Лабораторная работа №21 определение характеристик




Скачать 160.59 Kb.
НазваниеЛабораторная работа №21 определение характеристик
Дата конвертации02.03.2013
Размер160.59 Kb.
ТипЛабораторная работа

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 21



ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ


Цели работы:

  1. Ознакомление со свойствами излучения и принципом действия оптических квантовых генераторов (лазеров) непрерывного действия. Ознакомление с возможностями использования лазеров в медицине.

  2. Определение длины волны гелий-неонового лазера с помощью дифракционной решетки. Вычисление ряда других характеристик излучения лазера.


1. Свойства лазерного излучения.


Лазер – прибор, преобразующий энергию электрического тока в энергию светового излучения. Тем же самым занимается и обычная электрическая лампочка. В обоих случаях конкретными излучателями являются атомы, переходящие в возбужденное состояние за счет электрического тока. На этом сходства заканчиваются и начинаются различия, главное из которых – в организации процессов излучения.

В случае тепловых источников излучения, к каковым относится и нить накаливания электрической лампочки, организация процессов излучения предельно проста: она попросту отсутствует. Царствуют случайность и закон больших чисел. Атомы раскаленной вольфрамовой нити излучают кто во что горазд, без всякой согласованности актов излучения во времени и пространстве. Характеристики излучения, как видимого, так и невидимого, находятся в соответствии с законами теплового излучения.

В условиях лазеров случайные события и случайные процессы также имеют громадное значение, но процессы накопления возбужденных атомов протекают целенаправленно, а акты излучения отдельных атомов имеют временную и пространственную согласованность. Результатом этой согласованности является наличие у лазерного излучения ряда особых свойств, ни одно из которых не характерно для излучения тепловых источников вообще и электрической лампочки в частности.

Во-первых, свет лазера монохроматичен, буквально – одноцветен. Таков он в нашем зрительном восприятии. Физическим содержанием этого свойства является постоянство длины волны лазерного излучения: λ = const. Следовательно, частота  электромагнитных колебаний в лазерном луче тоже постоянна:  = const. (Напомним связь этих двух характеристик света: ; , где с=3108 м/с - скорость света в вакууме).

Из постоянства частоты монохроматического лазерного луча следует, что этот луч можно рассматривать как поток квантов (фотонов), имеющих совершенно одинаковую энергию E = const, ведь она определяется частотой: E = h , где h = 6,62 . 10-34 Дж с – постоянная Планка.

Во-вторых, лазер – это источник когерентного излучения. Это означает, что все кванты излучения, покидающие лазер в любой момент времени, практически одинаковы не только по их энергии, но по фазе электромагнитных колебаний в них. Во всех таких квантах колебания идут совершенно синхронно: одновременны переходы через максимум, через нуль, через минимум и т.п., по всем характеристикам электромагнитных колебаний.

В-третьих, свет лазера имеет чрезвычайно малую расходимость, т.е. это поток параллельных световых лучей. Это означает, что кванты лазерного излучения имеют одинаковое направление распространения в пространстве.

В-четвертых, лазерное излучение является плоскополяризованным. Это означает, что во всех квантах лазерного излучения электрические векторы , характеризующие электромагнитные колебания, параллельны друг другу. Аналогично, параллельны друг другу и векторы магнитной индукции .

Обсудим еще одну характеристику лазерного излучения – его мощность. По определению, мощность , где ∆t – время, за которое излучается (поглощается) энергия ∆Е. Большой мощностью обладают лазеры импульсного действия, но это обычно достигается не за счет того, что велик числитель ∆Е, а за счет малости знаменателя ∆t отмеченной дроби.

Обсудим ситуацию с мощностью на числах. Пусть мы располагаем энергией ∆E = 1Дж. По бытовым меркам это не много: чтобы подогреть литр воды на 1 градус, нужны 4190 Дж. Если энергия ∆E = 1 Дж излучается в течение ∆t = 1с, то мощность излучения составляет 1 Дж/с = 1 Вт, что никак не поражает воображения. Но если этот джоуль излучается в импульсе рубинового лазера, то ∆t = 10-8с и достигается мощность N=1/10-8 = 108 Вт = 105 кВт! Сто тысяч киловатт – мощность громадная. Но Вы вправе подумать, что поскольку излучается пустяковая энергия ∆Е = 1Дж, то достигнутая гигантская мощность – страшилка типа бумажного тигра.

