Лабораторная работа определение длины волны излучения гелий-неонового лазера методом дифракции

Цель работы: изучение явлений дифракции и индуцированного излучения, а также устройства и принципа действия оптических квантовых генераторов (лазеров).

Для реализации поставленной цели необходимо:

а) Изучить литературу[1] по теме работы, раздел «Дифракция света», «Лазеры».

б) Ответить на следующие вопросы:

1. В чём состоит явление дифракции? Приведите примеры проявления этого явления в естественных условиях.

2. Как сказывается дифракция на работе оптических приборов (микроскопа, фотоаппарата и т.п.)?

3. Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля и объясните (качественно) на основе этого принципа явление дифракции.

4. Опишите дифракционную картину, наблюдаемую от одной щели, отверстия, дифракционной решётки.

5. Опишите схему эксперимента по определению длины волны лазерного излучения.

6. Запишите условие максимумов, минимумов и дополнительных минимумов при дифракции на дифракционной решетке.

7. Сформулируйте и объясните критерий Рэлея для разрешающей способности оптических приборов.

8. Что является источником света? Что происходит при поглощении и при излучении света?

9. Кто и когда выдвинул идею индуцированного излучения?

10. Каково основное условие получения индуцированного излучения?

11. Какая основная особенность индуцированного излучения?

12. Кто и когда предложил конструкцию оптического квантового генератора (ОКГ)? Перечислите основные элементы ОКГ.

13. Кем и когда был создан первый ОКГ? Какой свет (какой частоты или длины волны) генерировал этот ОКГ?

14. Кто и когда создал первый ОКГ видимого диапазона (рубиновый ОКГ)?

15. Что обозначает слово "ЛАЗЕР"?

16. Перечислите особенности лазерного излучения.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

A) Дифракция

Рис. 1 Огибание светом препятствия

Дифракцией называют явление огибания волнами препятствий или рассеяние волн на препятствиях с размерами порядка длины волны . Вследствие дифракции волны могут попадать в область геометрической тени (огибать препятствия), проникать через небольшие отверстия в экранах и т.д.(Рис. 1). Например, звук хорошо слышен за углом дома, т.е. звуковая волна его огибает. Явление дифракции характерно и для света, как объекта, имеющего волновую природу. Например, светлое пятно, полученное при освещении экрана через отверстие, не имеет резкой тени. Это особенно заметно при (гдеd-размер отверстия), когда светлое пятно на экране представляется состоящим из чередующихся светлых и тёмных колец. При использовании белого света дифракционная картина приобретает радужную окраску. Отметим, что сравнимость размера преграды с длиной волны света не является необходимым условием для наблюдения дифракции.

Дифракционные картины можно наблюдать и в естественных условиях. Так, например: 1) цветные кольца, окружающие источник света, наблюдаемый сквозь туман или запотевшее стекло, обусловлены дифракцией света на мелких водяных каплях; 2) радужный ореол Солнца в морозный день - из-за дифракции света на мелких кристалликах льда; 3) радужные ореолы светящихся предметов при глазных заболеваниях - из-за помутнения прозрачного тела глаза и дифракции света на образовавшихся в этом теле мелких неоднородностях.

Рис. 2. Метод зон Френеля.

Метод зон Френеля. Рассмотрим более детально процесс дифракции света на щели (входном отверстии или диафрагме оптического прибора, глаза) (Рис. 2). Пусть плоская монохроматическая волна падает на щель размером d. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, каждая точка волнового фронта на входном отверстии является источником вторичных сферических волн, лучи которых расходятся по всем направлениям в полусфере за экраном. Для любой пары симметричных лучей, падающих на экран в точке его пересечения с осью симметрии отверстия, оптическая разность хода равна нулю. Поэтому в точкеО происходит усиление освещённости – светлая полоса с интенсивностью Io.

Выберем такое направление , для которого разность хода между крайними лучами в дифрагировавшем пучке Тогда, весь этот пучок можно разделить на две равные зоныI и II, называемые зонами Френеля, для которых разность хода между каждым лучом зоны I и соответствующим ему лучом зоны II равна (т.е. колебания вектора напряжённости электрического поля в обоих лучах происходит в противофазе). Поэтому все лучи обеих зон в точке O1 попарно погасятся, – образуется тёмная полоса.

Рис.3. Распределение интенсивности при дифракции на одной щели.

Рассмотрим пучок, дифрагирующий под углом , для которого разность хода между крайними лучами равна . Тогда весь волновой фронт этого пучка можно разделить на три зоны Френеля. Соответствующие лучи от двух соседних зон, имеющих оптическую разность хода равную , взаимно попарно погасятся и в результате точка О2 окажется освещена лучами только III зоны. Причём, интенсивность света в точке О2 составляет только от интенсивности света в точке О.

Лучи, приходящие в точку О3 экрана, дифрагируют из щели под углом , причём разность хода между крайними лучами в таком пучке составляет 2. Поэтому весь волновой фронт пучка можно разбить на 4 зоны Френеля. Соответствующие лучи зон I и II, III и IV, имея оптическую разность хода, равную , попарно взаимно погасятся, и в точке О3 получим нулевую освещённость.

Для лучей, дифрагирующих под углом 4, оптическая разность хода между крайними лучами составит , поэтому весь световой пучок можно разбить на 5 зон Френеля. Лучи от первых четырёх зон взаимно погасятся и точка О4 будет освещена только лучами Vзоны с интенсивностью .

Экстраполируя аналогичные рассуждения на другие направления дифракции, можно утверждать, что пучки лучей, дифрагирующих под углами, соответствующими нечётному числу зон Френеля, создают на экране дифракционные максимумы, а пучки лучей, дифрагирующих под углами, соответствующими чётному числу зон Френеля, создают дифракционные минимумы. Причём, освещённость максимумов уменьшается при увеличении угла дифракции лучей (Рис. 3).

Получим формулы для расчёта углов , соответствующих светлым и тёмным полосам на экране (окружающая среда - воздух): светлым полосам соответствует