Получение голограммы точки.

 

Для получения голограммы требуется источник строго монохроматического света от лазера (1). Свет проходит через систему линз (2) L₁ и L₂: линза L₁ на выходе дает расходящейся пучок, линза L₂ на выходе дает параллельный пучок света 3, получивший название опорного. Опорный пучок отражается от зеркала 4 и фиксируется фотопластиной 5 (рис. 6). Часть опорного пучка попадает на точечный объект 6 и рассеивается от него, образуя сигнальный пучок 7, который также падает на фотопластинку 5, где и возникает интерференция в результате наложения опорного и сигнального пучков. Интерференционную картину, образованную наложением опорного и сигнального пучков и зафиксированную на светочувствительную пластину, называют голограммой.

Каждый предмет мы вправе рассматривать как множество рассеивающих точек и когерентное освещение его лазером позволяет ожидать интерференционных эффектов, обусловленных наложением голограмм, полученных от отдельных точек исследуемого предмета.

Для воспроизведения голограммы фотопластинку облучают опорным пучком, видимым светом, причем можно брать не всю голограмму, а вырезать из нее узкую полоску, которая также несет в себе всю информацию о предмете, но качество изображения ухудшается.

Перспективной для медицины является ультразвуковая голография. Получив голограмму в ультразвуковых волнах, можно восстановить её видимым светом. Ультразвуковая голограмма позволяют получить объемную картину внутренних органов, что чрезвычайно актуально для диагностики. Еще одно использование голографии в медицине - это голографический микроскоп.

 

Порядок выполнения работы

1. С помощью линейки определить расстояние ОА от дифракционной решетки до экрана.
2. Включить лазер.
3. Получив четкую картину максимумов на экране, найти расстояние между первыми максимумами, затем между вторыми и т.д. .

 

 

1. Рассчитать величину  для всех максимумов по формуле (см. рис.7):

При малых значениях углов .

1. По формуле  определить длину волны лазерного излучения.
2. Полученные данные занести в таблицу, выразив длину волны в нм.

 

N n/n	ОА (см)	(см)		k	l (нм)	D l (нм)	D l 2 (нм)2	s, m	t0,95,n-1	Е %	D t

 

 

Контрольные вопросы

1. Дифракция света. Условия max и min дифракции.
2. Дифракция в параллельных лучах от одной щели.
3. Дифракционная решетка и её применение в медицине.
4. Вывод формулы дифракционной решетки.
5. Интерференция света. Условия максимума и минимума интерференции.
6. Интерференция в тонких пленках. Интерферометры, их применение в медицине.
7. Интерферометры и их применение в медицине.
8. Физические основы голографии.                   

 

Тестовые задания

1. Интерференцией света называется явление…

а) отклонения света от прямолинейного распространения;

б) при котором световой вектор  занимает постоянное положение в пространстве;

в) возникающее при переходе света из среды одной оптической плотности в другую среду;

г) наложения световых волн друг на друга.

 

1. Устойчивая интерференционная картина возникает от источников:

а) монохроматических;

б) полихроматических;

в) когерентных;

г) от любых.

 

1. Когерентными волнами называются волны:

а) равной интенсивности;

б) равной интенсивности и частоты;

в) равной амплитуды и частоты;

г) равной частоты и одинаковых фаз или с постоянным сдвигом фаз.

 

1. Укажите, на каком из рисунков правильно показана оптическая разность хода D лучей:

а                                                                б

 

 

в                                                                 г

 

1. Укажите формулу, выражающую условие max (усиления) интерференции:

а) ;            б) ;

             в) ;         г) .

1. Укажите формулу, выражающую условие min  интерференции:

а) ;          б) ;

             в) ;             г) .

7. Какой из перечисленных параметров нельзя определить с помощью интерферометра:

а) длину волны;

       б) показатель преломления;

       в) качество оптических поверхностей;

       г) разрешающую способность оптических приборов.

 

8. Дифракцией света называется явление:

       а) наложения световых волн друг на друга;

       б) основанное на зависимости показателя преломления от длины световой волны;

       в) отклонения света от прямолинейного распространения;

       г) при котором положение вектора электромагнитной волны  не меняется.

 

9. Укажите формулу, выражающую условие усиления (max) при дифракции:

а) ;              б) ;

             в) ;                     г) .

10. Укажите формулу, выражающую условие ослабления (min) при дифракции:

а) ;          б) ;

             в) ; г) .

11. Укажите формулу для дифракционной решетки:

             а) ;          б) ;

             в) ;            г) .

12. Получение голограммы основано на явлении….

             а) дисперсии света;

             б) поляризации света;

             в) интерференции света и дифракции света;

             г) люминесценции.

 

13. Разрешающая способность дифракционной решетки R определяется формулой:

             а) ;             б) ;

             в) ;          г) .

14. Расстояния от когерентных источников до точки наблюдения интерференционной картины равны соответственно  и . Чему равна оптическая разность хода D лучей?

             а) ;          б) ;

             в) ;          г) .

15. С помощью дифракционной решетки с периодом  получена линия в спектре Na с длиной волны . Какому sin угла соответствует эта линия в спектре I-го порядка (k=1)?

             а) 0,589;                б) 0,0589;

             в) 0,00589;            г) 0,2945.

 

16. Интерференционная картина получена от источников, находящихся от нее на расстояниях 7 м и 5 м. Каким будет условие 1 – го максимума?

             а) ;                     в) ;

             б) ;                     г) .

17. Интерференционная картина получена при разности хода D=5 см. Каким будет условие 3 – его максимума?

             а) ;                    б) ;

             в) ;                         г) .

 

18. Принцип Гюйгенса – Френеля утверждает, что…

а) устойчивая интерференционная картина возникает при наложении когерентных волн;

б) каждая точка среды, до которой доходит первичная волна, становится источником вторичных волн;

в) волны являются когерентными, если они имеют равные частоты, одинаковые фазы или постоянный сдвиг фаз;

г) каждая точка среды, до которой доходит первичная волна, становится источником вторичных волн, которые являются когерентными.

 

19. В формуле дифракционной решетки  угол j -это …

а) угол падения луча;

б) угол отражения;

в) угол преломления;

г) угол дифракции;

д) угол скольжения.

 

20. Периодом дифракционной решетки d называется …

а) расстояние между щелями решетки;

б) количество штрихов, нанесенных на 1 см решетки;

в) расстояние между непрозрачными для света полосами;

г) суммарная ширина соседних прозрачной и непрозрачной полосы.

 

21. Условием возникновения дифракции от препятствия является:

                   а) соразмерность размеров препятствий с длиной световой волны;

                   б) световые волны должны быть когерентными;

                   в) световые волны должны быть монохроматическими;

                   г) световые волны должны иметь равные частоты.

22. Укажите, на каком из приведенных рисунков между лучами заключен период дифракционной решетки:

    а                                                                   б 

 

        

    в                                                                  г

 

 

23. Для получения голограммы требуется источник…

а) полихроматического света;

б) монохроматического света;

в) когерентного света;

г) рассеянного света.

 

24. На дифракционной картине максимальная освещенность приходится

на максимум…

       а) 0 порядка;

       б) 1 – ого порядка;

       в) 2 – ого порядка;

       г) 3 – его порядка.

25. Чему будет равна разрешающая способность дифракционной решетки R для порядка спектра k=2, если число штрихов N=100?

             а) 50;          б) 400;       в) 200;       г) 100.

Лабораторная работа №10

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ФОТОЭЛЕМЕНТА

Цель работы. Изучить явление фотоэффекта, устройство, принципы работы и применение фотоэлементов в медицине. Научить студентов работать с люксметром.

Актуальность.   Фотоэлементы получили широкое применение в диагностике. С помощью фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) производятся измерения малых лучистых потоков, что используется при регистрации сверхслабых биолюминесценций крови, мочи и некоторых тканей, а также позволяет выявить патологические процессы на ранних стадиях заболевания. На внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического преобразователя (ЭОП), с помощью которого невидимое инфракрасное изображение преобразуется в видимое. Это используется в термографии и осуществляется с помощью приборов, получивших название тепловизоров. ЭОП применяются для усиления яркости рентгеновского изображения, и это позволяет уменьшить дозу облучения человека. В фотоэлектроколориметрах (ФЭК) используется также фотоэлемент. С помощью этих приборов решается ряд важных задач, одной из которых является изучение физико-химического состояния биомолекул. Зависимость силы фототока от освещенности позволяет использовать фотоэлементы как люксметры, чем и обусловлено их применение в санитарно-гигиенической практике.

Приборы и принадлежности: люксметр, линейка, электролампы.

Теоретическая часть

Фотоэффектом называется явление взаимодействия света с веществом, сопровождаемое эмиссией электронов (внешний фотоэффект), либо изменением электропроводимости вещества или возникновением электродвижущей силы (внутренний фотоэффект).

Внешний и внутренний фотоэффекты. Внешний фотоэффект наблюдается с поверхностей металлов. В этом случае его можно представить в виде трех процессов:

1) поглощение фотона электроном, в результате чего увеличивается кинетическая энергия электрона;

2) движение электрона к поверхности металла;

3) выход электрона из металла.

Этот процесс энергетически описывается уравнением Эйнштейна:

где h – постоянная Планка, h=6,6´10^-34 Дж.с; n - частота фотона; hn - энергия фотона; А_в – работа выхода электрона; m – масса электрона;  – скорость электрона;  - кинетическая энергия электрона.

       Внешний фотоэффект наблюдается также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах.

       Внутренний фотоэффект происходит при освещении полупроводников и диэлектриков, если энергии фотона достаточно, чтобы вызвать переход электрона из валентной зоны в зону проводимости. 

 

Законы фотоэффекта.

Первый закон. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна величине светового потока, падающего на вещество:

,

где: I_H – фототок насыщения;

  Ф – световой поток;

   k – коэффициент чувствительности к фотоэффекту.

       Фототоку насыщения соответствует такой ток, в образовании которого участвуют все фотоэлектроны, выбитые из фотоэлемента при облучении его светом.

       Существуют интегральная и спектральная чувствительность фотоэффекта. Интегральная чувствительность характеризуется способностью фотоэлемента реагировать на воздействие светового потока полихроматического света. Спектральная чувствительность определяет силу фототока при воздействии монохроматического излучения ().

       Графически первый закон представляет собой зависимость величины фотоэффекта I от напряжения U:

 

Рис. 1. График зависимости фототока от напряжения между электродами.

Второй закон. Кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты падающего света и не зависит от освещения.

 

.

 

Третий закон (закон о красной границе фотоэффекта). Для ввода формул, выражающих третий закон, возьмем предельный случай фотоэффекта, то есть, приравняем кинетическую энергию к нулю . Тогда из уравнения Эйнштейна получим:

.

       Отсюда  или в общем случае .

       Для каждого вещества существует предельная частота  падающего света, меньше которой фотоэффект не вызывается.

       Выразим предельную частоту  через длину волны , причем скорость света в вакууме обозначим через С:

, тогда .

       Отсюда  или в общем виде

       Для каждого вещества существует предельная длина световой волны , больше которой фотоэффект не вызывается.

       Закон о красной границе фотоэффекта не выполняется для лазерного излучения ввиду большой плотности фотонов.

 

Вакуумный фотоэлемент   

Рис.2. Схема работы вакуумного фотоэлемента.

1 – катод; 4 – световой поток;

2 – анод;    5 – источник энергии;

3 – цоколь; 6 – миллиамперметр.

       Фотокатод представляет собой фоточувствительный слой, нанесенный на внутреннюю поверхность баллона. Работа вакуумного элемента основана на внешнем фотоэффекте. Он состоит из источника электронов – фотокатода (1) и анода (2) (см.рис.2), помещенных в стеклянный баллон, из которого выкачан воздух (Р=10^{-7 мм}. рт. ст.). Свет (4), падая на катод и поглощаясь им, вызывает фотоэффект в виде эмиссии фотоэлектронов, которые под воздействием электрического поля, создаваемого источником (5), устремляются к аноду (2). Цепь замыкается, возникает фототок, величина которого регистрируется миллиамперметром (6).

 

Селеновый фотоэлемент

Селеновый фотоэлемент представляет собой слой селена, на который напылением наносится тонкий слой серебра, а снизу находится стальная или железная пластинка (рис.3).

 

Рис.3. Устройство селенового фотоэлемента.

Для чистого селена характерна дырочная проводимость (рис. 4).

      

Рис. 4                                Рис. 5                                        Рис. 6

Процессы, происходящие в селеновом фотоэлементе при действии света.

 

Свет, падая на прозрачный слой серебра (Ag), частично вступает во взаимодействие с ним, выбивая из него фотоэлектроны, а частично проходит в слой селена (Se), который, поглощая свет, увеличивает свою внутреннюю энергию и нагревается. В результате нагрева селен меняет свою модификацию на кристаллическую, и в этой части селена появляются свободные электроны (рис. 5). Возникает п-р переход (запирающий слой), открытый для дырок и закрытый для электронов. Дырки переходят в нижний слой селена, электроны остаются в его верхнем слое (рис. 6), в результате серебряная и железная пластинки заряжаются разноименно. Таким образом возникает разность потенциалов, и гальванометр регистрирует ее величину.

       Селеновый фотоэлемент, медно-закисный, германиевый, сернисто-таллиевый относятся к вентильным фотоэлементам, большим преимуществом которых является то, что они работают без источника тока.

 

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)

       Работа ФЭУ основана на внешнем фотоэффекте.

 

Рис. 7. Схема фотоэлектронного умножителя.

       Фотоэлектронный умножитель представляет собой стеклянный баллон, внутри которого находятся катод (К), анод (А) и промежуточные аноды-диноды (Э_i) (рис.7). Свет падает на катод К и эмитирует электроны, которые фокусируются на первом диноде (Э₁). В результате вторичной электронной эмиссии с этого динода вылетает больше электронов, чем падает на него, т.е. происходит как бы умножение электронов. Умножаясь на последующих динодах, электроны в итоге образуют ток, усиленный в сотни тысяч раз по сравнению с первичным фототоком.

 

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Работа ЭОП основана на внешнем фотоэффекте.

 

 

Рис.8. Схема электронно-оптического преобразователя

 

       Световое изображение объекта (1) (здесь и далее см.рис.8), с помощью линзы L спроецированное на полупрозрачный фотокатод К, преобразуется в электронное изображение (2). Ускоренные и сфокусированные электрическим полем, созданным электродами Э, электроны попадают на люминесцентный экран (4). На экране, благодаря катодолюминесценции, электронное изображение вновь преобразуется в световое (3).

       Если сигнал с ЭОП попадает в виде развертки на телевизионную систему, то на экране телевизора можно получить тепловое изображение предмета. Части тела, имеющие разные температуры, различаются на экране либо цветом при цветном изображении, либо светом, если изображение черно-белое. Такая техническая система называется тепловизором и используется в термографии.

 

Порядок выполнения работы