Φςζική μελέηη ακηινοβολίαρ LASER

Φςζική μελέηη ακηινοβολίαρ LASER 1. θνπόο θνπόο ηεο άζθεζεο είλαη ε εμνηθείσζε ηνπ ζπνπδαζηή κε ηα βαζηθά ραξαθηεξηζηηθά ηεο αθηηλνβνιίαο laser θαη ε κειέηε ηνπ θαηλνκέλνπ ηεο πεξίζιαζεο ηελ άζθεζε ζα πξνζδηνξηζηεί ην κήθνο θύκαηνο ηεο αθηηλνβνιίαο κηαο εξγαζηεξηαθήο ζπζθεπήο laser He-Ne. Παξάιιεια ζα κειεηεζεί ε θαηαλνκή ηεο έληαζεο ηνπ θσηόο πνπ πξνθύπηεη κεηά από πεξίζιαζε ηεο αθηηλνβνιίαο ζε νπηηθό θξάγκα. 2. Γεληθά Η ιέμε LASER είλαη ην αθξσλύκην ησλ ιέμεσλ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, δειαδή Δλίζρπζε Φσηόο κε Δμαλαγθαζκέλε Δθπνκπή Αθηηλνβνιίαο. 2.1. Ιδιόηηηερ ηηρ ακηινοβολίαρ laser α. Μεγάλη ένηαζη Η έληαζε νξίδεηαη σο ε ηζρύο ηεο αθηηλνβνιίαο (δειαδή ε αλά κνλάδα ρξόλνπ αθηηλνβνινύκελε ελέξγεηα) αλά κνλάδα επηθάλεηαο: ΔΝΣΑΗ = ΙΥΤ / ΔΠΙΦΑΝΔΙΑ ηελ αθηηλνβνιία laser ν αξηζκόο ησλ θσηνλίσλ πνπ εθπέκπνληαη αλά κνλάδα ρξόλνπ είλαη πνιύ κεγάινο (~10 17 θσηόληα ην δεπηεξόιεπην γηα 1cm 3 ελεξγνύ πιηθνύ) εμαηηίαο ηνπ κεραληζκνύ νπηηθήο ελίζρπζεο. Σαπηόρξνλα ε δηαηνκή κηαο ηππηθήο δέζκεο laser είλαη πνιύ κηθξή (ηεο ηάμεο ηνπ 1 2 ), κε απνηέιεζκα κηα ηππηθή ηηκή έληαζεο λα είλαη ~1 W/cm 2, ελώ γηα βηνκεραληθά laser θηάλεη κέρξη θαη 10 9 W/cm 2. Γηα ζύγθξηζε αλαθέξνπκε όηη ε έληαζε ηνπ ειηαθνύ θσηόο ζηελ επηθάλεηα ηεο γεο είλαη κόιηο 0.1W/cm 2, ελώ ε έληαζε ζε απόζηαζε 1m από κία ιάκπα ππξαθηώζεσο ησλ 100W είλαη 0.001 W/cm 2. β. Μονοσπυμαηικόηηηα Όια ηα θσηόληα ηεο δέζκεο έρνπλ ηελ ίδηα ζπρλόηεηα (ίδην κήθνο θύκαηνο) θη επνκέλσο έρνπλ όια ην ίδην ρξώκα. γ. Καηεςθςνηικόηηηα Η δέζκε laser έρεη πςειή θαηεπζπληηθόηεηα ε νπνία νθείιεηαη ζην γεγνλόο όηη δεκηνπξγείηαη από εθείλα ηα θσηόληα πνπ θηλνύληαη ηειείσο παξάιιεια πξνο ηνλ άμνλα ηνπ ζσιήλα. Αξθεί λα αλαθέξνπκε όηη ζε δηαδξνκή ελόο ρηιηνκέηξνπ ε κέγηζηε απόθιηζε ηεο δέζκεο από ηελ επζύγξακκε πνξεία ηεο ζα είλαη κόιηο κεξηθά εθαηνζηά!!! δ. ςμθυνία θάζηρ Απηή είλαη θαη ε ζεκαληηθόηεξε ηδηόηεηα ηεο αθηηλνβνιίαο laser: όια ηα θσηόληα ηεο δέζκεο έρνπλ ηελ ίδηα θάζε αθνύ παξάγνληαη κε ηε δηαδηθαζία ηεο εμαλαγθαζκέλεο απνδηέγεξζεο. Μ.Καραγιάννη Σελίδα 13

2.2. Δθαπμογέρ α. ηελ θαζεκεξηλή καο δσή έρνπκε πιένλ εμνηθεησζεί κε ζπζθεπέο πνπ ρξεζηκνπνηνύλ laser όπσο ζπζθεπέο αλάγλσζεο CD, αλάγλσζεο θσδηθώλ barcode ζε πνιπθαηαζηήκαηα, εθηππσηέο laser θ.α. β. Οη εθαξκνγέο ζηελ Ιαηξηθή ζηεξίδνληαη αθελόο ζηε κεγάιε θαηεπζπληηθόηεηα ηεο δέζκεο πνπ έρεη ζαλ απνηέιεζκα πνιύ κεγάιε ηζρύο λα εζηηάδεηαη ζε πνιύ κηθξή επηθάλεηα θαη αθεηέξνπ ζηε δηαθνξεηηθή απνξξόθεζε ησλ δηαθνξεηηθώλ κεθώλ θύκαηνο από ηνπο ηζηνύο. Έηζη ρξεζηκνπνηείηαη ζηε ρεηξνπξγηθή γηα αλαίκαθηεο επεκβάζεηο, ζηελ νθζαικνινγία (ζεξαπεία γιαπθώκαηνο, δηόξζσζε αηειεηώλ ζηελ όξαζε όπσο κπσπία θ.ι.π), ζηε ζεξαπεία δεξκαηνπαζεηώλ, θιεβίηηδαο, ζηελ αηζζεηηθή, έρεη αληηθιεγκνλώδε θαη αλαιγεηηθή δξάζε ζε ξεπκαηηζκνύο ή ηξαπκαηηζκνύο. Σέινο ηδηαίηεξα ζεκαληηθή είλαη ε ρξήζε ησλ laser ζε ελδνζθνπήζεηο. γ. Βηνκεραληθέο εθαξκνγέο όπσο δηάηξεζε θαη θνπή κε κεγάιε αθξίβεηα κεηάιισλ, πιαζηηθώλ, θεξακηθώλ, πθαζκάησλ,θ.ι.π. δ. Οπηηθέο ίλεο ζηηο ηειεπηθνηλσλίεο ε. Σειεκεηξία γηα κέηξεζε απνζηάζεσλ από καθξηά (αθόκα θαη απνζηάζεσλ κεηαμύ Γεο - ειήλεο) θαη κε πνιύ κεγάιε αθξίβεηα (π.ρ. γηα ηνπνγξαθηθά, θ.α.) ζη. Οινγξαθία (ηξηζδηάζηαηε θσηνγξαθία), έξεπλα (θαζκαηνζθνπία, ζπκβνινκεηξία), ζηξαηησηηθέο εθαξκνγέο, θ.ι.π. 3. ύληνκν ζεσξεηηθό κέξνο 3.1. Απσή λειηοςπγίαρ Η εθπνκπή θσηόο από έλα ζώκα είλαη απνηέιεζκα ηεο απνδηέγεξζεο ησλ δηεγεξκέλσλ αηόκσλ ηνπ. Όπσο γλσξίδνπκε ε ελέξγεηα ελόο αηόκνπ κπνξεί λα πάξεη νξηζκέλεο κόλν δηάθξηηεο ηηκέο. Όηαλ ε ελέξγεηα ηνπ αηόκνπ έρεη ηε ρακειόηεξε δπλαηή ηηκή ηεο, ιέκε όηη ην άηνκν βξίζθεηαη ζηε ζεκειηώδε (ή βαζηθή) ηνπ θαηάζηαζε. Όιεο νη άιιεο ηηκέο ηεο ελέξγεηαο αληηζηνηρνύλ ζε δηεγεξκέλεο θαηαζηάζεηο ηνπ αηόκνπ. Έλα άηνκν πνπ έρεη ελέξγεηα έζησ Ε 1 κπνξεί λα δηεγεξζεί ζε κηα θαηάζηαζε πνπ αληηζηνηρεί ζε κηα πςειόηεξε ηηκή ηεο ελέξγεηαο έζησ Ε 2, αλ απνξξνθήζεη ελέξγεηα ίζε κε ηε δηαθνξά Ε 2 -Ε 1, π.ρ. αλ απνξξνθήζεη έλα θσηόλην ελέξγεηαο h 21 E2 E1. απηή ηε δηεγεξκέλε θαηάζηαζε ην άηνκν κπνξεί λα παξακείλεη κόλν γηα έλα πνιύ κηθξό ρξνληθό δηάζηεκα ηεο ηάμεο ησλ 10-7 κε 10-8 sec. Μεηά απνδηεγείξεηαη εθπέκπνληαο έλα θσηόλην ελέξγεηαο h 21 E2 E1 (ζρήκα 3α). Η δηαδηθαζία απηή νλνκάδεηαη αςθόπμηηη αποδιέγεπζη γηαηί ζπκβαίλεη ρσξίο θακηά εμσηεξηθή παξέκβαζε. ην κεραληζκό ηεο απζόξκεηεο απνδηέγεξζεο νθείιεηαη ε εθπνκπή θσηόο ζηηο ζπκβαηηθέο θσηεηλέο πεγέο (ιακπηήξεο ππξαθηώζεσο ή θζνξηζκνύ). Σα θσηόληα πνπ εθπέκπνληαη ζ απηή ηελ πεξίπησζε έρνπλ ηπραίεο δηεπζύλζεηο θαη θάζεηο θαη ην θσο ραξαθηεξίδεηαη σο ασύμυωνο. Αληίζεηα ε ιεηηνπξγία ηνπ laser βαζίδεηαη ζην θαηλόκελν ηεο εξαναγκαζμένηρ αποδιέγεπζηρ: όηαλ έλα θσηόλην ελέξγεηαο h 21 E2 E1 πξνζπίπηεη ζ έλα άηνκν πνπ έρεη δηεγεξζεί ζηελ θαηάζηαζε Ε 2, ηόηε ην αλαγθάδεη λα απνδηεγεξζεί Μ.Καραγιάννη Σελίδα 14

εθπέκπνληαο έλα θσηόλην ηεο ίδηαο ζπρλόηεηαο, δηεύζπλζεο θαη θάζεο κε ην αξρηθό (ζρήκα 3β). Πξνθύπηνπλ έηζη δύν όκνηα θσηόληα, θαζέλα από ηα νπνία ζα πξνθαιέζεη κε ηε ζεηξά ηνπ ηελ απνδηέγεξζε ελόο αθόκε δηεγεξκέλνπ αηόκνπ (ζρήκα 3γ), δηπιαζηάδνληαο έηζη ηνλ αξηζκό ησλ παξαγόκελσλ θσηνλίσλ, θ.ν.θ. Καη απηόλ ηνλ ηξόπν επηηπγράλεηαη οπηική ενίζσςζη: από έλα κόλν αξρηθό θσηόλην πξνθύπηεη έλα πιήζνο θσηνλίσλ πνπ όια είλαη «αληίγξαθα» ηνπ αξρηθνύ. Η αθηηλνβνιία πνπ εθπέκπεηαη ζ απηή ηελ πεξίπησζε είλαη ζύμθωνη: όια ηα θσηόληα έρνπλ ηελ ίδηα ζπρλόηεηα, δηεύζπλζε θαη θάζε. Δ 2 Δ 2 Δ 2 Δ 1 Δ 1 Δ 1 Δ 2 Δ 1 (α) (β) (γ) ρήκα 1. (α) Απζόξκεηε απνδηέγεξζε. (β), (γ) Δμαλαγθαζκέλε απνδηέγεξζε E2 E1 Η πηζαλόηεηα όκσο έλα θσηόλην ζπρλόηεηαο 21 λα πξνθαιέζεη ηελ h απνδηέγεξζε ελόο αηόκνπ πνπ είλαη δηεγεξκέλν ζηελ θαηάζηαζε Ε 2, είλαη ε ίδηα κε ηελ πηζαλόηεηα λα απνξξνθεζεί από έλα άηνκν πνπ έρεη ελέξγεηα Ε 1 θαη λα ην δηεγείξεη ζηελ θαηάζηαζε Ε 2. Ο ξπζκόο εμαλαγθαζκέλεο εθπνκπήο είλαη αλάινγνο κε ηνλ αξηζκό Ν 2 ησλ αηόκσλ πνπ βξίζθνληαη ζηελ θαηάζηαζε πςειόηεξεο ελέξγεηαο Ε 2, ελώ ν ξπζκόο απνξξόθεζεο θσηνλίσλ είλαη αλάινγνο κε ηνλ αξηζκό Ν 1 ησλ αηόκσλ πνπ βξίζθνληαη ζηελ θαηάζηαζε Ε 1. ε ζπλζήθεο ζεξκηθήο ηζνξξνπίαο ν ιόγνο Ν 2 / Ν 1 δίλεηαη από ην λόκν ηνπ Boltzmann: N ( E E ) kt N 1 e 2 2 1 δειαδή πεξηζζόηεξα άηνκα βξίζθνληαη ζηελ θαηάζηαζε ρακειόηεξεο ελέξγεηαο Ε 1 (Ν 1 > Ν 2 ), κε απνηέιεζκα λα θπξηαξρεί ε δηαδηθαζία απνξξόθεζεο θσηνλίσλ. Αλ θαηνξζώζνπκε λα πξνθαιέζνπκε ανηιζηροθή πληθσζμών (Ν 2 > Ν 1 ), ώζηε ην πιήζνο Ν 2 ησλ αηόκσλ πνπ έρνπλ ελέξγεηα Ε 2 λα είλαη κεγαιύηεξν από ην πιήζνο Ν 1 ησλ αηόκσλ κε ελέξγεηα Ε 1, ηόηε νη απνδηεγέξζεηο ζα είλαη πεξηζζόηεξεο από ηηο δηεγέξζεηο κε απνηέιεζκα ν αξηζκόο ησλ παξαγόκελσλ θσηνλίσλ λα απμάλεηαη ζπλερώο (οπηική ενίζτσζη). Η αληηζηξνθή πιεζπζκώλ επηηπγράλεηαη κε ηε διαδικαζία ηης άνηληζης, θαηά ηελ νπνία κηα εμσηεξηθή πεγή όπσο π.