Лазаренко А.Г., Муссил В.В., Лемешевская Е.Т. Методические указания к лабораторным работам по курсу Квантовая радиофизика и нелинейная оптика - файл n1.doc

Лазаренко А.Г., Муссил В.В., Лемешевская Е.Т. Методические указания к лабораторным работам по курсу Квантовая радиофизика и нелинейная оптика
скачать (1002 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1002kb.06.11.2012 18:00скачать

n1.doc

1   2   3   4

контрольные вопросы


  1. При каких условиях среда, в которой происходит распространение света, становится нелинейной?

  2. Какие бывают нелинейные явления?

  3. Что необходимо для наблюдения тепловой дефокусировки света?

  4. От каких параметров зависит число интерференционных колец в картине тепловой дефокусировки света?

  5. Для чего в данной лабораторной работе используется фокусирующая линза?

  6. Какие требования предъявляются к поглощающему раствору для наблюдения тепловой дефокусировки света?

  7. Наблюдается ли явление тепловой дефокусировки при прохождении света через растворитель?

  8. Как можно усилить эффект расходимости пучка?


Лабораторная работа № 6

Определение длины и времени когерентности
лазерного излучения
с помощью интерферометрических измерений

Цель работы – определение ширины линии генерации лазера и когерентности его излучения при помощи интерферометрических измерений, ознакомление с методикой записи, восстановления и обработки голографических изображений при интерференционных измерениях.


Общие сведения

Голографией называют способ записи и последующего восстановления волнового поля, основанный на регистрации картины интерференции, которая образована волной, рассеянной предметом (предметной), при освещении его источником света, и когерентной с ней волной (опорной), идущей непосредственно от источника света. Зарегистрированная картина интерференции называется голограммой.

Проявленная и зафиксированная голограмма представляет собой дифракционную решетку и может быть использована для получения объемного изображения предмета.

Голография широко применяется в науке и технике. Одним из важнейших ее применений является голографическая интерферометрия.

Голографическая интерферометрия служит для измерения характеристик деформаций, вибраций, отклонений от эталона и других смещений, значения которых имеют порядок длины волны лазера. Голографические интерферометры, работающие в реальном времени, менее критичны к стабильности и качеству изготовления отдельных деталей, чем их не голографические аналоги. Уникальным свойством голографии является возможность записывать множество изображений на одну и ту же голограмму, причем при восстановлении они интерферируют как независимые волновые фронты. Эта способность записывать волновые фронты за различное время, а также тот факт, что теперь в интерферометрии можно использовать произвольные волновые фронты, сделали голографический подход более гибким, чем классический. К достоинствам голографической интерферометрии относятся также бесконтактность, высокая чувствительность, возможность контроля объектов, имеющих относительно большие поверхности, в том числе и диффузно-отражающие, что невозможно в классической интерферометрии.

Н
Рис. 1
а рис.  1 изображены схемы записи (рис. 1а) и восстановления (рис. 1б) голограммы. Это запись светового поля, образовавшегося при интерференции двух когерентных полей: поля, рассеянного объектом, и поля лазерного пучка. В отличие от обычной фотографии голограмма содержит информацию не только об амплитуде, но и о фазе световой волны.

Регистрация голограммы на фотопластинке производится за счет вариации показателя преломления или оптической толщины светочувствительного слоя, коэффициента пропускания или отражения этого слоя. При этом используются разнообразные светочувствительные материалы: галогенсеребряные фотопленки и фотопластинки, органические фотоэмульсии, халькогенидные стекла, диэлектрические и полупроводниковые кристаллы и другие.

В процессе записи и восстановления голограмм сильное влияние на их качество оказывает степень когерентность светового пучка источника излучения (лазера). Мерой временнуй когерентности являются длина когерентности lког, определяемая как длина цуга волн, испускаемых источником света без разрыва фазы, или время когерентности ког, связанное с lког соотношением

lког= cког, (1)

где с – скорость света. Время когерентности, в свою очередь, связано с частотным интервалом , в котором осуществляется генерация когерентного цуга излучения (шириной линии генерации)

ког 1/. (2)

При записи и восстановлении голограммы разность хода опорного и предметного пучков не должна превышать lког, в противном случае вместо интерференционной картины на ней будет зафиксировано простое сложение интенсивностей этих пучков. Таким образом, если излучение лазера содержит некогерентную составляющую, то на голограмме возникает равномерный фон, который ухудшает контраст интерференционной картины, т.е. качество голограммы.

