Лабораторная работа определение длины волны излучения полупроводникового лазера готовые

Ф едеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

«Пензенский государственный технологический университет»

Кафедра «Математика и физика»

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ»

Проверил: к.т.н., доц. Пакулова Н.К.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

1. Изучение явления дифракции света и наблюдение дифракционного спектра.

2. Определение длины лазерного излученияс помощью дифракционной решетки.

2. Полупроводниковый лазер.

4. Экран со шкалой.
Описание установки и метода измерений
Установка для наблюдения дифракционного спектра состоит (рис. 2) из оптической скамьи 1 с измерительной линейкой, на которой располагаются: полупроводниковый лазер 2; дифракционная решетка 3 и экран 4, с нанесенными на него делениями — шкалой.

Из условия (2) главных максимумов при дифракции на решетке следует, что длина волны света

(4)

Таким образом, с помощью дифракционной решетки можно определить длину световой волны.

Порядок выполнения работы

1. Задайте вариант работы. Запишите в таблицу 1 период выбранной вами решетки

2. Установить дифракционную решетку на некотором расстоянии (L=0,5. 1,3 м) от экрана.

3. Включить полупроводниковый лазер, щелкнув по красной кнопке на его корпусе.

4. Измерить расстояние от центральной полосы нулевого спектра до середины линии спектра первого порядка (вверх — , вниз — ).

5. Такие же измерения произвести для спектров 2-го порядка.

6. Повторить пункты 4 и 5 для другого расстояния между решёткой и экраном.

Обработка результатов измерений

1. Определите для каждой пары симметричных максимумов среднее расстояние .

2. Определите значение тангенса угла отклонения луча от прямолинейного направления:

3. Пользуясь инженерным калькулятором, определите угол отклонения и синус этого угла (в случае малости угла должно выполняться условие: ).

4. По формуле (4) вычислите длину волны исследуемой дифракционной линии спектра.

5. Вычислите среднее значение длины исследуемой световой волны.

6. Вычислите абсолютные и относительные погрешности как при многократных измерениях.

Таблица 1

,м	L,м	№ maх k	,м	,м	,м	, град		,м	,м	, %
0.000033	1	1	0.18	0.18	0.18	0.18	10.204	0.177	5,84E-07	6,765E-08	6,549521%
		2	0.33	0.33	0.33	0.33	18.262	0.313	5,16E-07	0
	0.8	1	0.14	0.14	0.14	0.175	7.969	0.138	4,55E-07	6,105E-08
		2	0.26	0.26	0.26	0.325	18.004	0.309	5,1E-07	6,6E-09
Среднее значение	___	___	____	_____	____	____	____	____	5,16E-07	3,383E-08

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение дифракции. Укажите условия наблюдения дифракции.

Дифракция света – совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с резкими неоднородностями (края экранов, малые отверстия), и связанных с отклонениями от законов геометрической оптики Дифракция приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени

1. Перечислите виды дифракционных решеток. Что такое постоянная или период решетки?

Дифракционная решетка — спектральный прибор, служащий для разложения света в спектр и измерения длины волны. Различают прозрачные и отражающие решетки. Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа параллельных штрихов одинаковой формы, нанесенных на плоскую или вогнутую полированную поверхность на одинаковом расстоянии друг от друга.

3. Запишите условие главных максимумов при дифракции на решетке, перечислите величины входящие в него, если возможно, то дайте им определения.

4. Что происходит с дифракционной картиной при изменении числа щелей решетки?

С увеличением числа щелей решетки уменьшается количество максимумов в дифракционной картине, но их интенсивность резко возрастает ( интенсивность главного максимума пропорциональна квадрату числа щелей), дифракционная картина становится выразительнее.

1. Что такое лазер? Виды лазеров. В чем заключается принцип работы полупроводникового лазера?

Это устройство преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую) в энергию когертного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучеиня

Полупроводниковый лазер — твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучательные переходы не между локализованными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешёнными энергетическими зонами или подзонами кристалла.

1. Как используется лазер в вычислительной технике?

Принципиально достигнутые малые времена переключения делают возможным применение лазеров и комбинаций с лазерами, включая интеграцию в микроэлектронных переключательных схемах ( оптоэлектроника ):

в качестве логических элементов (да-нет, или);

Источник

Лазер — лабораторная работа

Цель работы

Основы физики работы лазера

Гелий-неоновый лазер (конструкция и принцип работы)

В Не-Ne лазере используются принцип резонансной передачи энергии возбуждения от примесного газа (Не) основному (Ne). Диаграмма энергетических уровней гелия и неона приведена на рис. 7.5.

Для данной смеси газов условия резонансной передачи энергии выполняются для уровней

В результате газового разряда уровни 2 1 s и 2 3 s заселяются за счет электронных ударов. При неупругих столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит возбуждение последних и заселение метастабильных уровней 2s и 3s:

Хотя уровни 2р и 3р неона также заселяются за счет электронных ударов, что уменьшает разность населенности уровней 2s, 3s и 2р, 3р, но эффективность этого процесса мала по сравнению с процессом (7.11). Это достигается тем, что парциальное давление неона (

10 Па) много меньше парциального давления гелия (

100 Па), в связи с чем концентрация гелия значительно превышает концентрацию неона.

За счет дефекта энергий уровней (2 1 s → 2s), значительно превышающего величину kT, результат процесса (7.11) далек от желаемого. Однако это компенсируется большим временем жизни возбужденных атомов Ne на уровнях 2s и 3s, состоящих из четырех подуровней, по сравнению с уровнями 2р и 3р. Например, время жизни неона на уровне 2s₂ составляет 9,6*10 -8 с, а время жизни на уровне 2р₄ — 1,2-10 -8 с.

При осуществлении инверсной заселенности уровней 2s и 3s происходят излучательные переходы на уровни 2р и 3р со следующими длинами волн:

«Отработанные» атомы переходят за счет спонтанного излучения с уровней 3р и 2р на метастабильный уровень 1s. Сток частиц с уровня 1s обеспечивается, в основном, за счет диффузии к стенкам.
Схема конструкции газового лазера приведена на рис. 7.6.

Поскольку в процессе разряда появляются фотоны с произвольными частотами, существуют и фотоны с длинами волн λ₁, λ₂ и λ₃, совпадающими с длинами волн соответствующих переходов. Они вызывают индуцированный переход с образованием фотонов с этими же частотами, фазами и направлениями волновых векторов k’ . В случае, если появляется волна частотой, например, ω₃=с/λ₃, она распространяется вдоль трубки и отражается от зеркала. Расстояние между зеркалами выбирается кратным половине длины волны, что обеспечивает возбуждение резонатора (колебательного контура в оптическом диапазона) именно на этой длине волны.

Отраженная от зеркал волна приходит в данную точку в той же фазе, что и первичная, обеспечивая положительную связь. Происходит накопление фотонов, то есть энергии монохроматической волны. Ввиду высокой добротности контура, достигающей десятков тысяч единиц, амплитуда колебаний становится достаточно большой. Наличие выходных окон газоразрядной трубки, расположенных под углом Брюстера, выделяет линейную поляризацию волн в определенной плоскости, в связи с чем волны с иной поляризацией не проходят через полупрозрачное зеркало 2, которое пропускает всего 4-5% интенсивности излучения, а остальные 96% идут на поддержание процесса генерации.

Увеличение потерь излучения на волне λ₂ (усиление на переходе 2s₂ → 3p₁ велико по сравнению с усилением на переходе 3s₂→ 2p₄) достигается как использованием окон, расположенных под углом Брюстера, так и соответствующей расстройкой резонатора. Однако наличие этого излучения снижает эффективность работы лазера в видимом оптическом диапазоне.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис. 7.7) представляет собой газовый Не-Ne лазер 1, который установлен на оптической скамье 2. Блок питания 3 лазера расположен отдельно. На держателе 4 расположен горизонтальный столик 5, на который в ходе выполнения работы устанавливаются следующие детали: дифракционная решетка 6; экран 7; поляроид 8; вращение которого осуществляется рычагом 9; фотодиод 10. Микроамперметром 11 измеряется ток в цепи фотодиода. Стационарный экран 12 должен быть расположен на расстоянии не менее 1,5 м от лазера.

Методика проведения эксперимента

Определение длины волны излучения лазера

После прохождения через дифракционную решетку лазерного луча на экране возникает дифракционная картина [2,4] пятен, соответствующих главным дифракционным максимумам нулевого, первого, второго и т.д. порядков (рис. 7.8).

Длина волны излучения определяется из условия главных дифракционных максимумов

Угол дифракции вычисляется по формуле

Здесь l — расстояние между экраном и дифракционной решеткой,
h_i — расстояние между нулевым и i-ым максимумами (i = 1, 2. ).

По формуле (7.12) вычисляется длина волны излучения.

Оценка направленности излучения лазера

Малое угловое расхождение лазерного луча можно оценить, помещая экраны на разных расстояниях от лазера (рис. 7.9) и измеряя радиус пятна излучения.

Зная расстояние l между экранами и диаметры d световых пятен на экранах, можно определить угловое расхождение светового пучка по формуле

Исследование поляризации излучения лазера

i. Доказательством линейной поляризации излучения лазера служит соответствие полученного графика закону Малюса [1,3]

Порядок выполнения лабораторной работы

Ознакомьтесь с информацией на лабораторном столе (п.1). Включение лазера производите в присутствии преподавателя или лаборанта.

Включите в сеть блок питания 3 (см. рис. 7.7). Тумблер «сеть» на блоке питания поставьте в положение «вкл». На экране 12 должно появиться яркое пятно. Через 7-10 минут лазер готов к работе.

Определение длины волны излучения лазера

1. Установите столик 5 на расстояние (0,8-1,2) м от экрана 12 (см. рис. 7.4). Для этого отпустите зажимной винт стойки, плавно переместив столик вдоль скамьи, установите по указателю нужное положение и закрепите винтом.
2. На столике 5 установите дифракционную решетку 6. Выведите световое пятно в центр дифракционной решетки (см. указание на лабораторном столе). На экране 12 возникает дифракционная картина с ярким нулевым максимумом.
3. Измерьте расстояние между дифракционными максимумами первого h_i и второго h₂ порядков (см. рис. 7.8).
4. Переместите столик 5 на (0,2-0,3) м ближе к экрану 12.
5. Измерьте h_i и h₂ при новом положении дифракционной решетки.
6. Запишите результаты измерений и постоянную решетку d = 0,01 мм в табл. 7.1.
7. Снимите со столика дифракционную решетку.

Оценка направленности излучения лазера

1. Установите столик на расстоянии l = (0,8-0,9) м от экрана 12 (см. рис. 7.7).
2. На столике 5 установите поляроид 8, который в данном упражнении используется в качестве ослабителя яркости светового луча. Выведите световое пятно в центр поляроида. Вращая поляроид рычагом 9, получите оптимальную для Ваших глаз яркость пятна на экране.
3. Приложите к экрану листок бумаги и зарисуйте сечение пятна.
4. Установите на столик 5 экран 7 (между поляроидом и экраном 12).
5. Зарисуйте сечение пятна на экране 7.
6. Измерьте диаметры пятен по своим рисункам не менее трех раз по разным направлениям.
7. Запишите результаты измерений диаметров пятен (d’) и расстояние l в табл. 7.2.
8. Снимите со столика экран 7.

Исследование поляризации изучения лазера

1. Вращая поляроид рычагом 9, убедитесь, что яркость пятна на экране 12 зависит от угла поворота поляроида вокруг оси светового пучка. Получите максимальную яркость пятна. Это положение поляроида будет началом отсчета угла поворота (φ = 0).
2. Установите на столик фотодиод 10 и подключите к нему микроамперметр 11.
3. Поставьте тумблер микрометра в положение «вкл».
4. Выведите световой пучок на фоточувствительный слой фотодиода (см. указание на лабораторном столе). В этом случае микроамперметр будет показывать максимальный ток в цепи фотодиода.
5. Измеряйте ток через каждые 5 o поворота поляроида. Отсчет φ производите по шкале на диске крепления поляроида. Измерения запишите в табл. 7.3.
6. Поставьте тумблер микроамперметра и тумблер «сеть» блока питания в положение «вкл». Выключите блок питания из сети.
7. Снимите со столика поляроид и фотодиод.

Обработка результатов измерений

1. Вычислите по формуле (7.13) углы дифракции для максимумов первого и второго порядков.
2. По формуле (7.12) вычислите длину излучения лазера для тех же максимумов.
3. Рассчитайте среднее значение длины волны.

Источник

Вам также может понравиться

Что является главной частью любого увеличительного прибора

Основные составляющие всех увеличительных приборов

043

Что служит основой для изготовления полупроводниковых приборов

Основные материалы, используемые в производстве полупроводниковых

038

Чем отличается тепловизор от прибора ночного видения

Основные отличия между тепловизорами и приборами ночного

060

С помощью каких приборов определяют влажность воздуха

Какие приборы используют для измерения влажности воздуха

038

Прибор для поиска обрыва проводки в автомобиле

Как использовать прибор для обнаружения обрыва проводки

035

Прибор для обнаружения скрытой проводки в стене

Прибор для обнаружения скрытой электропроводки в стенах

020

Прибор для обнаружения дыхательного газообмена у растений

Новое устройство для определения процесса дыхания растений

023

Прибор для измерения прироста растений в длину

Прибор для определения увеличения размеров растений

022