Убедимся, что большая мощность в импульсе – дело серьезное. Если импульсное лазерное излучение, для надежности еще и сфокусированное собирающей линзой, направить на преграду, то энергия световой вспышки достается весьма ограниченному числу частиц, и эта малая порция вещества будет не просто разрушена – она может вообще сгореть или испариться, даже если преграда изготовлена из сверхтвердого металла. Благодаря скоротечности процессов, смежные слои вещества не успеют даже подогреться, поскольку процессы теплопроводности, диффузии и т.п. просто не успевают возникнуть.

Аналогична ситуация со взрывчатыми веществами. Обычными тротиловыми шашками в стандартной расфасовке m = 200г, но без детонаторов можно в принципе топить печь как дровами среднего качества. Но тот же запас химической энергии шашки, высвобождаемый, благодаря детонатору, в импульсе, делает тротиловую шашку поистине страшной. Физическая картина взрыва совершенно иная, чем картина спокойного горения. В частности, возникает разрушительная ударная волна.

В настоящее время созданы лазеры, имеющие большую мощность не только за счет малых значений ∆t, но и за счет большого значения излучаемой энергии ∆Е. Сверхмощные лазеры импульсного и непрерывного действия представляют интерес для военных и для физиков, работающих в области освоения ядерного синтеза.

Возможности использования лазеров в медицине обсуждаются в разделе 3.

В данной лабораторной работе Вы будете иметь дело с лазером низкой мощности. Тем не менее, необходимо следовать «Методическим рекомендациям по гигиене труда при работе с лазерами», разработанным Минздравом РФ. Согласно этим рекомендациям, попадание прямого и зеркально отраженного лазерного излучения в глаза должно быть исключено.

2. Принцип работы гелий-неонового лазера

непрерывного действия


Излучение гелий-неонового лазера возникает за счет энергии электрического тока, пропускаемого через газовую смесь разрядной трубки. Для этого в стенку трубки вживлены два электрода. Электрический разряд в ней поддерживается от специального источника тока. Оптическая система лазера состоит из двух плоскопараллельных зеркал, одно из которых полупрозрачно и служит для вывода излучения из лазера. Как видим, нет ничего, поражающего воображения своей сложностью.

Рабочая смесь разрядной трубки – смесь гелия и неона. Их парциальные давления равны, соответственно, 1 и 0,1 мм ртутного столба; отсюда следует, что атомов гелия в этой смеси в 10 раз больше, чем атомов неона.

Общее низкое давление в разрядной трубке – необходимое условие возникновения тлеющего разряда. Между двумя электродами, впаянными в трубку, источник тока создает электрическое поле. В нем устанавливаются два встречных потока заряженных частиц – электронов и ионов. «Главный поставщик» электронов и ионов – разреженная газовая смесь, в которой свободные электроны, разгоняясь до высоких значений скорости и кинетической энергии, ионизируют нейтральные атомы.

В разрядной трубке устанавливается неоднородное электрическое поле. Его напряженность велика в области, примыкающей к катоду. Именно здесь электроны способны разгоняться до значений скорости, разрушительных для нейтральных атомов, что способствует поддержанию необходимых концентраций свободных зарядов обоего знака. На этой части трубки газ не светится. На остальной, большей части трубки электрическое поле значительно слабее, и электроны в нем разгоняются до значений скорости и энергии, достаточных лишь для возбуждения нейтральных атомов. Внешние электроны от атомов не отрываются, а лишь переходят на более удаленные орбиты. Последующий возврат возбужденных атомов в устойчивое состояние сопровождается сбросом лишней энергии в виде квантов светового излучения. Протекание тока на этом участке разрядной трубки сопровождается слабым свечением газа. Отсюда и общее название всего комплекса процессов – тлеющий разряд.

Уточнение: источник тока в гелий-неоновом лазере – это источник переменного тока, создающий высокочастотный тлеющий разряд. Оказалось, что в таком режиме рабочая смесь лазера поддерживается в более стабильном состоянии.

В гелий-неоновых лазерах реализуется трехуровневая схема энергетических преобразований. Поясним ее графически (см рис. 1)

За счет энергии электрического разряда происходит процесс, получивший название «накачка»: атомы Не и Nе переводятся с основного уровня энергии на более высокие. Напомним, что атомов гелия в десять раз больше.

Обычно время жизни атомов в возбужденном состоянии – порядка 1 = 10-8с. Особенность атомов гелия состоит в том, что они пребывают в возбужденном состоянии в 100 раз дольше – в течение 2 = 10-6с; это свойство называется метастабильностью.

Е





Е2 Возбужденный уровень атомов неона




Безизлучательный переход


Е3  Рабочий уровень

Излучение света


Накачка h = Е3 – Е1

Е1



Основной уровень

Рис.1

Какая-то часть возбужденных атомов будет возвращаться с уровня Е2 на основной уровень Е1, создавая слабое свечение тлеющего разряда. Но благодаря метастабильности, значительная доля возбужденных долгожителей – атомов гелия – передает свою энергию возбужденного состояния атомам неона. При хаотических соударениях атомов происходит вот что:

ВАГ + НАН → НАГ + ВАН,

т.е. в полном соответствии с законами сохранения энергии и импульса, возбужденный атом гелия (ВАГ) теряет энергию и становится невозбужденным (НАГ); невозбужденный атом неона (НАН) становится возбужденным атомом неона (ВАН), что представляет особую ценность для дальнейшего.

В рабочей смеси гелий-неонового лазера основное назначение атомов гелия – создавать повышенную концентрацию атомов неона на верхних энергетических уровнях. Источником лазерного излучения является неоновая компонента смеси.

Безизлучательный переход атомов неона с возбужденного уровня Е2 на рабочий уровень Е3 соответствует некоторому росту энергии хаотического теплового движения молекул рабочей смеси.

Мы подошли к самому главному. Достигнуто состояние рабочей смеси, при котором концентрация атомов неона, находящихся на рабочем уровне Е3, больше, чем на основном уровне Е1. (На схеме рис.1 на линию Е3 мы нанесли больше точек, чем на линию Е1). В обычных, нелазерных средах численность атомов, находящихся на нижних энергетических уровнях, всегда больше, чем на верхних. Необычное, можно даже сказать, неестественное состояние неоновой компоненты рабочей смеси лазера носит название инверсной заселенности энергетических уровней (inverse, англ. – обратный).

В лазерах различных типов можно найти много отличий в организации рабочих процессов. Но основные усилия разработчиков лазерной техники подчинены созданию инверсной населенности энергетических уровней в рабочей среде лазера.

Среда с инверсной населенностью энергетических уровней обладает необычными оптическими свойствами. Главное из них заключается в том, что при прохождении света через такую среду может происходить усиление светового потока вместо привычного ослабления.

Атомы неона, имеющие энергию Е3 рабочего уровня, не могут находиться на этом уровне вечно, несмотря на его метастабильность. От их появления на этом уровне до ухода с него пройдет не более 2 = 10-6с. Уход атома с уровня Е3 на основной уровень Е1 будет сопровождаться сбросом избыточной энергии одного из внешних электронов в виде кванта h с энергией

h = ∆E3-1 = E3 - E1

Эти события неизбежны, но могут проходить по двум вариантам.

  1. Самопроизвольный (спонтанный) уход, с излучением кванта h непредсказуемого направления, по принципу: отсидел свой срок и ушел.

  2. Вынужденный досрочный уход, спровоцированный тем, что на атом с избыточной энергией налетел квант h = Е31. При этом квант-провокатор сохраняется, а атом неона уходит с уровня Е3 на уровень Е1, излучив избыток энергии в виде вторичного кванта h = E3-E1, тождественного первичному по всем характеристикам: энергия, частота, фаза колебательных процессов. Параллельны друг другу электрические векторы, одинаково направление движения квантов в пространстве. Первичный и вторичный кванты неотличимы друг от друга как близнецы. Теперь каждый из этих двух квантов готов стать первичным, порождающим появление новых вторичных и т.д. Возникает лавинообразный процесс роста численности совершенно одинаковых квантов. Лавина будет нарастать до тех пор, пока не выйдет за границы среды с инверсной населенностью.

В объеме разрядной трубки лазера будут возникать фотонные лавины самых разнообразных направлений, но успешно развиваться смогут лишь те, которые вызваны первичным квантом, двигавшимся строго по оси трубки или весьма близким к этому. Остальные лавины, испытав два-три отражения, уйдут куда-нибудь в сторону, не внеся вклада в «готовую продукцию» – поток лазерного излучения, покидающий лазер через полупрозрачное зеркало.

Читая предыдущий абзац, можно почувствовать, что коэффициент полезного действия лазеров данного типа весьма невелик. Это действительно так. Значительно больше КПД у полупроводниковых лазеров.

Различные процессы, сопутствующие работе лазера, мы рассмотрели последовательно. В реальном приборе они сосуществуют, взаимно подстраиваясь друг под друга, находясь в динамическом равновесии.

Все замечательные свойства лазерного излучения, отмеченные в разделе 1, обусловлены тождественностью квантов в квантовых лавинах.


3. Примеры применения лазеров в медицине.


Импульсные лазеры уже достаточно давно применяются в хирургии. Лазерный луч высокой энергетической плотности используется в качестве скальпеля, рассекающего ткани без механического контакта. Рассекаются лишь ткани, лежащие в зоне фокусировки луча; более глубоко лежащие ткани не затрагиваются. При этом исключается опасность инфицирования ран, лазерный луч оказывает гемостатическое действие (разрезы бескровны). Диффузное лазерное излучение ускоряет заживление ран примерно в 2 раза.

Широко применяются лазерные установки в офтальмологической хирургии. Обеспечивается проведение многих видов операций без вскрытия глазного яблока и без анестезии. В точках фокусирования излучения за счет эффекта микровзрывов получают тончайшие перфорационные отверстия. Процедурой, напоминающей точечную сварку, удается закреплять отслоившуюся сетчатку.

Высокая плотность энергии импульсного лазера нашла своеобразное применение в установках для уничтожения камней в почках. Пациент помещается в ванну с водой, и в ней с помощью сфокусированного лазерного луча создаются ударные волны. Они проникают в тело пациента и избирательно разрушают камни. Камни превращаются в песок, и этот песок выводится из организма естественным путем, без операционного вмешательства. Камни разрушаются при попытках отражения ударной волны от их поверхности.

С помощью световода, введенного в сердце, выполняется пункция лазерным лучом при ишемической болезни сердца.


В приведенных примерах лазеры использовались как мощные источники световой энергии. Но такие «силовые приемы» далеко не исчерпывают их возможностей. Вот пример более тонкого подхода к их использованию. В онкологии нашла применение методика фоторадиационного воздействия на раковые клетки. Раковые клетки поглощают введенный в организм гематопорфирин. Последующие воздействия излучения аргонового лазера на опухоль приводит к фотохимической реакции с участием гематопорфирина и гибели раковых клеток. При этом нормальные клетки гематопорфирин не поглащают и остаются невредимы.

Из последнего примера следует, что возможности осмысленного, а не чисто эмпирического применения лазерного излучения в медицине будут определяться достигнутым уровнем изученности биофизических и биохимических процессов, возникающих под воздействием лазерного излучения в различных биологических структурах (в молекулах, клетках, органах). Самое интересное – еще впереди.

Если же действие лазерного излучения недостаточно изучено, а потому не прогнозируемо, то к нему следует относиться с разумной осторожностью.


4. Дифракция света на дифракционной решетке.


Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку, на которую нанесены тонкие равноотстоящие параллельные штрихи. Интервал d между штрихами называется постоянной решетки. У хороших дифракционных решеток число штрихов на 1 мм достигает 2000 (соответственно d = 1/2000 мм).

Напомним, что дифракция света – это огибание световыми волнами препятствий. Чем меньше размеры препятствия, в сравнении с длиной волны, тем ощутимее это явление. Именно дифракция света устанавливает предел достижимому увеличению оптических микроскопов. Например, оптический микроскоп с увеличением к = 2000 создать еще можно, а с увеличением к = 5000 – уже не создать.

