Лазер и его применение в демонстрационном эксперименте в волновой оптике

ЦЕЛИ РАБОТЫ:
1. Изучить устройство и принципы работы различных типов лазеров.
2. Разработать демонстрационные эксперименты по волновой оптике с помощью полупроводникового лазера.

ЗАДАЧИ:
1. Изучить физическую основу работы лазера.
2. Изучить строение и принцип работы полупроводниковых и других типов лазеров.
3. Разработать и проделать некоторые демонстрационные опыты с использованием полупроводникового лазера.

СОДЕРЖАНИЕ:
1. Введение
2. Принцип работы лазера. Спонтанное и индуцированное излучение
3. Типы и характеристики лазеров
4. Демонстрационные опыты с использованием полупроводникового лазера
5. Заключение

ЛАЗЕР. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча.
Физической основой работы лазера служит явление индукционного излучения.
Слово «лазер» составлено из начальных букв английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что в переводе означает «усиление света в результате вынужденного излучения».
Н. Г. Басов А. М. Прохоров

ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА.

рубиновый
на красителях
газодинамический
полупроводниковый
Гелий-неоновый
Типы лазеров
CO2 - лазер

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР

ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР

CO2 - ЛАЗЕР

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР

ЛАЗЕР НА КРАСИТЕЛЯХ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР.
Ж. И. АЛФЕРОВ
Академик, лауреат Нобелевской
Премии за 2000 год
Полупроводниковый лазер, полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В П. л., в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла. В П. л. возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность П. л. — малые размеры и компактность (объём кристалла ~10-6—10-2см3). В П. л. удаётся получить показатель оптич. усиления до 104 см-1 хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения. Другими практически важными особенностями П. л. являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30—50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 Ггц); простота конструкции; возможность перестройки длины волны l излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ОПЫТЫ.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ЛУЧА ЛАЗЕРА С БИПРИЗМОЙ ФРЕНЕЛЯ.

ИЗЛУЧЕНИЕ ЛАЗЕРА ЧЕРЕЗ «КОЛЬЦА НЬЮТОНА»

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА В СХЕМЕ ЮНГА

ДИФРАКЦИЯ ПУЧКА СВЕТА НА ЩЕЛИ

ДИФРАКЦИЯ РАСХОДЯЩЕГОСЯ ПУЧКА СВЕТА НА НИТИ

ДИФРАКЦИЯ РАСХОДЯЩЕГОСЯ ПУЧКА СВЕТА НА КРУГОВОМ ОТВЕРСТИИ

ДИФРАКЦИЯ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО СВЕТА НА ОДНОМЕРНОЙ РЕШЕТКЕ

Для подтверждения формулы d·sin α = n· λ следует измерить расстояние между дифракционной решеткой и экраном. После измерений получилось расстояние, равное L = 2.31 м. Далее измерим расстояние между нулевым и n порядком дифракции каждой из решеток:
Диф. решетка (d = 0.02мм):
x₁ = 7.9 см
x₂ = 16.1 см
Диф. решетка (d = 0.0067мм):
x₁ = 23.5 см
x₂ = 48 см
Из формулы d·sin α = n· λ выражаем значение sin α:
sin α = nλ / d
Подставим значения для n = 1, для двух различных дифракционных решеток:
По первой решетке:
sin α₁ = n₁λ /d₁= 1*670*10⁻⁹ / 0.02*10⁻³ = 0.0335
Для малых углов sin α ≈ tg α = x / L:
tg α₁ = 7.9*10⁻² / 2.31 = 0.034
По второй решетке:
sin α₂ = n₂λ / d₂ = 1*670*10⁻⁹ / 0.0067*10⁻³ = 0.1
tg α₂ = 23.5*10⁻² / 2.31 = 0.1
Таким образом, в обоих случаях, sin α = tg α, следовательно формула d·sin α = n· λ верна.

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА ДВУМЕРНОЙ СТРУКТУРЕ

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА ОДНОМЕРНОЙ РЕШЕТКЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ
Цель работы: Определить длину световой волны, излучаемой лазером
Ход работы:
Укрепите лазер, дифракционную решетку и шаблон с миллиметровой бумагой в лапках штатива.
Включите лазер, направив луч через дифракционную решетку на миллиметровую бумагу.
Зарисовать положение центрального и боковых ярких максимумов (пятен) (рис. 2.).
Измерьте расстояние от центра главного максимума до центров боковых максимумов h1 и h2, вычислить среднее h.
Измерить расстояние от дифракционной решетки до экрана (планшета) L.
Вычислить длину световой волны, излучаемой лазером, используя формулу дифракционной решетки.
Оценить погрешность измерения, результат представить в виде λ = λ ± Δλ.
Измерить расстояние от центра главного максимума до центров вторых максимумов.
Повторите вычисления длины световой волны для вторых максимумов.
Оценить погрешность измерения, результат представить в виде λ = λ ± Δλ.

Используя формулу d·sin α = n· λ, учитывая sin α ≈ tg α при малых углах
tg α = x / L , подставляем в основную формулу и получим:
d · x /L = n· λ;
λ = d · x / L · n
d = 0.02 * 10¯³ м
x = 7.9 * 10¯² м
L = 2.31 м
n = 1
λ = 0.02*10 ⁻³*7.9*10⁻² / 2.31*1= 683 * 10¯⁹ м
Вычислим погрешность измерения:
Δλ / λ = Δx / x + ΔL / L;
Δλ / λ = 1*10⁻³ / 7.9*10⁻² + 1*10⁻² / 2.31 = 0.014;
Δλ = 0.014 * 683 * 10¯⁹ = 9.562 * 10¯⁹ м
λ = 683 * 10¯⁹м ± 9.56 * 10¯⁹м