Запрещается направлять лазерный луч в лицо человеку, заглядывать в выходное зеркало, трогать винты на оправах зеркал!

Упражнение 1. Оценка угла расходимости лазерного пучка.

Установить на оптическую скамью экран с миллиметровой сеткой. Для двух положений экрана 1 на скамье измерить диаметры d ₁ и d ₂ пучка (рисунок 5.6), для чего на экране карандашом обвести наиболее яркую часть пятна, создаваемого лучом лазера (исключая более слабый ореол, окаймляющий пятно).

 

Угол расходимости рассчитать по формуле

 

,

 

где – расстояние между двумя положениями экрана (не менее 0,5 м);

– изменение диаметра пучка.

Зарисовать схему опыта, сделать вывод о высокой направленности (малой расходимости) лазерного пучка.

 

Упражнение 2. Сравнение монохроматичности люминесцентного излучения газового разряда и выходного излучения лазера.

Зарисовать схему опыта (рисунок 5.7). Установить на оптической скамье в нескольких (3-4) сантиметрах перед выходным зеркалом лазера 1 дифракционную решетку 2 с собирающей линзой 3, а за ней – экран 4 белой стороной к лазеру. Эта система позволяет наблюдать на экране спектр падающего на решетку излучения.

Не сдвигая дифракционную решетку, повернуть лазер к оптической скамье боком с отверстием 5 для выхода люминесцентного излучения газового разряда и, перемещая по скамье экран, получить на экране четкое изображение шнура газового разряда. Над и под изображением шнура должны наблюдаться разноцветные полоски - спектры излучения разряда. Для улучшения видимости спектров желательно выключить свет и задернуть шторы. Затем, не сдвигая дифракционную решетку и экран (их положение должно оставаться неизменным и при выполнении упражнения 3), направить лазер вдоль скамьи и получить на экране спектр выходного излучения лазера. Сравнить эти спектры и сделать вывод о монохроматичности исследованных излучений.

Упражнение 3. Оценка длины волны лазерного излучения

Повернуть экран стороной с миллиметровой сеткой к лазеру. Наблюдая на экране, как в упражнении 2, спектр выходного лазерного излучения, измерить расстояние от нулевого до первого дифракционного максимума и расстояние от дифракционной решетки до экрана. Оценить длину волны лазерного излучения по формуле

 

,

 

где d = 10 мкм – период решетки.

 

Упражнение 4. Анализ временнóй когерентности лазерного излучения

Поместить на скамью вплотную друг к другу три штатива (рисунок 5.8). В ближайшем к лазеру 1 штативе установить перпендикулярно лучу лазера экран 2 (белой стороной – от лазера) с отверстием так, чтобы луч проходил сквозь отверстие. В самом дальнем от лазера штативе установить толстую стеклянную пластинку 4 с плоскопараллельными гранями перпендикулярно лучу так, чтобы отраженные от ее передней и задней поверхностей световые пучки падали на обратную сторону экрана как можно ближе к отверстию. Эти пучки, накладываясь, дают на обратной стороне экрана интерференционную картину. Для увеличения размеров этой картины поместить в штатив между экраном и отражающей стеклянной пластинкой пластиной рассеивающую линзу 3. Получить на обратной стороне экрана интерференционную картину в виде чередующихся темных и светлых колец.

Зная толщину отражающей стеклянной пластины d и показатель преломления n стекла (они указаны на стенде), оценить оптическую разность хода интерферирующих лучей по формуле

 

.

 

Зарисовать схему опыта. Сделать вывод о временнóй когерентности лазерного излучения.

 

Упражнение 5 (выполняется по указанию преподавателя). Анализ поляризации выходного излучения лазера

Свет есть поперечная электромагнитная волна, в которой вектор напряженности электрического поля колеблется в плоскости, перпендикулярной направлению распространения луча. Если направление колебаний напряженности электрического поля хаотически изменяется, оставаясь в плоскости, перпендикулярной лучу, то свет называется естественным. Такой свет вырабатывают обычные тепловые и люминесцентные источники. Поляризованным называется световое излучение, в котором направление колебаний вектора упорядочено. В частности, линейно поляризованным называется свет, для которого направление колебаний напряженности электрического поля постоянно.

Схема опыта показана на рисунке 5.9. Поместить на пути луча поляризатор 1, пропускающий только свет с определенным направлением колебаний электрического поля, а за ним – экран 2. Вращая поляризатор вокруг оси, совпадающей с лучом лазера, наблюдать на экране изменение интенсивности прошедшего сквозь поляризатор света. Определить угол, на который необходимо повернуть поляризатор, чтобы интенсивность прошедшего пучка изменилась от максимума до минимума. Зарисовать схему опыта. Сделать вывод о характере поляризации лазерного излучения.

Контрольные вопросы

1. Что такое монохроматичность и когерентность излучения?

2. Спонтанные и вынужденные переходы в квантовых системах.

3. Что такое инверсная населенность? Способы ее получения.

4. Принцип действия, устройство лазеров и их отличие от обычных источников излучения.

5. Основные типы лазеров, их характеристики и области применения.

 

Список рекомендуемой литературы

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов. - 11-е изд., стер. / Т.И. Трофимова. - М.: Изд. центр «Академия», 2006. - §§ 232, 233.

2. Детлаф, А.А. Курс физики: учеб. пособие для студ. втузов. - 6-е изд., стер. / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Изд. центр «Академия», 2007. - §§ 40.1, 40.2.

3. Евтюхов, К.Н. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов экономических и гуманитарных специальностей очной и заочной форм обучения / Евтюхов К.Н. – Брянск: БГИТА, 2011. - §§ 9.1-9.3.