Если бы явление дифракции света было природе не свойственно, то на экране рис. 2 мы увидели бы четкую геометрическую тень штрихов дифракционной решетки.

Однако дифракция света – реальность, и в пространстве под решеткой распространяются лучи самых разнообразных направлений; на схеме рис. 2 показаны лишь два из них, отклонившиеся на угол α.


Рис. 2


Каждый штрих, будучи непрозрачным, является причиной дифракции света. Лучи, отклонившиеся от соседних штрихов на одинаковые углы α, интерферируют. Результат интерференции (взаимное усиление или ослабление) зависит от того, какова разность фаз интерферирующих лучей. Если разность ∆φ = 0; 2π; 4π, то будет иметь место взаимное усиление, дающее интерференционный максимум. А чтобы разность фаз ∆φ принимала указанные значения, необходимо, чтобы в отрезок h = dsinα (см. рис. 2) укладывалось целое число длин волн излучения: dsinα = λk, где k = 0, 1, 2,... Из схемы рис. 2 видно, что , как отношение противолежащего углу отрезка хk к гипотенузе . Здесь H – расстояние от дифракционной решетки до экрана; хk – расстояние от центрального максимума, которому соответствует k = 0, до максимума более высокого порядка (k = 1, 2,...).


Координаты точек, в которых на экране видны интерференционные максимумы, определяются формулой:

d sin = d = k (1)

k = 0,1,2,…


Примечания:

1. На схеме рис. 2 показаны два луча, отклонившихся при дифракции в направлении α. На нашей схеме они попадают в существенно различные точки экрана, и возможность их интерференции при взаимном наложении выглядит сомнительной. Таким параллельным лучам можно бы помочь встретиться с помощью собирающей линзы, и часто в подобных опытах с дифракционной решеткой линза используется. Но в нашем случае луч лазера очень узкий, одинаково отклоненные лучи весьма близки друг к другу и интерферируют без помощи собирающей линзы.

2. По разному отклоненные при дифракции лучи интерферируют не на экране, а во всем пространстве под решеткой. Экран лишь дает возможность убедиться, что в лучах, попадающих в точку с координатой хk, идет повсеместное взаимное усиление. Попробуйте представить себе, что мы увидели бы, если бы вместо экрана под решеткой был задымленный воздух.


4. Порядок выполнения работы.


Лабораторная установка состоит из гелий-неонового лазера, закрепленного на вертикальной стойке, его блока питания и экрана с закрепленным на нем координатным устройством. Дифракционную решетку следует получить у лаборанта и поместить на горизонтальную площадку под лазером.

Включите блок питания лазера. Расположите дифракционную решетку так, чтобы цепочка интерференционных максимумов была параллельна линейке координатного устройства. Самый яркий максимум – нулевого порядка. От него справа и слева симметрично располагаются, убывая по интенсивности, максимумы первого, второго и т.д. порядков.

Координаты максимумов определяются с помощью координатного устройства. Риска подвижной части этого устройства подводится под центр светового пятна, а его координата считывается с помощью двух шкал: длинной основной шкалы (она закреплена неподвижно) и короткой шкалы, закрепленной на подвижной части. Короткая шкала называется нониусом, в честь Нониуса, предложившего данный способ повышения точности отсчетов. Целое число миллиметров отсчитывается по основной шкале с помощью левой риски малой шкалы. Число дробных долей миллиметра отсчитывается на малой шкале, и соответствует той ее риске, которая лучше всего совпадает с каким-нибудь миллиметровым штрихом основной шкалы. Цена деления нониусной шкалы в данном случае равна 0.1 мм.

Произведите отсчеты координат максимумов порядка k = 0, 1, 2, 3 с точностью до 0.1 мм. Результаты занесите в таблицу:



Порядок максимума, k

Отсчет по коорд. устройству, мм

Координата

xk мм

, нм



()2

1

2

3

4

5

6

k = 0

k = 1

k = 2

k = 3

l0 =

l1 =

l2 =

l3 =

x0 = 0

x1 = l1 – l0 =

x2 = l2 – l0 =

x3 = l3 – l0 =

























В качестве рабочей формулы возьмите алгебраическое следствие уравнения (1) – его решение относительно неизвестной – длины волны:

; k = 1, 2, 3. (2)

Значение постоянной решетки d Вам сообщит лаборант. Расстояние Н от решетки до экрана (точнее – от решетки до рабочей поверхности координатного устройства) указано на экране.

