Контрольные вопросы и задания

1. Расскажите о явлении фотоэффекта; о видах фотоэффекта.

2. В чем заключается суть внешнего фотоэффекта?

3. Сформулируйте законы фотоэффекта.

4. Что такое работа выхода электрона?

5. Почему в фотоэлементах, работающих в области видимого света, светочувствительный слой делают из щелочных металлов?

6. От чего зависит "красная" граница фотоэффекта?

7. Почему работа выхода электронов для цезия меньше, чем для калия?

8. Фотоэлемент освещают светом длины волны 0,55 мкм. "Красная" граница фотоэффекта составляет (выберите верный ответ): а) 600 нм; б) 3·10¹⁴ Гц; в) 3,2 эВ; г) 5·10^-19 Дж.

9. В каких ситуациях предыдущего задания фотоэффект возможен?

10. Объяснить вольт - амперную характеристику вакуумного фотоэлемента.

11. Чем можно объяснить ток насыщения?

12. Фотоэлемент освещают поочередно красным и синим светом, не меняя остальных характеристик установки. Сравнить максимальные скорости фотоэлектронов; задерживающие потенциалы; энергии падающих фотонов; энергии выбиваемых электронов; работы выхода для этих ситуаций.

Лабораторная работа 13 изучение принципа действия лазера и определение параметров лазерного излучения

Цель работы: определение длины волны лазерного излучения в видимой области с помощью дифракционной решетки; определение степени поляризации лазерного излучения; определение угла расхождения лазерного луча.

Приборы и принадлежности: гелий-неоновый лазер непрерывного действия, дифракционная решетка, поляроид в оправе, люксметр, экран, оптическая скамья с рейтерами, миллиметровая шкала.

Краткая теория

ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор) – устройство, генерирующее и усиливающее электромагнитное излучение (свет) за счет вынужденного (индуцированного) излучения фотонов активной средой, помещенной в оптический резонатор. Индуцированным называется излучение электромагнитных волн, возникающее при переходе атома из возбужденного состояния в основное под действием внешнего излучения.

А том находится в основном состоянии, если у него заполнены все нижние энергетические уровни, и в возбужденном состоянии, если существуют нижние незаполненные уровни. С нижнего (основного) уровня на верхний (возбуждённый) переходы возможны только с поглощением кванта энергии, то есть под влиянием излучения, падающего на систему. Такие переходы называют вынужденными (рис.13.1,а).

Рис. 13.1

Если атом находится в возбужденном состоянии, то такое состояние неустойчиво. Через очень короткое время (~10 ^{- 8} с) атом перейдет в состояние с меньшей энергией (рис.13.1,б). При этом излучится квант энергии ε = hν (фотон). Такое излучение называют спонтанным (самопроизвольным). Кванты спонтанного излучения несогласованны между собой, поэтому будут отличаться друг от друга длиной волны, направлением, фазой колебаний, плоскостью поляризации.

Излучение обычных источников света (ламп накаливания, газоразрядных ламп и т.д.) возникает за счет актов спонтанного испускания квантов возбуждёнными атомами и поэтому является немонохроматичным, неполяризованным, некогерентным.

У некоторых веществ имеются энергетические уровни, на которых возбуждённые атомы задерживаются до 10 ^{- 4}с. Такие уровни называют метастабильными. Если на такой возбуждённый атом подействовать фотоном с энергией hν, равной разнице энергий между уровнем E_{k ,}на котором находится электрон, и уровнем E_n, на который он переходит

hν = E_k - E_n ,

то произойдёт вынужденный переход и излучится фотон, неотличимый от первичного фотона, вызвавшего это излучение. В этом случае от атома будут распространяться уже два фотона, имеющие строго определённые свойства, заданные первичным квантом: одинаковую длину волны, направление излучения, фазу колебаний, одинаковое положение плоскости поляризации, время излучения (рис.13.1,в).

