Л_Р Физика атомов и молекул_43_44_46_52. Учебное пособие по выполнению лабораторных работ по физике (модуль 6 Атомная физика) для студентов инженернотехнических направлений подготовки

• Название: Учебное пособие по выполнению лабораторных работ по физике (модуль 6 Атомная физика) для студентов инженернотехнических направлений подготовки
• Дата: 08.12.2022
• Размер: 2.11 Mb.
• Имя файла: Л_Р Физика атомов и молекул_43_44_46_52.doc
• Тип: Учебное пособие; #834658
• страница: 5 из 6

Типы лазеров

Тип лазера определяется тем, какое активное вещество используется для получения генерации излучения. Существуют твердотельные, полупроводниковые, жидкостные, газовые и молекулярные лазеры.

Наиболее распространенными из твердотельных лазеров являются рубиновые и лазеры на иттрий–алюминиевом гранате с неодимом. Твердотельные лазеры чаще используются в импульсном режиме, чем в режиме непрерывного действия. Такие лазеры работают с оптической накачкой, что уменьшает их КПД.

КПД лазера. Не вся энергия накачки используется эффективно. Часть ее теряется на спонтанное излучение, безизлучательные переходы, а также на различного рода утечки и охлаждение. Отношение энергии когерентного излучения во внешнюю среду к затраченной энергии накачки есть коэффициент полезного действия лазера.

В полупроводниковых лазерах в качестве активных материалов используется целый ряд полупроводниковых соединений: арсенид галлия, фосфид–арсенид галлия и др. Излучение полупроводниковых лазеров лежит в видимой и инфракрасной области.

Среди газовых лазеров наиболее распространенным стал лазер на смеси гелия и неона. Часто активными средами служат аргон, криптон, углекислый газ и др. Диапазон излучения газовых лазеров от миллиметровых волн до ультрафиолетовой части спектра. В области видимого света наиболее мощный лазер – аргоновый.

Особое место занимают лазеры на колебательно-вращательных переходах молекул, т. е. молекулярные лазеры. Они работают в инфракрасном диапазоне. Наиболее известен лазер на CO . КПД его доходит до 30% и превосходит КПД всех лазеров, работающих при комнатной температуре. Эти лазеры отличаются рекордно высокой мощностью излучения. Мощность лазерного излучения достигает нескольких киловатт в непрерывном режиме и миллионы киловатт - в импульсном. Лазеры на CO дают излучение с длиной волны 10,6 мм и 9,6 мм.

Гелий-неоновый лазер. Одним из наиболее распространенных газовых лазеров является лазер, работающий на смеси гелия и неона. В газоразрядной трубке Т устанавливается давление гелия примерно 1 мм рт. ст., неона - примерно 0,1 мм рт. ст. Схема устройства приведена на рис. 46.2.

Рабочим веществом, в котором создают инверсию населенностей, является неон. Накачка осуществляется за счет тлеющего разряда. Под действием электрического поля часть атомов гелия и неона ионизируется. Образуются положительные ионы и свободные электроны. Разогнанные высоким напряжением, электроны возбуждают часть атомов. (В лабораторных лазерах напряжение между анодом (А) и катодом (К) составляет десятки киловольт). Атомы гелия переходят из основного состояния в метастабильное состояние ³S₁ или ¹S₀ (на рис. 46.3 приведена схема уровней энергии атомов He и Ne).

Энергия возбуждённых уровней гелия S и неона 3s почти одинаковы, то же относится к уровням ³S и 2s. Это приводит к тому, что при столкновении возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит передача энергии, и атомы неона переходят в состояния 2s и 3s (см. приложение).

Населенности уровней 2s и 3s по сравнению с 2р и 3р возрастают. Инверсия населенности приводит к возможности лазерных переходов.





Из-за большого числа подуровней разрешенных переходов может быть около 30. Наиболее интенсивные линии излучения соответствуют переходам:

2s₂ → 2p , λ = 1,15 мкм

3s → 3p , λ = 0,63 мкм

3s → 2p , λ = 3,39 мкм

На практике часто возбуждают переход 3s →3p , хотя он и менее интенсивный, но излучение, соответствующее этому переходу, лежит в видимом диапазоне.

С уровней 2p и 3р атомы неона спонтанно переходят на метастабильный уровень 1s. Уменьшение населенности на этом уровне можно создать путем увеличения числа столкновений с другими атомами или со стенками трубки. С этой целью диаметр трубки выбирается до 2 см при длине трубки 100 см.

Приложение

Основное состояние атома обозначается в виде терма

^(2S+1)А_I

(предполагается, что в основном состоянии преобладает межэлектронное взаимодействие), где S – суммарный спиновый момент всех электронов данного атома; I - суммарный общий момент; I = L + S; L – суммарный орбитальный момент электронов; А – символ состояния атома: состояние с L = 0 обозначается буквой S; с L = 1 – буквой Р, с L = 2 – D и так далее.

Электронная конфигурация (запись последовательного заполнения электронных оболочек у данного атома) для гелия 1s².

Полностью заполненная оболочка 1s, это означает, что L = 0, S = 0, а тогда 2S + 1 = 1, I = 0. Если это s оболочка, то А = S. Итак, для атома гелия основное состояние ¹S₀.

Рассмотрим возбуждённое состояние гелия, соответствующее переходу одного электрона с оболочки 1s на оболочку 2s. В этом случае возможны два варианта взаимного расположения спина электрона на 1s и 2s орбитах. Параллельные спины будут соответствовать полному спину S = 1, антипараллельные – S = 0.

Соответственно нижними возбуждёнными термами атома гелия являются ³S₁ и ¹S₀ (во избежание путаницы основное состояние обозначают 1¹S₀, а возбуждённые – 2³S₁ и 2¹S₀).

Электронная конфигурация для основного состояния неона 1s²2s²2p⁶. Терм основного состояния ¹S₀ (оболочка р заполнена полностью и L = 0,

S = 0).

Электронная конфигурация соответствующая возбуждённому состоянию при переводе одного из электронов на более высокие s и p оболочки, будет 1s²2s²2p⁵(2+i)s или 1s²2s²2p⁵(2+i)sр, где I = 1,2,3,4… Для нижних возбуждённых состояний в тексте используются обозначения Пашена как наиболее распространённые именно для неона. Состояние, соответствующее 1s²2s²2p⁵(2+1)s, обозначаются как 1s, а 1s²2s²2p⁵(2+2)s как 2s и т. д., аналогично вводятся 1р, 2р, 3р и т.д. Можно показать, что все s состояния имеют по четыре подуровня, а р – по десять подуровней.

ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Порядок включения лазера

Излучатель лазера должен быть подключён к соединителю ХТ источника питания. Гайка высоковольтного разъёма излучателя должна быть закручена до упора.

1. Установите тумблер ВКЛ источника питания в выключенное положение.

2. Подключите к питающей сети 220В, 50Гц сетевую вилку источника питания.

3. Включите тумблер ВКЛ, на передней панели источника питания загорится индикация СЕТЬ. Через время не менее 10с после включения тумблера ВКЛ нажмите кнопку ЗАПУСК, после чего на передней панели источника питания загорится индикация ИЗЛУЧЕНИЕ.

Экспериментальная установка (рисунок 46.4) состоит из лазера и блока питания к нему, экрана, находящегося на оптической скамье, дифракционной решетки, анализатора и люксметра. В данной работе используется гелий неоновый лазер типа ЛГН-109




1 – Экран, 2 - Дифракционная решётка, 3. – Лазерная трубка, 4. – Блок питания лазера.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Оценка длины волны излучения гелий-неонового лазера с помощью дифракционной решетки.

Напоминаем условие возникновения главных максимумов при дифракции параллельных лучей на решётке:

d sinφ = kλ, , (46.1)

гдеd - постоянная решётки, φ – угол дифракции, k – порядок максимума,

λ – длина волны лазерного излучения. Включают лазер.

1. Располагают на оптической скамье дифракционную решетку между экраном и выходным окном лазера. На экране закрепляют полоску бумаги. Дифракционную решетку устанавливают на таком расстоянии от экрана, чтобы на бумажную ленту входили по 5 дифракционных максимумов справа и слева от максимума нулевого порядка (рис. 46.5). Получив на экране дифракционную картину в виде пятен, аккуратно обводят их контуры, отмечают положение максимума нулевого порядка. Полоску бумаги снимают с экрана.

2. Измеряют расстояние L от дифракционной решётки до экрана с точностью до 1 мм. Результаты измерений записывают в таблицу 46.1.

L= мм, d= мм Таблица 46.1.

Расстояние х мм от максимума 0 порядка до максимумов разных порядков
	1	2	3	4	5
Вправо от 0 макс.
Влево от 0 макс.
Среднее
tg φ =
φ
sin φ
λ, нм

Длину волны лазерного излучения λ определяют по формуле (46.1).
Задание 2. Оценка степени поляризации лазерного луча.

Если пропустить частично поляризованный свет через анализатор, то при вращении анализатора вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от I_мин до I_макс. Степенью поляризации называют выражение:

.

В качестве анализатора используется поляроид; приёмником излучения служит селеновый фотоэлемент с вентильным фотоэффектом; этот фотоэлемент является датчиком люксметра. Учитывая, что освещённость Е пропорциональна интенсивности света I, а также пренебрегая фоновой освещённостью, получим формулу

(46.2)

Вместо дифракционной решётки на оптической скамье помещают поляроид во вращающейся оправе. Фотоэлемент люксметра держат рукой, упираясь ею в экран. Фотоэлемент располагают так, чтобы лазерный луч падал на него. Вращая поляроид вокруг направления лазерного луча. Измеряют Е_мин и Е_макс – минимальную и максимальную освещённость, создаваемую лазерным лучом на фотоэлементе люксметра. По формуле (46.2) оценивают степень поляризации лазерного излучения.

Задание 3. Оценка угла расхождения лазерного луча.

Свет, выходящий из излучающего окна лазера, имеет естественную коллимацию, т.е. лазерный луч состоит практически из параллельных лучей. Небольшое расхождение лазерного пучка определяется несколькими причинами: дифракцией, несовершенством оптического резонатора и др.

Угол расхождения лазерного пучка θ можно найти следующим образом (рис. 46.6).

1
– окно лазера, 2 – экран.
Согласно рисунку 46.6 ,

где , L_i – расстояние от излучающего окна лазера до экрана. Отсюда (46.3)

Для малых углов можно принять

Порядок выполнения задания:

1. 
   Накладывают бумагу на излучающее окно лазера, и аккуратно обводят наблюдаемое красное пятно D₀ .
   
2. 
   Располагают экран на определённых расстояниях L_i от излучающего окна лазера, и каждый раз тщательно обводят наблюдаемое на экране красное пятно D_i .
   
3. 
   Лист снимают с экрана и измеряют диаметры пятен D₀ и D_i в различных направлениях. Этот лист также прилагают к отчёту. Результаты измерений записывают в таблицу 46.2.
   

Таблица 46.2

Li , мм	0
Di , мм

4. 
   По формуле (46.3) оценивают .
   

Задание 4. Изучение спектра гелий-неонового лазера. Сравнение спектров спонтанного и вынужденного излучения.

Это задание состоит из двух частей: А и Б.

А. Наблюдение спектра гелий-неоновой смеси. Измерение длин волн ₁, ₂ и ₃ , принадлежащих неону, и ₄, ₅ и ₆, принадлежащих гелию.

Б. Измерение длины волны - основной линии изучения лазера.

Н
аблюдение спектров и измерение длин волн спектральных линий выполняется на спектрометре УМ-2, к которому прилагается градуировочный график . На рисунке 46.7 цифрами обозначены: 1 – лазер, 2 –анализатор, 3 – неоновая лампа, 4 – призма сравнения, 5 - штифт призмы сравнения, 6 - входная щель спектрометра, 7 - объектив коллиматора, 8 - система призм, установленная на столике с поворотным устройством. Столик вращается вокруг вертикальной оси при помощи микрометрического винта с отсчётным барабаном (9). На барабане находится спиральная канавка с делениями от 0⁰ до 3500⁰. Цена деления 2⁰. При вращении барабана столик с призмами поворачивается, и в поле зрения появляются различные спектральные линии. Зрительная труба состоит из объектива и окуляра (10). Треугольный указатель освещается лампочкой.

На входную щель спектрометра направляется свет, излучаемый боковой поверхностью лазерной трубки (рис. 46.7). Для одновременного наблюдения спектров неона и гелий-неоновой смеси используют призму сравнения 4, которая помещается перед входной щелью спектрометра, и перекрывает верхнюю или нижнюю часть поля зрения. При желании призму сравнения можно совсем удалить из поля зрения с помощью штифта 5. Неоновая лампа 3 помещена сбоку от призмы сравнения.

Рекомендуется выполнять часть задания «А» в следующем порядке:

1) снимают кожух с лазера ЛГН-109. Приборы располагают по схеме рис. 46.7. Наблюдают одновременно спектр неоновой лампы и спектр, излучаемый боковой поверхностью лазерной трубки.

2) Находят в спектре неона три любые яркие линии разных цветов (красную, оранжевую, желтую) и определяют для них длины волн ₁, ₂ и ₃ .

3) Сравнивая спектр неона со спектром смеси неона и гелия, выбирают три любые линии смеси, принадлежащие гелию (например, зелёную, голубую, фиолетовую) и определяют для них длины волн ₄ , ₅ и ₆ .

4) Для определения длины волны основной линии излучения лазера (часть задания Б) разворачивают лазер ЛГН-109 таким образом, чтобы на входную щель спектрометра попадало излучение с торца лазерной трубки.

5) Для ослабления яркости рекомендуется направить лазерный луч чуть левее или чуть правее входной щели спектрометра. Рассеянный свет, попадающий при этом внутрь спектрометра, создаёт достаточно яркий спектр.

6) Находят основную (самую яркую) линию лазерного излучения . Ослабив максимально яркость этой линии с помощью анализатора А, определяют длину волны . Результат также записывают в таблицу 3.

7) Сравнивают спектры, излучаемые боковой и торцевой поверхностями лазерной трубки. Самостоятельно формулируют выводы.

Результаты измерений записывают в таблицу 46.3.

Таблица 46.3

Излучающий атом		Цвет линии	Отсчёт по шкале	, нм
Неон	1 l2 l3	Красная Оранжевая Желтая
Гелий	l4 l5 l6	Зелёная Голубая Фиолетовая
Неон	l	Красная

Выключение источника питания производят выключением тумблера ВКЛ, после чего индикация СЕТЬ погаснет сразу, а индикация ИЗЛУЧЕНИЕ – через 5 – 8 с. Затем отключите вилку источника питания от питающей сети.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. 
   Спонтанное и вынужденное излучение.
   
2. 
   В чём отличия свойств спонтанного и вынужденного излучения?
   
3. 
   Основные части лазера.
   
4. 
   Инверсия населённости.
   
5. 
   Прицип работы гелий-неонового лазера. Как достигается инверсия населённости в гелий-неоновом лазере?
   
6. 
   Особенности лазерного луча. Почему на выходе мы имеем только монохроматическое излучение?
   
7. 
   Дифракция света. Чем отличается дифракционная картина лазерного излучения и естественного источника света?
   
8. 
   Поляризация. Как распознаётся поляризованный свет?
   
9. 
   Определить диаметр пятна от лазера ЛГ-75 на расстоянии 1 км от него.
   
10. 
    Из чего следует (теоретически) необходимость вынужденного излучения?
    
11. 
    Какими квантовыми числами характеризуется состояние электрона в атоме? Правила отбора.
    
12. 
    Применение лазеров.
    

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №52