvat lyhyen (mutta hyvin määritellyn) ajan sisällä säteilyn tasolle 1, toiset tasolle 2, jota kutsutaan metastabiiliksi ( R tason). Tämän siirtymävaiheen aikana ei tapahdu säteilyä: kromi-ionit antavat energiaa rubiinikidehilalle. Metastabiililla (keskitason) tasolla ionit sijaitsevat pidempään kuin ylemmässä, minkä seurauksena metastabiilin tason liiallinen populaatio (käänteinen populaatio) saavutetaan 1. Tätä kutsutaan optiseksi pumppaamiseksi.
Jos nyt ohjaamme säteilyä rubiiniin taajuudella, joka vastaa tasoa 2 tasolle 1 siirtymisen energiaa, ts.
,
sitten tämä säteily stimuloi ionit, jotka ovat tasolla 2, antamaan ylimääräisen energiansa 
ja siirry tasolle 1. Siirtymiseen liittyy saman taajuuden fotonien säteily
Siten alkusignaali vahvistetaan monta kertaa ja esiintyy kapean punaisen viivan lumivyväinen säteily
Fotonit, jotka liikkuvat ei-suuntaisesti kiteen pitkittäisakselin kanssa, poistuvat kidestä läpikuultavien sivuseinien läpi.
Tästä syystä lähtöpalkki muodostuu johtuen tosiasiasta, että fotonivuoat, joille on tehty useita heijastuksia rubiinisylinterin etu- ja takapeilipinnoista ja saavuttavat riittävän tehon, kulkevat sen päätypinnan läpi, jolla on jonkin verran läpinäkyvyyttä.
Palkin terävä suuntaus antaa sinun keskittää energia erittäin pienille alueille. Laserpulssienergia on luokkaa 1 J, ja pulssiaika on luokkaa 1 μs. Siksi pulssiteho on luokkaa 1000 wattia.
Jos tällainen säde on keskittynyt alueelle 100 μm, ominaisteho pulssin aikana on 10 9 W / cm. Tällä voimalla kaikki tulenkestävät materiaalit muuttuvat höyryksi. Voimakas ja erittäin kapea koherentin valonsäde on jo löytänyt sovelluksen tekniikkaan mikroneuvoja ja reikien tekemistä varten lääketieteessä - kirurgisena veitsenä silmäoperaatioissa (kuoritun verkkokalvon "hitsaus") jne.
KAASUNLASERIT
Vuotta sen jälkeen, kun amerikkalainen fyysikko T. Meiman loi rubiinilaserin vuonna I960, luotiin kaasulaser, jossa aktiivinen väliaine oli seosta heliumia ja neonkaasuja paineessa, joka oli useita satoja kertoja alle ilmakehän paineessa. Kaasuseos laitettiin lasi- tai kvartsiputkeen (kuva 9), jossa sähköpurkaus ylläpidettiin käyttämällä juotettuihin elektrodeihin E kohdistettua ulkoista jännitettä. sähkön virta kaasussa.
Häiriöiden olemassaololle. Vaikutus tässä on vektoreihin 1,2 (esimerkiksi sähkökentän voimakkuus sähkömagneettisessa aallossa) eivät olleet ortogonaalisia toisiinsa nähden. Maksimien ja minimien (ja vastaavat ruudun häiriöiden reunat) pinnat ovat paikallaan, jos vaihe-ero Δφ ja tiukasti sanottuna myös amplitudit 1,2 tuumaa (1) ovat vakioita ajan myötä. Esimerkiksi riippumattomien lähteiden tapauksessa pieni taajuuksien välinen hidastuminen ww \u003d w 2 -w 1 vastaa vaihe-eron monotonista lähtöä: Δφ \u003d Δwt, kun taas maksimien ja minimien koordinaatit liikkuvat avaruudessa, ja tietyssä pisteessä amplitudi kokee lyönnillä erotaajuus w: alkaen 1 + 2 - | 1 - 2 |. Samat lyönnit, mutta ajallisesti epäsäännölliset, johtuvat lähteiden vaiheiden epävakaudesta, jos vaihe-eron satunnaiset poikkeamat ovat luokkaa p tai suurempia. Kyky havaita häiriöitä. maksimit ja minimit riippuvat tässä tapauksessa valvontalaitteen hitausasteesta - mikä tahansa laite, tiukasti sanottuna, keskiarvoon tietyn ajan t 0. Jos t 0 on pieni verrattuna tuloksena olevan kentän lyönnien karakteristiseen jaksoon (”koheesioaika” t, joka on aaltospektrin käänteisleveyden luokkaa), niin häiriöiden vuoksi. jäsen (1): ssä, maksimit ja minimi kirjataan riippumattomien lähteiden tapauksessa. Kun suhde t 0 / t kasvaa, johtuen satunnaisista muutoksista cosAφ (t): ssä, häiriöt asteittain tasoittuvat (”hämärtyvät”). maksimi ja minimi, ja t 0 dt I. luvulla. ei havaittu - mitattu voimakkuus A 2 tuloksena oleva kenttä on yhtä suuri kuin komponenttiaaltojen intensiteettien summa. Esimerkiksi tyypillisissä radioaaltogeneraattoreissa paitsi olosuhde t 0