Жіптің қалындығын лазердің көмегімен анықтау

Жұмыстың мақсаты: Атомдардың ырыксыз сәуле шығару кұбылысымен жэне лазердін жұмыс істеу принципімен таныстыру. Жіптің калыңдығьтн лазердін көмегімен аныктау.

Жұмыстың қысқаша теориясы: Атомның ырыксыз (индукцияланған)

сәуле шығаруы. Atom немесе молекула әртүрлі энергетикалық күйде болуы мүмкін. Ең төменгі деңгей Еі атомнын негізгі күйіне сэйкес келеді, ал жоғаргы деңгейлер — козған к\'йлерге сэикес.

Кванттық көшулер жасаған атом бір күйден екІнші күйге секіреді, Жоғарғы энергетикалык денгейден Е| төменгі энергетикалық Е_к өткен атом энергиясы

Hv_ik.=E,-E_K

фотон шығарады, ал төменгі Е₁ денгейден жоғары Е_і деңгейге өткенде

Е„ Е,

Е,-Е_щ =h

фотон жұтады.

Фотон шығару себебіне байланысты кванттык көшуді екі түрге бөледІ. Егер бүл көшу ішкі себептен болса, онда козған атом жоғарғы денгейден төменгі денгейге спонтанды көшеді, ондай сэуле шығаруды спонтанды (өздІгінен) сәуле шығару деп атайды. (1 сурет).

Спонтандық сәуле шығару кездейсок жэне эртүрлі атомдар түрлі уақытта спонтандык сэуле шығарады. Шығарылған фотондардың козғалыс бағыты, тербеліс фазасы, поляризациясы және жиілІктері әртүрлі болады (эртүрлі денгейлер арасында көшулер болуы мүмкін).

Сондыктан, фотондарға сәйкес толқындык цугалар арасында заңды байланыс болмайды (когерент емес) жэне атомдар тобы шығаратын жарыкта когерент емес, яғни спонтандык сәүлә болмайды.

Қозған атомның энергиясы һи_ік =Е_і-Е_К болатын сыртқы фотон әсерінен төменгі деңгейге ырықсыз көшуі, индукциялык немесе ырыксыз көш деп аталады.

Нәтижесінде атомнан бір бағытта екі бірдей фотон шығарылады: біреуі - алғашкы итеруші фотон. екіншісі - сол фазадағы және жиіліктегІ (энергиядағы) атом шығарған фотон.

Индукцияланған немесе ырыксыз сэулелер шығаратын

электромагниттік толкындар когерентті.

Атомның түрлі энергетикалық деңгейлерде таралуы

термодинамикалық тепе-тевдік жағдайында Больцман занымен аныкталады:

(1)

мұндағы Ni-Eі энергетикалық деңгейдегі температурасы Т-ға тең атомдар саны.(і) формуласынан энергия сайын, деңгейдегі атомдардың орналасу күйі, ягни сол күйдегі атомдар саны азаяды.

3 сурет

Екі деңгей арасындағы көшулер саны сол деңгейдегі атомдардың орналасуына пропорционал болады.

Бұдандермодинамикалык тепе-тендіктегі атомдар жүйесіне түсірілген жарътк толқынының жүгылуы ырыксыз жарык шығарудан артык болады. Сондыктан, түсірілген толқын заттан өткен кезде әлсірейді.

Ырыксыз жарык шығарылу үшін козған атомдар саны қозбаған атомдар санынан көп болуы керек.Мүндай орта инверсті орналастырылған денгейлі орта деп аталады (N_E2 > N_Е1).

Атомның қозған күйде болу уақытының үзактығы с, ал метастабильдік күйдегі уақыты с болғандықтан, метастабилдік күйлер уакытша энергия қоры кызметін атқарады.

Метастабильдік күйлерде атомдардың кажетті саны болуы үшін оптикалық қоздыргыш (накачка) керек. Рубин лазерінде оптикалык коздырғыш ретінде толкын ұзындығы '=550 нм-ге тең ксенон лампасының жасыл жарығы колданылады.

Бүл жарык шығару хром иондарын негізгі күйден козған күйге көшІреді. Көптеген атомдар бірден негізгі күйге Е, өтудің орнына жарык шығармастан Ет метастабильдік деңгейге өтеді. Тшкі жарык шығаруды туғызу үшін рубинге сәйкес кванттармен Һи" = Е₂-Е₁ = 694.3 нм әсер ету керек, сонда метастабильдік күйдегі энергия квант түрінде шығарылады.

Рубин кристалынан жасалған стерженьге орнатылған екі параллель айнадан көп рет шағылған фотондар жүрген жолында метастабильдік денгейдегі жаңа фотондарды түсіреді, соның әсерінен лазер сәулесінін куаты артады.

Айнаның біреуі арқылы бағытгалған фотондар ағыны лазер сәулесі -жіңішке параллель жарық шоғы ретінде сыртқа таралады. Лазер жарығы монохроматты, полялизацияланған жэне когеретті жарьтк.

Жіппен дифракииялану мөлдір емес экран саңылауынан дифракциялануға үксас. Дифракциялық максимумның орны мына формуламен беріледІ

sin = /а(k-1/2) (2)

мүндағы a - саңылаудың ені.

- лазер жарығының толқын ұзындығы,

к - 1,2,3,..., - нөлінші максимумның бүрыштык орналасуын анықтау аркылы және шығарылған жарықтың толқын ұзындығын бІле

отырып, экрандағы саңылаудың енІн табуға, яғни жіптің қальщдығын (2) формуласы бойынша табуға болады.

a = (k-l/2)/sin _k (3)

Лшеулер

Лазерді жұмысқа косыңдар

Жіп орнатылган ұстағышты лазер жарығының жолына. сэулелердін ортасына орналастырыңдар.

1. Жіп пен экранға дейінгі аракашыктыкты және нөлінші максимумнан бірінші максимумға дейінгі аракашықтықты өлшеңдер.

 

 

Бұрыш кішкентай болғандықтан, sin = ОМ/ ON

Жіптін экранмен салыстырғандағы орнын өзгерту арқылы ON мен ОМ-ді

5-6 рет өлшеңдер.

2. Өлшенген шамаларды жэне есептеулердІ 1- ші кестеге жазыңдар.

3. (3) формуланы пайдаланып, жіптің қалыңдығын табыңдар.

1 кесте

N	ON	ОМ	Sin	аі	<a>	да	E,%

Бақылау сұрақтары:

1. Спонтанды сәуле шығару дегеніміз не?

2. Индукцияланған сәуле шығару деп нені айтамыз?

3. Когерент жарық шығаруды күшейту және генерациялау үшін не

кажет?

Лазер неге когерент сәулелер шығады? Рубин лазерінің жұмыс принципі кандай?

4. Инверсті орналасқан ортаны қалай алуға болады?

5. Бір саңылаудан болатын дифракциялық максимумдар мен
минимумдардың формуласын жазыңдар?