Методика выполнения работы

в


Рис. 2
данной работе используется голографическая дифракционная решетка, схема записи которой изображена на рис. 2. в состав схемы входят: 1 – коллиматор, 2 – светоделительная призма, 3 – зеркало управления предметным лучом, 4 – зеркало управления опорным лучом, 5 – экран, 6 – непрозрачный экран, 7 – вспомогательное зеркало, 8 – вспомогательный экран). Луч лазера ЛГН-503 направляется вдоль оптической оси коллиматора, увеличивающего диаметр луча, и делится призмой на два луча. Один из них играет роль опорного, другой – предметного пучка. В данном случае предметная и опорная волны являются плоскими, а интерференционная картина – совокупностью параллельных эквидистантных линий. Если эти волны сходятся под углом , то голограмма представляет собой дифракционную решетку с периодом

, (3)

г


Рис. 3
де р - длина световой волны, используемой при записи. Используемая в данной работе голограмма представляет суперпозицию двух таких систем полос, повернутых одна относительно другой на 90 градусов, так что и дифракционная картина, которая наблюдается при освещении голограммы, будет двумерной.

Чтобы зарегистрировать голограмму, на месте экрана 6 нужно поместить тонкую пленку полимера (называемого фоторезистом) на стеклянной пластине (светочувствительную среду). В области интерференционных максимумов под действием лазерного излучения в фоторезисте происходит фотохимическая реакция типа дубления, снижающая его растворимость в щелочах. Поэтому последующая обработка записанной картины в щелочи приводит к фиксации голограммы в виде нерастворенных крапинок фоторезиста в местах, соответствующих интерференционным максимумам.

При освещении этой голограммы плоской световой волной с длиной в, на экране будет наблюдаться дифракционная картина (рис. 3), максимумы интенсивности в которой наблюдаются под углами дифракции , определяемыми соотношением , где m = 0, 1, 2, … - порядки дифракции. По мере возрастания порядка дифракции интенсивность дифракционных максимумов резко ослабевает. для определения периода записанной на голограмме дифракционной решетки можна измерить угол между направлениями распространения волн нулевого и первого порядка. Тогда для искомого периода получим формулу:

. (4)

Длина когерентности лазера lког измеряется в работе путем наблюдения за ухудшением контраста интерференционной картины при увеличении разности длин плеч интерферометра Майкельсона вплоть до полного исчезновения полос. Удвоенную (за счет двойного прохода лучом плеча интерферометра) разность хода, при которой полосы исчезают, можно считать приближенно равной lког.

Основой лабораторной установки является измерительная голографическая установка УИГ-22К, состоящая из голографического стола и лазеров: аргонового ЛГН-503 и гелий-неонового ЛГН-111. Первый из них используется для записи голограмм благодаря относительно высокой выходной мощности (1 Вт в непрерывном режиме) и длине волны, лежащей в сине-зеленой области спектра (р = 0,488 мкм). Его недостаток – высокая потребляемая мощность (около 10 кВт), что требует двухконтурной системы водяного охлаждения. Расходимость излучения лазера ЛГН-503 – порядка десятых долей миллирадиана, накачка осуществляется путем возбуждения ионов аргона столкновениями в плазме дугового разряда. Лазер ЛГН-111 применяется для восстановления голограмм (в = 0,6328 мкм).

Структурная схема установки показана на рис. 4 (вид сверху) и рис. 5 (вид сбоку). Подвижная плита голографического стола расположена на пневматических подушках, защищающих установку от воздействия внешних вибраций. На плите собираются измерительные схемы при помощи комплекта оптических элементов и сменных держателей. Лазер ЛГН-111 расположен на подвижной полке голографического стола, лазер ЛГН-503 - на стойке рядом с установкой УИГ-22К. Лучи лазеров выводятся на голографический стол с помощью зеркал, укрепленных в поворотных головках.

Порядок выполнения работы

  1. Изучить принцип работы и устройство лазеров лгн-503 и лгн-111 по их техническим описаниям.

  2. Контроль влияния внешних условий на работу установки

21. Собрать на голографическом столе интерферометр майкельсона, оптическая схема которого показана на рис. 6. В состав интерферометра входят: 1 – призма-куб, 2 – зеркала, 3 – линза, 4 – экран.

2.2. Установить тумблер сеть блока питания лгн-111 в положение «вкл.». При этом должна загореться сигнальная лампочка, а через 13 с – появиться лазерное излучение.

2.3. Регулируя поворотными винтами юстировочных головок положение зеркал в плечах интерферометра, добиться появления на экране интерференционной картины, состоящей из 4 - 6 полос и визуально оценить ее устойчивость. Окружающие условия считаются пригодными для работы установки, если смещение интерференционных полос не превышает одной восьмой периода полос. В противном случае следует устранить причину вибраций (выключить вентиляцию или другое оборудование, создающее вибрации).

2.4. Выключить тумблер сеть блока питания ЛГН-111.

  1. Определение длины когерентности лазера ЛГН-111

3.1. Модернизировать схему интерферометра Майкельсона (рис. 6) таким образом, чтобы одно из его зеркал могло перемещаться. При перемещении зеркала интерференционная картина должна сохраняться, т.е. на экране должны накладываться пучки, отраженные обоими зеркалами. Это возможно, если разности длин плеч интерферометра изменяются от 0 до 10  15 см. направляющая, по которой перемещается зеркало, должна быть установлена параллельно лазерному лучу, а тот, в свою очередь, должен быть параллелен поверхности стола УИГ.

3.2. Повторить операции п. 2.2.

3.3. Добиться максимального контраста интерференционной картины небольшими перемещениями подвижного зеркала относительно точки, для которой плечи интерферометра одинаковы. Отметить это положение по линейке на столе УИГ как l1. Медленно перемещая зеркало от делительного кубика, наблюдать ухудшение контраста интерференционной картины вплоть до полного ее исчезновения. Отметить это положение по линейке на столе как l2. Вычислить длину когерентности по соотношению:

2(l2  - l1) = lког. (5)

3.4. Повторить п.3.3 несколько раз, определить среднее значение длины когерентности lког и погрешность ее измерения.

3.5. Используя формулы (1) – (2), вычислить время когерентности, ширину линии излучения лазера и оценить погрешности их измерения.

  1. Запись голограммы

4.1. Собрать на голографическом столе оптическую схему записи голограммы (рис. 2).

  1. Восстановление и обработка голографического изображения

5.1. Собрать на голографическом столе оптическую схему восстановления изображения (рис.  7), в состав которой входят: 1 – голограмма, закрепленная в универсальном держателе, 2 – экран.

5.2. Включить лазер ЛГН-111 и регулировкой положения голограммы добиться появления на экране дифракционных максимумов нулевого и высших порядков.

5.3. Измерить расстояние R между голограммой и экраном и расстояние r между дифракционными максимумами нулевого и первого порядка.

5.4. Выключить лазер ЛГН-111.

5.5. Рассчитать угол дифракции для дифракционного максимума первого порядка с помощью соотношения

(6)

5.6. С помощью соотношения (4) рассчитать период дифракционной решетки. Оценить погрешность измерений.
Контрольные вопросы

1. Как связаны длина когерентности, время когерентности и ширина линии излучения лазера?

  1. Почему пятно лазерного излучения на шероховатых поверхностях имеет темные точки (так называемую спекл-структуру)?

  2. В каких применениях лазеров используется высокая когерентность их излучения?

  3. Какие лазеры – газовые или твердотельные в общем случае дают более когерентное излучение? почему?

  4. В чем суть голографической интерферометрии. В чем ее преимущества и недостатки в сравнении с классической интерферометрией?

  5. Почему для записи и восстановления голограммы применяются разные длины волн?

  6. Как влияют механические вибрации во время записи голограммы на качество восстановленного по ней изображения объекта?

  7. Укажите области применения голографической интерферометрии.

Приложение

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ

С ЛАЗЕРАМИ

П.1 Воздействие лазерного излучения на человека


Лазерное излучение (прямое, отраженное, рассеянное) при попадании в органы зрения или на кожу может вызвать их повреждение. Факт действия лазерного излучения на организм человека установлен достоверно. Поглощаясь биологическими тканями, излучение подвергается сложным превращениям. В частности, энергия излучения может превратиться в тепловую энергию. При этом наблюдается локальный нагрев ткани, что может вызвать необратимые патологические изменения (денатурация белков и др.). При мощном лазерном облучении могут также обесцвечиваться (седеть) или сгорать волосы.

Действие лазерного излучения на живую ткань зависит от мощности светового потока и режима облучения. Лазеры непрерывного действия оказывают в основном тепловое влияние, которое проявляется в эффекте фотокоагуляции. Импульсные лазеры ( ~ 10-8  10-3 с, W ~ 0,1  103 Дж) могут вызвать сложные превращения в ткани: кроме теплового действия, возможны взрывные процессы (образование ударных волн и упругих колебаний, связанных с быстрым нарастанием резкого перепада температуры в местах облучения), процессы ионизации и др.

Опытами на животных установлено, что лазерное излучение действует также на нервную систему. Например, при глубоком облучении головного мозга мышей развивались параличи и наступала смерть. Правда, несфокусированный луч не вызывал тяжелых последствий.

Лазерное излучение особенно опасно для глаз. Для сетчатки глаза граничными допустимыми плотностями мощности и энергии являются:

При облучении кожи максимальными допустимыми уровнями плотности мощности (энергии) являются:

Для лазеров с ультрафиолетовой генерацией приведенные данные недействительны.

Несфокусированное излучение маломощных газовых лазеров
(Р = 1  100 мВт) при попадании на кожу в течение короткого времени не вызывает никаких биологических изменений.

Однако всегда следует помнить, что излучение даже маломощных газовых лазеров опасно для глаз. Например, гелий-неоновый лазер мощностью 1 мВт может создать на сетчатке глаза (оптическая система глаза напоминает собирательную линзу, фокусирующую излучение на сетчатке) плотность мощности порядка 1,2103 Вт/см2, что намного превышает допустимые нормы. Плотность мощности сфокусированного лазерного луча определяет соотношение

,

где Р – мощность лазера; D - диаметр линзы (входного зрачка); f – фокусное расстояние фокусирующей системы; - длина волны генерации. Для глаза можно принять f = 1,5 см, а при ярком освещении зрачок сужается до D = 1 мм. Легко убедиться, что при  = 0,6 мкм и P = 1 мВт Pсф = 1,2103 Вт/см2.

Существенное значение имеет диаметр зрачка глаза. При большем его диаметре на сетчатку попадает больше энергии лазерного излучения. Поэтому в ярко освещенной комнате, когда диаметр зрачка минимальный, возможность поражения меньшая, чем в темноте, когда зрачок глаза расширен.

Даже отраженный или рассеянный луч мощного лазера может оказаться вредным для глаз экспериментатора. Необходимы определенные защитные меры. Следует также иметь в виду, что энергия излучения лазера, начиная с 25 Дж, вызывает серьезные повреждения кожи. Для лиц, работающих с лазерами, разработан специальный дозиметр, измеряющий энергию фонового (т.е. рассеянного и отраженного) лазерного излучения.

П.2 Инструкция по охране труда при работе в лаборатории
лазерной техники и технологии кафедры ОЭФ


І ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

  1. К работе на лазерных установках допускаются лица, которые освоили методику эксплуатации лазерных установок, выучили эту инструкцию и прошли медицинский осмотр.

  2. Студенты, которые выполняют лабораторные работы, допускаются к их выполнению только в составе группы в количества не больше четырех человек и только те, кто освоили требования этой Инструкции и прошли проверку знаний у руководителя занятий с записью в журнале.

2.1. Все переключения (кроме аварийных ситуаций) и изменения в оптических системах лазерных установок разрешается осуществлять только по разрешению преподавателя, проводящего лабора­торные занятия.

  1. Все лазерные установки должны быть заземлены.

  2. При работе на лазерных установках обслуживающий персонал должен выполнять требования инструкций по их эксплуатации.

  3. Нарушение требований этой Инструкции является нарушением трудовой дисциплины и виновные несут ответственность в соответствие с действующим законодательством.

ІІ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПЕРЕД НАЧАЛОМ РАБОТЫ

  1. Провести обзор рабочего места, убрать все лишнее, мешающее нормальной работе.

  2. Проверить целостность заземления, исправность кнопок включения и выключения, наличие протока воды в системе охлаждения излучателя, наличие и исправность предохранителей.

  3. Проверить наличие способов индивидуальной защиты от лазерного излучения: очков, фильтров, экранов, а также средств коллективной защиты.

ІІІ ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ

  1. Посторонние лица во время работы в помещения лазерной лаборатории не допускаются.

  2. Запрещается оставлять без присмотра работающие лазеры.

  3. Запрещается направлять лазерное излучение на легко возгораемые предметы.

  4. При включенной генерации вносить в оптический тракт и убирать из него любые предметы, в особенности с гладкой блестящей поверхностью, запрещается.

  5. Запрещается: выполнять такие операции, которые могут привести к попаданию прямого или зеркально отраженного луча в глаза или на кожу работающих лиц, а именно:

13.1 открывать излучатели и блоки питания, выполнять наладку, ремонт и обзор при включенном напряжении питания;

13.2 снимать технологические способы защиты, которые предусмот­рены инструкцией, и нарушать линии автоблокировки.

  1. Во время работы нужно постоянно контролировать систему охлаждения излучателей лазеров, наличие и надежность работы блокировок.

  2. Запрещается класть на установки портфели, сумки и другие посторонние предметы.

  3. Если при работе установки появляется неисправность, надо отключить установку и доложить перо этому руководителю.

  4. При травме или другом несчастном случае с сотрудником или студентом надо немедленно отстранить его от работы, оказать первую медицинскую помощь, в случае необходимости вызывать “Скорую помощь” по телефону 9-03.

ІV ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ В АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ

  1. При пожаре, затоплении помещения необходимо немедленно выключить установку (установки), сообщить присутствующим и организованно покинуть помещение.

V ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПО ОКОНЧАНИЮ РАБОТЫ

  1. Отключить установку, органы управления выставить в исходное положение.

  2. Убрать свое рабочее место.

  3. Выходя из помещения, проверить: выключено ли оборудование, закрыты ли водопроводные краны систем охлаждения, закрыты ли форточки и окна.

  4. Закрыть двери помещения на замок.

Список литературы

  1. Базакуца В.А., Сук О.П. Фізичні величини та одиниці. – Харків, 1998.

  2. Звелто О. Принципы лазеров. – М., 1990.

  3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. - М., 1980.

  4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. – М., 1967.

  5. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М., 1973.

  6. Зайдель А.Н. и др. Таблицы спектральных линий. – М.,1962.

  7. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. – М., 1988.

  8. Киселев Г.Л. Приборы квантовой электроники. – М., 1980.

  9. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Т.1,2. – М., 1981.

  10. Оптическая голография. Под ред. Г.Колфилда. Т.2. – М., 1982.

  11. Справочник по лазерной технике. Пер. с нем. – М., 1991.

  12. Степанов Б.И. Введение в современную оптику. – Минск, 1989.

  13. Степанов А.Г., Сабарно Р.В. Техника безопасности при эксплуатации лазерных установок. – Киев, 1989.

  14. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии. – М.,1977.

  15. Афанасьев В.А. Оптические измерения. - М., Недра, 1968.

  16. Ярив А. Квантовая электроника, М., Сов.радио, 1980

  17. Пантел Р., Путхоф Г. Основы Квантовой электроники, М., Мир, 1972 Пестов Э.Г., Лапшин Г.М. Квантовая электроника, М., Воениздат, 1972.

  18. Демтрёдер В. Лазерная спектроскопия, М., Наука, 1985.

  19. Алешкевич В.А., Киселев Д.Ф., Корчажкин В.В. Лазеры в лекционном эксперименте. – М.: Изд-во Моск. ун-та. 1985.

  20. Цернике Ф., Мидвинтер Дж. Прикладная нелинейная оптика. М., Мир, 1976.

  21. Агеев Л.А., Кулева М.Г., Яровая Р.Г.// УФН. – 1987. – Т.151, вып.3. – С.537-540.

  22. Яровая Р.Г., Макаровский Н.А., Лупашко Н.А.// ЖТФ. – 1988. – Т.58, вып.7. – С.1375-1380.


Содержание







стр

предисловие




3

лабораторная работа №1.

Исследование индуцированного и спонтанного излучения гелий-неонового лазера.

5

лабораторная работа №2

Изучение основных характеристик газового лазера

13

лабораторная работа №3

определение угловой расходимости инфракрасного излучения полупроводникового лазера

19

лабораторная работа №4

Свободная генерация и модуляция добротности в твердотельном лазере.

23

лабораторная работа №5.

Изучение тепловой дефокусировки лазерного излучения в поглощающих растворах

28

лабораторная работа №6.

определение длины и времени когерентности лазерного излучения с помощью интерферометрических измерений

32

Приложение

Правила техники безопасности при работе с лазерами

39

список литературы




43


1   2   3   4


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации