Теория жүзінде монохроматты, когерентті, жарық поляризациясы ұғымдарымен танысу

№ 5 ЛАБОРАТОРИЯЛЫҚ ЖҰМЫС

Лазер сәулесінің қасиеттерін зерттеу

Жұмыстың мақсаты: 1. Теория жүзінде монохроматты, когерентті, жарық поляризациясы ұғымдарымен танысу;

2. лазер сәулесінің қасиеттерімен танысу.

XVII ғасырдың аяғында жарықтың табиғаты жайында екі түрлі түсінік болды. Біріншісі жарық корпускулалық теориясы, екіншісі жарықтың толқындық теориясы. Бірінші теорияны тұжырымдаған – ағылшынның атақты ғалымы И.Ньютон (1672) болды. Бұл теория бойныша жарық дегеніміз – «жарқырауық денелерден ұшып шыққан жарық бөлщектерінің (корпускулалардың) ағыны». Бұл теорияның көптеген кемшіліктері болды. Осыған байланысты, сол кездің өзінде-ақ Голландия ғалымы Х.Гюйгенс (1678) бірқатар дыбыс құбылыстары мен жарық құбылыстарын салыстыра отырып, жарықтың толқындық теориясын ұсынды. Бұл теория бойынша – «жарық дегеніміз ерекше серпімді ортада (эфирде) таралатын толқындық процесс». Бұл теория көптеген оптикалық құбылыстардытүсіндіргенімен, өз кемшіліктері болды.

ХІХ ғасырдың 60 жылдарында ағылшынның атақты физигі Дж.Максвелл (1865) электромагниттік толқын мен жарықтың табиғаты бір, яғни жарық дегеніміз – «электромагниттік толқындардың дербес түрі» деген қорытындыға келді. Жарықтың электромагниттік теориясы да жарық шығару, жарық жұту құбылыстарын, фотоэлектрлік құбылысын т.б. құбылыстарын түсіндіре алмады.

1900 жылы немістің атақты физигі  М.Планк абсолют қара дененің  сәуле шығару заңын қорытып  шығарады. М.Планк жарық шығаратын  осцилляторлар (атом құрамындағы  электрондар) тербелгенде сәулелік  энергия белгілі мөлшерде үздік–үздік,  порция–порция болып шығуға тиіс  деп ұйғарды. Ол энергияның  осындай порциясын квант деп атады. Сонымен энергия кванты (ɛ) жарықтың тербеліс жиілігіне (ν) тура пропорционалды болады, яғни: ɛ=Һ·ν

мұнда Һ=6,62·10ˉ²⁷эрг·с=6,62·10ˉ³¹Дж·с – бұл шама Планк тұрақтысы деп аталады. Кванттық теориясы көптеген түсініксіз құбылыстарды түсіндіріп береді. Мысалы, 1905 жылы атақты физик А.Эйнштейн жарық дара энергия кванттары түрінде жұтылуы тиіс деп болжап, фотоэлектрлік құбылыстың  негізгі заңдарын түсіндірді. Эйнштейн кейінгі жарық дегеніміз кванттар ағыны, әрбір жарық квантының энергиясы ɛ=Һ·ν деп жорыды. Жарық кванттары қазір фотондар деп талады, ал жарық кванттары – фотондар ағыны деп ұғынатын теория жарықтың фотондық теориясы деп аталады.

Сонымен, ХХ ғасырдың басында жарықтың электромагниттік теориясына жарықтың фотондық теориясы қосылды. Жарықтың әрі толқындық, әрі  корпускулалық қасиеттері бар. Жарыұтың табиғаты екі жақтылы екендігі толық  дәлелденді.

Электромагниттік  теоррия тұрғысынан қарағанда, жарық электромагниттік көлденең толқын болып табылады(8-сурет).

 

 

8-сурет

Электр  Е және магнит Н ерістерінің электорлары  өзара перпендикуляр жазықтығында жатыр. S векторы толқынның таралу бағытын көрсетеді.

Қазіргі уақытта қызған денелер жарықтың негізгі көзі болып табылады, олардың  спектрлері тұтас та, сызықты болып келеді. Тұтас спектрде барлық толқын ұзындығы тұтас беріледі, яни белгілі спектр интервалында көрсетіледі. Жиілігі тұрақты жарық толқындары монохроматты деп аталады. Нақтылы жағдайда монохроматты жарық болмайды. Уақыт бойынша шектелген әртүрлі сәуле біршама жиілік интервалын қамтиды. Іс жүзінде кеңістік белгілі бір шамада жұтынушы болып табылады. Сол себепті іс жүзінде толқындық өшу байқалады.

Толқын  ұзындықтары бірдей және фазаларының  айырмашылығы уақытқа байланысты өзгермейтін  толқындар – когерентті толқындар  деп аталады.

Егер  Е векторы белгілі бір жазықтықта тербелетін болса, онда ол жазықтық – поляризация жазықтығы деп аталады. Күн, электр шамы, сынап шамы т.б. жарықтың жарықты–поляризациясының көзі болып саналмайды. Е векторының тербелетін жазықтығы үнемі өзгеріп отырады.

Сәуленің  таралу бағытына перпендикуляр, векторы  мүмкін болатын барлық бағытта тербелетін жарықты – табиғи жарық деп  атайды. Жарықты–поляризациялаған жарықтың  электрлік векторының тербелісі  тек белгіленген бір бағытта  ғана таралатынымен сипатталады.

Жарық поляризациясын келесі тәсілдермен  алуға болады:

1. диэлектриктен шағылу арқылы (су, шыны т.б.);

2. шыны пластинкалардан сәуленің сынуы арқылы;

3. жарықтың кристалда сынуы арқылы;

4. лазер көмегімен;

5. поляроид және поляризацияланған призмалар арқылы.

Қазіргі кезде көбінесе Волластон, Аренс, Томпсон  призмалары қолданылады. Поляроидтар  өте қолайлы, өткізу коэффициенті төмен, оларды дайындау қымбатқа түспейді. Жарықты  өткізудің проценті мен кірістегі  сәуле шоғының поляризациялану  проценті – поляризатордың сипаттамасы болып табылады. Пленкалы поляризатор кірістегі жарық шоғының 30 % өткізіп, 70 % поляризацияға ұшырайды. Лазер 100 % поляризацияны береді.

Анализаторлар арқылы табиғи жарықты поляризацияланған  жарықтан ажыратуға болады және жарықтың тербеліс бағыты зерттеледі. Жарықты  поляризациялауға қолданылатын поляризатор  – анализатор болып табылады.

Егерде  А анализаторлы өз өсінің айналасында  айналдырса, онда жарық поляризациясының үдемелі қарқындылығы, анализатордан  өткенде, мына заң бойынша төмендейді:

J=Jₒ·cos²ἁ

Бұл Малюсс заңы, мұндағы: J – анализатордан өткен интенсивті жарық, Jₒ – анализаторға түсетін интенсивті жарық, ἁ – поляроид пен поляроид–анализатор аралығындағы бұрыш.

1. монохроматор

2. жарық көзі

           3. анализатор

9-сурет. Қондырғының құрылысы.

Құрал–жабдықтар: жарық көзі ЛГН–203 лазері, электр шамы, сынап шамы, монохроматор УМ–2, анализатор, поляризатор, қызыл–сары фильтрлер.

Лазер – атомдар мен молекулалардың еріксіз сәуле шығаруына негізделген электромагниттік сәуле. Ол ағылшынның «Жарықты еріксіз сәуле шығару арқылы күшейту» деген сөздерінің бас әріптерінен құралған. Лазерді оптикалық кванттық генератор (ОКГ) десе де болады.

Лазер – оптикалық резонатордан, активті элементтерден және корпустардан тұрады (10-сурет). Оптикалық резонатордан сфералы (І) және жазықты (2) айналардан тұрады. Резонторда катод және анод арқылы қызатын газразрядты түтік орналастырылған. Түтіктің іші гелий, неон қоспасымен толтырылған. Бұл түтік пен айналар қатты арматурға бекітілген. Оның сырты герметикалық корпуспен (4) қоршалған. Ол шаң мен ылғалдан сақтайды. І сфералық айнасы бар жағынан жоғары вольтті кабель (5) түтіктің қоректендіруші кернеуі болып табылады. Сфераға қарама–қарсы жатқан жазық айнасы сәулесінің шығуын қамтамасыз етеді.

 

 

 

10-сурет. Лазердің құрылысы.

Сәулеленудің толқын ұзындығы, А      6328

Сәулеленудің  қуты, мВт       2-ден кіші емес

Сәуленің  бұрыштық таралуы, бұрыш.мин.     10

Активті элементтің ұзақтығы, сағ.      500-ден кіші емес

Орта  мектептің физика курсынан атомдағы электрондардың әр түрлі деңгейде қозғалып жүретіні белгілі. Электр бір деңгейден  екінші деңгейге өткенде жарық толқынын шығарады.

Атомдағы  электрон төменгі және жоғары деңгейде орналаса алады. Егер электрон төменгі  деңгейде орналасқан болса, онда оны  жоғары деңгейге өткізу үшін оған жарық  толқынымен ісер етеді. Электрон осы  жарық энегиясының бір бөлігін  жұтады да, жоғарғы деңгейге өтеді. Ал электрон жоғары деңгейде орналасқан болса, онда оған әсер еткен жарық  нәтижесінде электрон төменгі деңгейге өтеді де, өзінен фотон бөліп шығарады. Ал жоғары деңгейде бір емес, бірнеше  электрон орналасқан болса, онда олар жарық әсерінен төменгі деңгейге өткенде бірден фотондар бөліп шығарады. Бұл процесті еріксіз шығару (метастабильді) деп атайды. Міне осы процесс лазердің негізі болып саналады. Ал жоғары деңгейде орналасқанэлектрондар жарық әсер етпей–ақ төменгі деңгейге өте алады. Бұл кездегі бөлінген фотондар әртүрлі электрондар үшін түрліше болады. Мұны өз бетінше, спонтанды шығару деп атайды. Лазерді құру кезінде бұл процесс зиянды болып саналады. Сонымен, төменгі деңгейдегі электрондар өзіне түскен жарықтың бір бөлігін жұтып, жоғары деңгейге көтерілсе, жоғары деңгейдегі электрондар өзіне түскен жарық энергиясының бір бөлігін фотон ретінде бөліп шығарып, төменгі деңгейге түседі. Ал төменгі деңгейдегі электрондар саны жоғары деңгейдегі электрондар санына қарағанда көбірек болғандықтан жалып алғанда жарық жұтылуы көбірек байқалады. Атомдардан пайдалы жарық энергиясын бөліп алу үшін жоғары деңгейдегі электрондар саны төменгі деңгейдегі электрондар санынан көбірек болғаны жөн. Ол үшін активті орта керек. Активті ортаның энергиясының арқасында электрондардың төменгі деңгейден жоғары деңгейге шығаруы жүреді. Міне, осы айтылған жайттарды молекула ішінде орналасқан атомдарға да таратуға болады. Айталық, активті ортада қозған атомдардың біреуі шығарған сәуле сол ортадан шықпас бұрын басқа қозған атомдардың еріксіз ауысуына себепші болады. Мұның салдарынан жарық толқыны күшейеді.

Разрядталған  түтік І мм сынап бағанасындағы  қысыммен гелий және 0,1 мм сын. бағ. Қысыммен неон элементтерінің қоспасымен толтырылған. Түтіктің соңында жазық – параллелді күңгірт айнасы бар. Ол лазер сәулесінің шығуын қамтамасыз етеді. Разряд гелий атомын метастабилді деңгейіне ауыстырмай қоздырады. Қозған Не атомы қалыпты жағдайда тұрған Ne атомымен соқтығысып, өзінің энергиясын береді. Ал Ne атомы 2S деңгейіне өтеді, нәтижесінде 2S және 2Р деңгейлерінде орналасу инверстігі артады. 2S →2Р деңгейлерінің ауысуынан лазер сәулесі шығады. Неон атомының 2Р деңгейінен 1S деңгейіне шапшаң тез ауысып тұруынан, неон атомының 2Р деңгейінде жинақталып қалмауын қамтамасыз етеді. 2S деңгейі – 4 деңгейшеден, ал 2Р деңгейі – 10 деңгейшеден тұрады.

Лазер сіулесінің негізгі өзіндік қасиеттері бар:

1. Когеренттілігі;
2. Қатал түрде монохроматтылығы;
3. Сәулеленудің қуаттылығы;
4. Сәуле жан–жаққа шашырамай, тек бір бағытта таралуы;
5. Электр өрісінің кернеуінің өте көптігі.

Лазер – жарық көзінің жаңа түрі болып саналады. Көзге көрінетін ақ жарықты призма арқылы өткізсе, онда ол жеті түске жіктеледі және қызылдан күлгінге дейінгі аралықта ауытқиды. Ал лазер шығаратын жарық тек бір түскен тұрады. Сол себепті монохроматты сәуле деп атайды.

ЖҰМЫСТЫҢ ОРЫНДАЛУ ТӘРТІБІ

1. Жазықты және сызықты спектрлерді зерттеу.

Монохроматордың саңылауына электр шамын  бағыттайды. Монохроматордың барабанын  айналдыру арқылы электр шамының  спектрлерін анықтаңдар. сондай–ақ сынап шамының спектрлерін анықтап, оларды бір–бірімен салыстырыңдар. Инфрақызылды спектрінен анықтап, оларды бір–бірімен салыстырыңдар. Инфрақызылды спектрінен ультракүлгінді спектрлерге дейінгі барлық аудандарын бақылап, спектрлерді қағазға түсіріңдер. Қорытынды жасаңдар.

2. Лазер – монохроматты сәуле екеніне көз жеткізу.

Лазер сәулесінің монохроматордың  саңылауына бағыттайды. Қажет болса  қоңыр фильтр арқылы сәуленің жарықтығын әлсіретіңдер. Монохроматордың барабаны айналдырумен лазер сәулесінің спектрін анықтаңдар. Оны электр шамы мен  сынап шамының спекртлерімен  салыстырып, лазердің сәулесіне түсінік  беріңдер.

3. Лазер сәулесі жан–жаққа шашырамай тек бір бағытта таралатынына көз жеткізу.

Лазер сәулесін бірнеше қашықтықта тұрған экранға бағыттаңдар. Экранға түскен сәуле шоғының диаметрін өлшеңдер.

1 см, 10 см, 30 см, 200 см қашықтықтағы лазер сәулесінің шоғының диаметрін өлшеңдер.

4. Лазер сәулесі – сызықты поляризация.

Лазердің сәулесіне  перпендикуляр етіп поляроид (анализатор) орналастырыңдар. Анализатор арқылы өтетін сәуленің интенсивтілігіне көңіл бөліп, түсініктеме беріңдер.