ρ. κηα ειεθηξηθή εθθέλσζε ή θσηεηλή αθηηλνβνιία θαηάιιειεο ζπρλόηεηαο, παξέρεη ελέξγεηα ζηα άηνκα ηνπ πιηθνύ ώζηε λα ηα δηεγείξεη ζηελ θαηάζηαζε Ε 2. ε έλα ζύζηεκα αηόκσλ πνπ έρεη κόλν δύν ελεξγεηαθέο ζηάζκεο Ε 1 θαη Ε 2 είλαη αδύναηο λα επηηεπρζεί αληηζηξνθή πιεζπζκώλ κε νπνηνδήπνηε κεραληζκό άληιεζεο. Πξάγκαηη, νη δηεγέξζεηο ζα είλαη πεξηζζόηεξεο από ηηο απνδηεγέξζεηο έσο όηνπ εμηζσζνύλ νη πιεζπζκνί ησλ δύν ζηαζκώλ, νπόηε θαη απνθαζίζηαηαη ηζνξξνπία: όζα άηνκα δηεγείξνληαη ζηελ θαηάζηαζε Ε 2, άιια ηόζα επηζηξέθνπλ ζηε ζεκειηώδε Μ.Καραγιάννη Σελίδα 15

θαηάζηαζε Ε 1. Γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ laser επνκέλσο, απαηηνύληαη ηνπιάρηζηνλ ηξεηο ελεξγεηαθέο ζηάζκεο, ελώ ηα ζπζηήκαηα ηεζζάξσλ ελεξγεηαθώλ ζηαζκώλ είλαη αθόκε πην απνδνηηθά. 3.2. Γενικά καηαζκεςαζηικά ζηοισεία Σα γεληθά θαηαζθεπαζηηθά ζηνηρεία κηαο ζπζθεπήο laser, αλεμάξηεηα από ηα ηδηαίηεξα ραξαθηεξηζηηθά θαη ηηο ιεπηνκέξεηεο θαηαζθεπήο θάζε ζπγθεθξηκέλνπ ηύπνπ, θαίλνληαη ζην δηάγξακκα ηνπ ζρήκαηνο 1 θαη είλαη: Σν ενεργό σλικό ή ενεργό μέζο ηνπ laser, δειαδή ην πιηθό πνπ ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηε δεκηνπξγία θαη ελίζρπζε ηεο παξαγόκελεο ζύκθσλεο αθηηλνβνιίαο κέζσ εμαλαγθαζκέλεο απνδηέγεξζεο ησλ αηόκσλ ηνπ. Απηό κπνξεί λα είλαη αέξην (όπσο π.ρ. ην laser He-Ne πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζην εξγαζηήξην), πγξό, ζηεξεό, εκηαγσγόο, θ.α. Η ζύζηαζε ηνπ ελεξγνύ πιηθνύ θαζνξίδεη ην κήθνο θύκαηνο ηεο εθπεκπόκελεο αθηηλνβνιίαο. A πποζθεπόμε νη ενέπγεια μέζυ ηηρ διαδικαζίαρ άνηληζηρ B ενεπγό ςλικό έξοδορ δέζμηρ laser κάηοπηπο ςτηλήρ ανακλαζηικόηηηαρ (100%) ημιεπαπγςπυμένο κάηοπηπο ρήκα 2. Γεληθά θαηαζθεπαζηηθά ζηνηρεία κηαο ζπζθεπήο laser Η οπηική κοιλόηηηα, κηα δηάηαμε από θάηνπηξα πνπ πεξηβάιιεη ην ελεξγό πιηθό. ηελ απινύζηεξε κνξθή ηεο ε νπηηθή θνηιόηεηα απνηειείηαη από δύν θάηνπηξα ζηα νπνία αλαθιάηαη ε αθηηλνβνιία πνπ δηαδίδεηαη ζην ελεξγό πιηθό. Σν έλα απ απηά (θάηνπηξν B ζην δηάγξακκα ηνπ ζρ.1) έρεη αλαθιαζηηθόηεηα κηθξόηεξε ηεο κνλάδαο ώζηε λα εμέξρεηαη απ απηό ε δέζκε laser. Κάζε θσηόλην πνπ δηαδίδεηαη ζην ελεξγό πιηθό θαη