Значения длины волны λ, подсчитанные по (2) для различных k и xk, запишите в столбец 4, предварительно переведя из миллиметров в нанометры (1 м = 103 мм = 109 нм). Рекомендуемая точность при вычислениях длины волны – четыре значащих цифры.

Рассматривая данные столбца 4 как выборку объемом n = 3, определите средневыборочное значение и найдите границы доверительного интервала для истинного значения длины волны лазера. Для этого предварительно заполните столбцы 5 и 6 таблицы.

Дисперсия выборки:

Среднеквадратичное отклонение: =

Ширина доверительного интервала:

где t,n – коэффициент Стьюдента, значение которого для уровня значимости α = 0,05 при выборке объемом n = 3: t = 4,3.

Запишите доверительный интервал для длины волны в виде

λ =  λ (нм)

Вычислите следующие характеристики кванта излучения:

а) энергия кванта:

б) частота излучения:

в) масса кванта:

В этих формулах h = 6,6210-34 Джс – постоянная Планка; с = 3108 м/с – скорость света в вакууме. При этих вычислениях  должна иметь размеренность основной единицы длины – метра.


Контрольные вопросы.



  1. Свойства лазерного излучения.

  2. Принцип работы гелий-неонового лазера.

  3. Применение лазеров в медицине.

  4. Дифракция света на дифракционной решетке.

  5. Инверсная заселенность энергетических уровней.

  6. Назначение системы зеркал в лазере.

  7. Возникновение и развитие фотонных лавин в лазере.

Автор - Сидоров В.П.

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Лабораторная работа №21 определение характеристик iconЛабораторная работа №13 определение основных характеристик
Цель работы – определение периода, числа штрихов на 1 мм, угловой дисперсии и разрешающей способности дифракционной решетки

Лабораторная работа №21 определение характеристик iconЛабораторная работа 05
Цель работы: Снятие характеристик самостоятельного электрического разряда в неоновой лампе и определение времени релаксации

Лабораторная работа №21 определение характеристик iconЛабораторная работа №7 Исследование характеристик полупроводниковых диодов
Цель работы  экспериментальное определение вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов и стабилитронов, а также исследование...

Лабораторная работа №21 определение характеристик iconЛабораторная работа №2 "Измерение относительной влажности воздуха с помощью термометра" Лабораторная работа №3 "Сборка электрической цепи и измерение силы тока в ее различных участках"!
Лабораторная работа №7" Определение выталкивающей силы, действующее на погруженное в жидкость тело"

Лабораторная работа №21 определение характеристик iconЛабораторная работа «малые телескопы и определение их характеристик»
Цель работы: Изучение устройства малых телескопов и их характе­ристик. Подготовка телескопов к наблюдениями

Лабораторная работа №21 определение характеристик iconЛабораторная работа №4 Измерение характеристик и определение параметров транзистора по схеме с общей базой
Цель работы состоит в определении входных и выходных характеристик транзистора по схеме с общей базой и вычислении на этой основе...

Лабораторная работа №21 определение характеристик iconЛабораторная работа №44 изучение полупроводникового триода
Ознакомление с устройством и работой полупроводникового триода, снятие входной и выходной характеристик, определение коэффициента...

Лабораторная работа №21 определение характеристик iconЛабораторная работа э 12 изучение электромагнитных
Цель работы: наблюдение электромагнитных затухающих колебаний на осциллографе, определение основных характеристик таких колебаний,...

Лабораторная работа №21 определение характеристик iconЛабораторная работа №3 определение электроемкости конденсатора
Определение электрической емкости плоского конденсатора с помощью мостовой схемы. Определение относительной диэлектрической проницаемости...

Лабораторная работа №21 определение характеристик iconПрограмма собеседования по направлению «Автоматизация и управление»
Управляемость и наблюдаемость. Определение характеристик объектов управления методами активного эксперимента. Методы определения...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница