Теоретические сведения. Геометрическая оптика основывается на том, что свет распространяется прямолинейно

 

Геометрическая оптика основывается на том, что свет распространяется прямолинейно. Но опыт показывает, что при некоторых условиях световые лучи отклоняются от прямолинейного пути распространения в однородной среде. Это явление носит название дифракции световых лучей (волн).

Далее дифрагирующие лучи интерферируют и происходит перераспределение энергии волн в пространстве. На экране мы можем увидеть чередующиеся светлые и темные участки.

Если свет монохроматический (частоты всех лучей одинаковы), то светлые участки имеют цвет, соответствующий частоте интерферирующих лучей.

Если же свет белый, то светлые участки окрашены в цвета радуги. Явление интерференции возможно лишь для когерентных лучей, т.е. таких лучей, разность фаз которых не меняется со временем.

В данной работе для получения монохроматических, когерентных лучей используют лазер.

Лазеры – это приборы, использующие вынужденное излучение для усиления электромагнитных волн в оптическом диапазоне.

Если на вещество падает свет частотой w,которая совпадает с одной из частот атома вещества , то может происходить два процесса:

1. Переход атома из состояния с энергией в состояние с энергией, при этом происходит поглощение света и ослабление падающего пучка;

2. Вынужденный переход атомов из состояния n в состояние mсопровождается увеличением интенсивности падающего пучка.

 

 

В случае термодинамического равновесия распределение атомов по различным энергетическим состояниям определяется законом Больцмана:

 

 

где N_i-число атомов, находящихся при температуре T в состоянии с энергией E_i; c- константа.

Из уравнения видно, что с увеличением энергии состояния населенность уровня, т.е. количество атомов в данном состоянии, уменьшается. Число переходов между уровнями пропорционально населенности исходного уровня. Следовательно, в системе атомов, находящихся в термодинамическом равновесии. Поглощение падающей световой волны будет преобладать над вынужденным излучением, так что падающая волна при прохождении через вещество ослабляется.

Для того, чтобы получить усиление падающей волны, нужно каким-либо способом обратить населенность энергетических уровней, т.е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией E_n находилось большее число атомов. Чем в состоянии с меньшей энергией E_m.

В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную населенность.

В первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина диаметром 1 см и длиной 5 см. Рубин представляет собой окись алюминия Al₂ O₃ , в которой некоторые из атомов алюминия замещены атомами хрома.

 

 

При поглощении света ионы хрома Cr⁺⁺⁺ переходят в возбужденное состояние E₃ (рис. 1).

Рис.1

Обратный переход в основное состояние E₁ происходит в два этапа. На первом этапе возбужденные ионы отдают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят в метастабильное состояние E₂ . Переход из метастабильного состояния в основное запрещен правилами отбора. Поэтому среднее время жизни иона в метастабильном состоянии (~ 10^-3 c ) примерно 10⁵ раз превосходит время жизни в обычном возбужденном состоянии E₃ (~ 10^-8 с ).

На втором этапе ионы из метастабильного состояния переходят в основное. Излучая фотон с длиной волны l = 632,8 нм.

Таким образом, если непрерывно возбуждать (освещать) рубин, то на метастабильном уровне Е₂ будет большая населенность, чем на уровне Е₃ . Можно не дожидаться спонтанного (самопроизвольного) перехода иона из метастабильного состояния в основное. Для этого достаточно облучить рубин светом резонансной частоты, т.е длиной волны λ=692,8 нм, и произойдет вынужденное излучение. В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой, которая дает свет с широкой частотой (рис.8 ).

 

Рис.8

 

При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние. Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перехода атомов в возбужденное состояние является подкачкой.

В течение времени ~ 10^-8 (время жизни иона на уровне Е₃ ) некоторые ионы спонтанно перейдут в основное состояние, а большинство – на метастабильный уровень Е₂ . И может оказаться, что число ионов хрома, находящихся на уровне Е₂ , будет больше числа ионов хрома на уровне Е₁ . Достаточно одному иону спонтанно перейти с метастабильного уровня на основной, чтобы излученный при этом фотон мог вызвать вынужденное (резонансное) испускание дополнительных фотонов, которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение.

Для увеличения КПД первых фотонов торцы рубинового стержня тщательно полируются и образуют строго параллельные друг другу зеркала. Один конец покрывается плотным непрозрачным слоем серебра, а другой – таким слоем серебра, который пропускает около 8 % упавшей на него энергии. Все это ведет к многократному отражению первых фотонов и их лавинообразному нарастанию. Через полупрозрачное зеркало (торец) вспышка вынужденного излучения выводится наружу. После этого весь процесс повторяется снова. Таким образом, рубиновый лазер работает в импульсном режиме (с частотой повторения несколько импульсов в минуту).

В 1961 г. был создан газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. Подкачка в нем осуществляется за счет за счет электрического тлеющего разряда. Разрядная трубка заполняется смесью гелия под давлением 133 Па и неона под давлением 23,3 Па. На концах трубки имеет плоскополяризованные зеркала, одно из которых полупрозрачное. Разряд возбуждает атомы гелия, переводя их на метастабильный уровень 2³ S (рис.9)

 

 

Рис.9

 

Возбужденные атомы гелия сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию. В результате атомы неона переходят на уровень 2S , вследствие чего возникает инверсная населенность уровней 2S и 2Р. Переход 2S® 2Р дает излучение лазера. Из-за быстрых переходов атомов неона с уровня 2Р на уровень 1S не происходит накопления атомов в состоянии 2Р.

Газовые лазеры работают в непрерывном режиме и не нуждаются в интенсивном охлаждении, ибо они имеют малую мощность (импульсная мощность рубинового лазера до 40 кВт). Газовые лазеры имеют большую стабильность частоты (монохроматичность и когерентность излучения), чем рубиновые.

Устройство гелий-неонового лазера показано на рис.10.

Рис.10

 

Где 1 – разрядня трубка; 2 – прозрачные пластины под углом Брюстера к оси трубки для поляризации лучей, чтобы избежать потери на отражение; 3 – анод; 4 – катод; 5 - плоское полупрозрачное зеркало; 6 – сферическое зеркало.

Плоское полупрозрачное и сферическое зеркала образуют резонатор, настроенный на частоту лазерного излучения. Это дает возможность повысить КПД первых фотонов, а также повысить коллимацию (направленность) лазерного излучения. Расхождение лучей газового лазера менее 0,01⁰ (у рубинового около 0,05⁰ ÷ 0,01⁰ ).

Перейдем к рассмотрению дифракционной решетки.

Нанеся на прозрачную пластинку систему параллельных, равномерно расположенных штрихов, получим спектральный прибор, называемый дифракционной решеткой (рис.11).

Рис.11.

Где – b – ширина штриха; a– прозрачная часть – щель; d = a + b - постоянная дифракционной решетки. Она указывается на дифракционной решетке.

Действие дифракционной решетки сводится к интерференции многих когерентных колебаний. Оптическая разность хода лучей 1 и 2 от соседних щелей равна

или .

Из теории интерференции известно, что если , то наблюдается максимальная интенсивность света.

Значит, для дифракционной решетки имеем следующие условия:

Для max : ,

Для min : .

Общая дифракционная картина, получаемая от решетки, имеет такой же вид, как и от одной щели, но число максимумов меньше, расположены они дальше друг от друга и сами максимумы шире, чем максимумы соответствующего порядка от одной щели.

Если на дифракционную решетку падает немонохроматический свет, то в местах максимумов будут наблюдаться спектры, которые существенно отличаются от спектров дисперсии. Это различие вытекает из самого характера явлений дисперсии и дифракции.