В обычных условиях количество невозбуждённых атомов в веществе значительно больше, чем возбуждённых. Поэтому преобладающими являются процессы поглощения. Для достижения эффекта усиления света (получения индуцированного излучения) необходимо изменить распределение атомов облучаемого вещества по энергетическим уровням так, чтобы на уровнях с более высокой энергией концентрация электронов была больше, чем на уровнях с более низкой энергией. Такое состояние системы называется инверсией населённости. Инверсия населенностей (от латинского слова inversio–переворачивание) – неравновесное состояние вещества, при котором верхние энергетические уровни атомов более заполнены (заселены), чем нижние.

Рассмотрим конструкцию и принцип действия оптического квантового генератора на примере гелий-неонового лазера.

Р ис.13 .2

Для создания активной среды газоразрядная трубка Т (рис.13.2) заполняется смесью гелия и неона с парциальными давлениями 1 и 0.1 мм рт. ст. соответственно. Атомы неона являются рабочим (излучающим) веществом, атомы гелия необходимы для искусственного создания инверсии населенностей. На рис.13.3 показаны энергетические уровни атомов неона и гелия.

Рис.13 .3

Система накачки представлена электродами А и. К, помещёнными в загнутых концах трубки Т (рис.13.2), к которым приложено высокое напряжение от внешнего источника (1500 В). Инверсия населенностей, необходимая для лазерной генерации, достигается путем передачи энергии атомам неона от атомов гелия, возбужденных электрическим разрядом, следующим образом. При электрическом разряде возбуждаются атомы гелия и переходят из основного состояния Е₁ в состояния Е₂ или Е₃.(рис.13.3) Эти энергетические уровни гелия близки к уровням Е₄ или Е₅ неона. Взаимодействуя, соударяясь с атомами неона, атомы гелия передают им свою энергию. Уровни неона Е₄ или Е₅ являются метастабильными, накопление на них энергии создаёт инверсию населённостей. Отдельные атомы неона могут спонтанно переходить из состояний Е₄ и Е₅ в состояние Е₃. Фотоны, которые при этом излучаются, действуют на соседние возбуждённые атомы неона и вызывают индуцированное излучение.

Необходимым компонентом квантового генератора является положительная обратная связь, посредством которой часть излучения возвращается в систему для поддержания в ней генерации. Для этого активная среда помещается в оптический резонатор, обычно состоящий из двух параллельных зеркал S₁ и S₂ (рис. .2) с многослойным диэлектрическим покрытием. Коэффициент отражения зеркал 98 - 99%. Коэффициент пропускания света передним («полупрозрачным») зеркалом около 2%, другим («непрозрачным») – 0,1%. Расстояние между зеркалами резонатора устанавливается кратным длине волны генерируемого излучения. Если направление фотонов не совпадает с оптической осью трубки, то они излучаются через её боковую поверхность и не участвуют в создании основного излучения лазера. Фотоны, испускаемые вдоль оси трубки, многократно отражаются от зеркал, вновь и вновь проходя через активную среду и вызывая в ней акты вынужденного излучения. В результате интерференции (наложения) волн происходит экспоненциальный рост интенсивности электромагнитной волны по мере увеличения длины пути, пройденного волной в веществе.

Когда увеличение энергии волны за счет усиления превосходит потери энергии за каждый проход резонатора, начинается генерация. Часть пучка выходит наружу через полупрозрачное зеркало.

Лазерное излучение в отличие от естественного излучения 1) монохроматично, 2) поляризовано, 3) когерентно, 4) имеет малый угол расхождения лазерного пучка. Первые три свойства определяются механизмом индуцированного излучения, четвёртое – устройством оптического резонатора.

З А Д А Н И Е 1. Определение длины волны излучения гелий-неонового лазера в видимой области с помощью дифракционной решетки.

Условие главных максимумов при дифракции параллельных лучей на дифракционной решетке:

d sin φ = k λ,

где d – постоянная решетки, φ – угол дифракции лучей, k – порядок максимума интенсивности (его номер), λ – длина волны излучения. Тогда длину волны можно определить по формуле:

λ = d sin φ_к / k. (13 .1)

Синус угла φ находят из прямоугольного треугольника:

, (13 .2)

где L – расстояние от решетки до экрана, x_к – расстояние от центрального максимума до максимума k-го порядка.

Рис.13 .4