θηάλεη ζηα θάηνπηξα, αλαθιάηαη πάλσ ζ απηά θαη πεγαηλνέξρεηαη αξθεηέο θνξέο κέζα ζην πιηθό πξηλ εμέιζεη από ην εκηεπαξγπξσκέλν θάηνπηξν. Κάζε θνξά πνπ πεξλά κέζα από ην πιηθό πξνθαιεί εμαλαγθαζκέλεο απνδηεγέξζεηο ζε επηπιένλ δηεγεξκέλα άηνκα. Καη απηόλ ηνλ ηξόπν ην αξρηθό θσηόλην «πνιιαπιαζηάδεηαη εθζεηηθά» ζην δηάζηεκα παξακνλήο ηνπ κέζα ζην πιηθό θαη επηηπγράλεηαη ε απαηηνύκελε νπηηθή ελίζρπζε. Μ.Καραγιάννη Σελίδα 16

Ο μητανιζμός άνηληζης, κε ηνλ νπνίν επηηπγράλεηαη ε αλαγθαία γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ laser αληηζηξνθή πιεζπζκώλ. 3.3. ςζκεςή laser He-Ne Η ζπζθεπή πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζην εξγαζηήξην είλαη laser He-Ne. Σν ελεξγό κέζν είλαη κίγκα ησλ δύν αεξίσλ, όπσο άιισζηε ππνδειώλεη θαη ε νλνκαζία ηνπ. Σν αέξην κίγκα πεξηθιείεηαη ζε γπάιηλν ζσιήλα όπνπ νη κεξηθέο πηέζεηο ησλ ζπζηαηηθώλ ηνπ είλαη He 1Torr θαη Ne 0.1Torr. Ο ζσιήλαο θέξεη ζηα άθξα ηνπ δύν ζρεδόλ παξάιιεια θάηνπηξα κε αλαθιαζηηθόηεηεο 100% ην έλα θαη 98% ην άιιν, θαη δύν ειεθηξόδηα (άλνδν θαη θάζνδν). Δθαξκόδνληαο πςειή ζπλερή ηάζε ζηα δύν ειεθηξόδηα πξνθαιείηαη ειεθηξηθή εθθέλσζε ζην κίγκα ησλ αεξίσλ, ε νπνία παξέρεη ηελ απαξαίηεηε ελέξγεηα γηα ηελ αληηζηξνθή πιεζπζκώλ. Αξρηθά, ειεθηξόληα πνπ δεκηνπξγνύληαη θαηά ηελ εθθέλσζε ζπγθξνύνληαη κε άηνκα He θαη ηα δηεγείξνπλ ζε κεηαζηαζείο ελεξγεηαθέο θαηαζηάζεηο (πξόθεηηαη γηα θαηαζηάζεηο κε κεγάιν κέζν ρξόλν δσήο). Με ηε ζεηξά ηνπο ηα δηεγεξκέλα άηνκα He δηεγείξνπλ κέζσ ζπγθξνύζεσλ ηα άηνκα Ne, ηα νπνία απνδηεγείξνληαη κε ηε δηαδηθαζία ηεο εμαλαγθαζκέλεο απνδηέγεξζεο θαη παξάγνπλ ηε ραξαθηεξηζηηθή θόθθηλε δέζκε laser κήθνπο θύκαηνο 632.816 nm. ρήκα 3. Γηάγξακκα ζπζθεπήο laser HeNe 3.4. Πεπίθλαζη Όηαλ κηα δέζκε ζύκθσλεο θσηεηλήο αθηηλνβνιίαο πξνζπίπηεη ζε έλα εκπόδην ή ζρηζκή πνπ έρεη δηαζηάζεηο ηεο ίδηαο ηάμεο κεγέζνπο κε ην κήθνο θύκαηνο ηεο αθηηλνβνιίαο, ηόηε ζύκθσλα κε ηελ αξρή ηνπ Huygens όια ηα ζεκεία ηνπ εκπνδίνπ ή ηεο ζρηζκήο γίλνληαη δεπηεξνγελείο πεγέο ζύκθσλσλ θπκάησλ. Σα θύκαηα απηά δηαδίδνληαη πίζσ από ην εκπόδην ή ηε ζρηζκή θαη ζπκβάιινπλ δίλνληαο κηα ραξαθηεξηζηηθή εηθόλα πεξίζιαζεο πνπ απνηειείηαη από θσηεηλέο θαη ζθνηεηλέο πεξηνρέο. Σν θαηλόκελν απηό είλαη θαζαξά θπκαηηθό θαη δελ εμεγείηαη από ηε γεσκεηξηθή νπηηθή. Έλα θπάγμα πεπίθλαζηρ απνηειείηαη από πνιιέο (έζησ Ν ην πιήζνο ηνπο) παξάιιειεο θαη ηζαπέρνπζεο ζρηζκέο, ηνπ ίδηνπ εύξνπο b. Η απόζηαζε α κεηαμύ ησλ δηαδνρηθώλ ζρηζκώλ θαιείηαη ζηαζεξά ηνπ θξάγκαηνο. Έλα οπηικό θπάγμα θαηαζθεπάδεηαη από δηαθαλέο πιηθό πνπ θέξεη πιήζνο από αδηαθαλείο ραξαγέο, παξάιιειεο θαη ηζαπέρνπζεο κεηαμύ ηνπο. Οη δηαθαλείο πεξηνρέο αλάκεζα ζηηο ραξαγέο δξνπλ όπσο νη ζρηζκέο, ελώ νη ραξαγέο αληηζηνηρνύλ ζηα αδηαθαλή δηαζηήκαηα αλάκεζα ζηηο ζρηζκέο. Η απόζηαζε α κεηαμύ δύν δηαδνρηθώλ ραξαγώλ είλαη ε ζηαθεπά ηος οπηικού θπάγμαηορ. Μ.Καραγιάννη Σελίδα 17

Αλ ηώξα κηα δέζκε ζύκθσλεο θσηεηλήο αθηηλνβνιίαο πξνζπέζεη ζε νπηηθό θξάγκα ε εηθόλα πεξίζιαζεο πνπ παξαηεξνύκε ζ έλα πέηαζκα, ηνπνζεηεκέλν ζε απόζηαζε L από ην θξάγκα, απνηειείηαη από κηα ζεηξά θσηεηλέο θειίδεο πνπ ελαιιάζζνληαη κε ζθνηεηλέο πεξηνρέο (ζρήκα 4). Οη θσηεηλέο θαη ζθνηεηλέο θειίδεο θαινύληαη θξνζζνί ζπκβνιήο. Οη θσηεηλνί θξνζζνί αληηζηνηρνύλ ζε εληζρπηηθή ζπκβνιή, ελώ νη ζθνηεηλνί ζε απόζβεζε. Ο θεληξηθόο θξνζζόο είλαη ν πην θσηεηλόο θαη θαιείηαη θξνζζόο κεδεληθήο ηάμεο. Οη ππόινηπνη δηαηάζζνληαη ζπκκεηξηθά εθαηέξσζελ ηνπ θεληξηθνύ. k=-2 k=-1 L k=0 y- 1 y m y 1 k=+1 k=+2 ρήκα 4 Απνδεηθλύεηαη όηη ε απόζηαζε y θάζε θσηεηλνύ θξνζζνύ από ηνλ θεληξηθό δίλεηαη από ηε ζρέζε: όπνπ L είλαη ε απόζηαζε ηνπ πεηάζκαηνο από ην νπηηθό θξάγκα k είλαη ε ηάμε ηνπ θξνζζνύ: Ο πξώηνο θξνζζόο ζηα δεμηά ηνπ θεληξηθνύ αληηζηνηρεί ζε k=+1, ν ακέζσο επόκελνο ζε k=+2, θ.ν.θ. Καηά ηνλ ίδην ηξόπν νη θξνζζνί πνπ βξίζθνληαη αξηζηεξά ηνπ θεληξηθνύ αληηζηνηρνύλ ζε k=-1 ν ακέζσο κεηά ηνλ θεληξηθό, k=-2 ν επόκελνο, θ.ν.θ. λ είλαη ην κήθνο θύκαηνο ηεο κνλνρξσκαηηθήο αθηηλνβνιίαο θαη α είλαη ε ζηαζεξά ηνπ νπηηθνύ θξάγκαηνο. ην δηπιαλό ζρήκα θαίλεηαη ε θαηαλνκή ηεο έληαζεο ηεο αθηηλνβνιίαο ζην πέηαζκα γηα έλα θξάγκα ζηαζεξάο α=0.25 (4ραξαγέο/) ζπκβνιή πεξίζιαζε τάξη κποσσού n Μ.Καραγιάννη Σελίδα 18

4. Πεηξακαηηθή Γηάηαμε Η πεηξακαηηθή δηάηαμε πεξηιακβάλεη: πέηαζκα εληζρπηήο πνιύκεηξν ζπζθεπή laser HeNe θσηνζηνηρείν νπηηθή ηξάπεδα νπηηθό θξάγκα 1. πζθεπή laser He-Ne, κε ηζρύ εμόδνπ 1mW θαη δηάκεηξν ηεο δέζκεο laser ζην ζεκείν εμόδνπ 1 2. Οπηηθό θξάγκα κε 4 ή 8 γξακκέο / 3. Πέηαζκα 4. Οπηηθή ηξάπεδα 5. Φσηνζηνηρείν γηα ηελ θαηαγξαθή ηεο έληαζεο ηεο αθηηλνβνιίαο 6. Πνιύκεηξν (PeakTech 3335 DMM) 7. Δληζρπηή Η έληαζε ηνπ θσηόο πνπ πξνζπίπηεη ζην θσηνζηνηρείν κεηαηξέπεηαη ζε ηάζε, εληζρύεηαη θαη ε ηηκή ηεο κεηξάηαη κε ην πνιύκεηξν. Έηζη ε έλδεημε ηνπ πνιύκεηξνπ ζε Volts είλαη αλάινγε ηεο θσηεηλήο έληαζεο ζην θσηνζηνηρείν. 5. Λήςε θαη επεμεξγαζία κεηξήζεσλ ΜΔΡΟ Α : ΠΡΟΓΙΟΡΙΜΟ ΣΟΤ ΜΗΚΟΤ ΚΤΜΑΣΟ ΣΟΤ LASER 1. Σνπνζεηνύκε ηε ζπζθεπή laser ζην έλα άθξν ηεο νπηηθήο ηξάπεδαο θαη ζην άιιν άθξν ηνπνζεηνύκε θαη ζηεξεώλνπκε ην πέηαζκα. Μπξνζηά από ηε ζπζθεπή laser ηνπνζεηνύκε ην νπηηθό θξάγκα πνπ θέξεη 8 ραξαγέο αλά. Θέηνπκε ην laser ζε ιεηηνπξγία θαη κεηαβάιινπκε ηελ απόζηαζε ηνπ θξάγκαηνο από ην πέηαζκα έσο όηνπ ζρεκαηηζηεί θαζαξή εηθόλα θξνζζώλ ζπκβνιήο Μεηξάκε θαη ζεκεηώλνπκε ηελ απόζηαζε L κεηαμύ νπηηθνύ θξάγκαηνο θαη πεηάζκαηνο: L= m =. 2. Από ηνλ αξηζκό ησλ ραξαγώλ αλά ππνινγίδνπκε ηε ζηαζεξά ηνπ θξάγκαηνο: α =... Μ.Καραγιάννη Σελίδα 19

.............. Δξγαζηήξην Φπζηθήο Κύθινο ΙΙ Γνκηθώλ 3. Αλαγλσξίδνπκε ηνλ θξνζζό κεδεληθήο ηάμεο (ε πην θσηεηλή θειίδα ζην κέζν ηεο ζεηξάο θσηεηλώλ θειίδσλ πνπ ζρεκαηίδνληαη ζην πέηαζκα) 4. Γηα θαζέλα από ηνπο πέληε ηνπιάρηζηνλ θσηεηλνύο θξνζζνύο πνπ θαίλνληαη θαζαξά είηε πξνο ηα δεμηά είηε πξνο η αξηζηεξά ηνπ θεληξηθνύ, κεηξάκε πάλσ ζην ρηιηνζηνκεηξηθό ραξηί ηελ απόζηαζε από ην θέληξν ηνπ έσο ην θέληξν ηνπ θξνζζνύ κεδεληθήο ηάμεο. Καηαρσξνύκε ηηο ηηκέο ζηνλ Πίλαθα 1. 5. Από ηε ζρέζε (1) ππνινγίδνπκε ην κήθνο θύκαηνο ι γηα θάζε θξνζζό θαη ζπκπιεξώλνπκε ηνλ Πίλαθα 1. 6. Τπνινγίδνπκε ηε κέζε ηηκή ηνπ κήθνπο θύκαηνο θαη ην απόιπην ζθάικα ηεο (Τπελζπκίδεηαη όηη ην απόιπην ζθάικα ηεο κέζεο ηηκήο Ν κεηξήζεσλ δίλεηαη από ηε ζρέζε: Πίνακαρ 1 k 0 1 y ι i i (Γι i ) 2 2 7. Δθθξάδνπκε ηηο ηηκέο θαη ζε nm (1nm = 10-9 m) θαη δίλνπκε ην απνηέιεζκα πνπ βξήθακε ζηε κνξθή (......) nm ΜΔΡΟ Β : ΚΑΣΑΝΟΜΗ ΣΗ ΔΝΣΑΗ ΣΗ ΑΚΣΙΝΟΒΟΛΙΑ LASER ΜΔΣΑ ΑΠΟ ΠΔΡΙΘΛΑΗ Δ ΟΠΣΙΚΟ ΦΡΑΓΜΑ 1. Αθαηξνύκε ην πέηαζκα από ηελ νπηηθή ηξάπεδα. Αληηθαζηζηνύκε ην θξάγκα πνπ ρξεζηκνπνηήζακε ζην Α κέξνο ηεο άζθεζεο, κε άιιν πνπ θέξεη 4 ραξαγέο αλά (α=0.25 ). Ρπζκίδνπκε ηε δέζκε ώζηε ν θξνζζόο κεδεληθήο ηάμεο λα ζρεκαηίδεηαη πάλσ ζηε ζρηζκή ζην θέληξν ηνπ θσηνζηνηρείνπ. Θέηνπκε ζε ιεηηνπξγία ηνλ εληζρπηή θαη ην πνιύκεηξν. 2. Μεηαθηλώληαο δεμηά-αξηζηεξά ην θσηνζηνηρείν ζαξώλνπκε ηνλ θεληξηθό θξνζζό γηα λα εληνπίζνπκε ηε ζέζε ηεο κέγηζηεο έληαζεο (κέγηζηε έλδεημε ηάζεο ζην πνιύκεηξν). Γηα ηε ζέζε απηή ζεκεηώλνπκε ηελ έλδεημε ηνπ ζπζηήκαηνο νξηδόληηαο νιίζζεζεο ηνπ θσηνζηνηρείνπ θαη ηελ αληίζηνηρε (κέγηζηε) ηηκή ηεο ηάζεο ζηνλ πίλαθα 2. 3. Μεηαθηλνύκε ην θσηνζηνηρείν θαη εληνπίδνπκε ηελ ειάρηζηε ηηκή ηεο ηάζεο ζην δηάζηεκα κεηαμύ θεληξηθνύ θξνζζνύ θαη θξνζζνύ 1 εο ηάμεο. Καηαρσξνύκε όπσο θαη πξηλ ηελ έλδεημε ηεο ζέζεο ηνπ θσηνζηνηρείνπ θαη ηελ (ειάρηζηε) ηηκή ηεο ηάζεο ζηνλ πίλαθα 2. Μ.Καραγιάννη Σελίδα 20

Δξγαζηήξην Φπζηθήο Κύθινο ΙΙ Γνκηθώλ 4. Μεηαηνπίδνληαο ην θσηνζηνηρείν πάληα πξνο ηελ ίδηα θαηεύζπλζε ζεκεηώλνπκε κε ηνλ ίδην ηξόπν ηηο ζέζεηο θαη ηηο ελδείμεηο κέγηζηεο θαη ειάρηζηεο ηάζεο θαη γηα ηνπο ππόινηπνπο θξνζζνύο. 5. Θέηνπκε ην laser εθηόο ιεηηνπξγίαο, ζεκεηώλνπκε ηελ ηηκή ηεο ηάζεο ζθόηνπο V 0 θαη ππνινγίδνπκε ηηο ηηκέο V l =V-V 0. 6. Υαξάζζνπκε ηελ θακπύιε V l = f(x). Πίλαθαο 2 k έλδεημε ζέζεο x * V Volts V 0 Volts V l =V-V 0 Volts 0 1 2 * Γηα λα κεηαηξέςνπκε ηελ έλδεημε ζέζεο ζε απόζηαζε x ζε ηε δηαηξνύκε 2 (π.ρ. ε ζέζε κε έλδεημε 2 ζηελ θύξηα θιίκαθα θαη 18 ζην βεξληέξν αληηζηνηρεί ζε (2 0.5 + 18 0.005) = 1.09 ). 6. Δξσηήζεηο 1. ε ηη δηαθέξεη ε δηαδηθαζία ηεο απζόξκεηεο από ηε δηαδηθαζία ηεο εμαλαγθαζκέλεο εθπνκπήο; 2. Ση είλαη ε αληηζηξνθή πιεζπζκώλ θαη γηαηί είλαη ζεκαληηθή γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ laser; 3. Πνηεο είλαη νη βαζηθέο ηδηόηεηεο ηεο αθηηλνβνιίαο laser; 4. Να αλαθέξεηε ηα γεληθά θαηαζθεπαζηηθά ζηνηρεία ελόο laser. 5. Ση είλαη ην νπηηθό θξάγκα θαη ηη ε ζηαζεξά θξάγκαηνο; Βιβλιογπαθία 1. από ην βηβιίν, Δξγαζηεξηαθέο Αζθήζεηο Φπζηθήο ΙΙ Οκάδα Φπζηθώλ ΣΔΙ ΠΔΙΡΑΙΑ, (Mαθεδνληθέο Δθδόζεηο). 2. «Δξγαζηεξηαθέο Αζθήζεηο Φπζηθήο» Οκάδα θπζηθώλ ΣΔΙ ΑΘΗΝΑ, (Μαθεδνληθέο Δθδόζεηο) 3.. ΣΡΑΥΑΝΑ, «Κβαληνκεραληθή ΙΙΙ» (Παλεπηζηεκηαθέο Δθδόζεηο Κξήηεο) 4. http://en.wikipedia.org/wiki/helium-neon_laser 5. ηελ ηζηoζειίδα ηνπ εξγαζηεξίνπ Φπζηθήο ΙΙ κπνξείηε λα βξείηε Πξνζνκνίσζε κε ηίηιν «LASER» http://ikaros.teipir.gr/phyche/labs/pilakouta/ppfy80/waves80/laser80.xls Μ.Καραγιάννη Σελίδα 21