Данный эксперимент посвящён исследованию излучения лазера, одного из главных изобретений XX века, используемого на сегодняшний день практически во всех областях жизни, начиная с физики и заканчивая медициной. Основная особенность лазера заключается в том, что он излучает монохроматический и высокополяризованный свет, что позволяет создать очень мощный узконаправленный поток излучения. В нашем эксперименте мы исследуем характеристики излучения такие как мощность и степень поляризации в зависимости от тока, протекающего через лазер.
Оборудование:
Данная программа позволяет считывать интенсивность света, падающего на чувствительные элементы датчика (CCD матрицу), а также производить с полученными данными определённые действия.
Основные элементы программы:
Алгоритм действий для начала работы с программой: подключите устройство для считывания к компьютеру через кабель. Выберите на панели «Используемый порт» (4) — COM3. Снизу под ней должна загореться зелёная надпись «Порт активен». Если этого не произошло, позовите наблюдателя и сообщите о проблеме.
Считывание данных: Для считывания новых данных вам необходимо нажать на кнопку «Получить данные», которая находится в виджете получения данных (11). У вас есть возможность выбрать степень усреднения (10). Число, которое вы выбираете в этом виджете показывает сколько будет сделано измерений перед их усреднением. Усреднение позволяет избежать появление артефактов, а также шумов. Для того чтобы считывать сигналы с значительно различающимися интенсивностями, вы можете изменять чувствительность (5). Вводимое число должно быть делителем числа 50000.
Работа с графиком, вычисление интенсивности: В данном эксперименте вам потребуется измерять относительную интенсивность излучения. Для этого в программе реализован модуль, позволяющий посчитать «площадь» под графиком распределения интенсивности. Расчёт приводится в правом нижнем виджете (13).
ВНИМАНИЕ!
Для определения абсолютной интенсивности надо разделить относительную интенсивность на значение чувствительности.
Для расчёта площади под графиком в определённом диапазоне вы можете настраивать левую (7), правую (8), и нижнюю (9) границу интегрирования. Для настройки границ существует три способа:
Сохранение и загрузка данных: Для того, чтобы сохранить и загрузить ранее сохранённые данные вам необходимо использовать виджет (12). Сохранение происходит в файл с разрешением .dat.
Артефакты: иногда на графиках можно увидеть вертикальные полосы. Так бывает когда ваш сигнал очень низкий. Это можно исправить, включив усреднение по нескольким измерениям (10).
При достаточно большой интенсивности света, попадающего на пиксели датчика, они «засвечиваются». «Засвеченные» пиксели некорректно отображают интенсивность света на них: их показания находятся около 2000 условных единиц по вертикальной оси. Распознать «засветку» можно по характерному изменению вида пика. Ниже представлен образец «правильной» формы пика, а также несколько «неправильных».
В данной задаче будут использоваться следующие обозначения:
В первой части задачи вам предлагается исследовать, как интенсивность проходящего через поляризатор света зависит от угла поворота поляризатора.
Примечание: считайте, что угол поворота равен 0, если нулевое деление поляризатора находится в нижней точке.
Соберите следующую установку:
Выставите напряжение источника так, чтобы сила тока $J$ через лазер была $\sim 10~мА$.
Установите второй поляризатор между уже установленным и экраном.
Установите на первом поляризаторе угол $\theta_\mathrm{max}$.
Как было определено ранее, свет, излучаемый лазером состоит из 2-х компонент: линейно поляризованной $I_{лин}$ и естественной $I_{непол}$. Степень поляризации лазера $\beta$ определяется следующей формулой: $$\beta = \frac{I_{лин}}{I_{лин}+I_{непол}}=\frac{I_\mathrm{max}-I_\mathrm{min}}{I_\mathrm{max}+I_\mathrm{min}},$$где $I_\mathrm{max}$ и $I_\mathrm{min}$ — регистрируемые максимальные и минимальные интенсивности при вращении поляризатора. В данной части эксперимента вам предстоит исследовать зависимость степени поляризации от величины силы тока $J$, протекающего через лазер.
ВНИМАНИЕ!
Для того, чтобы избежать «зашкаливаний», вам предлагается юстировать вашу установку таким образом, чтобы центр пятна от лазера находился ниже линии пикселей датчика. Чтобы убедится в правильности юстировки, проверьте, что при данном расположении лазера при максимально допустимом токе и минимальном значении чувствительности вы можете измерить $I_\mathrm{min}$ без «засветки».
При больших значениях $J$ используемый вами детектор будет «зашкаливать» при прямом измерении $I_\mathrm{max}$. Поэтому вам необходимо предложить метод, который не будет требовать измерения максимальной интенсивности напрямую.
Ещё одной важной характеристикой лазера является мощность его излучения. В данной части задачи вам требуется исследовать, как указанная мощность $P$ зависит от тока $J$, протекающего через лазер.
Примечание: На самом деле реальный поляризатор поглощает некоторую часть энергии света даже с «разрешённой» поляризацией, но в данной части задачи вы можете пренебречь этим эффектом.
Пусть $I_{полн}$ — интенсивность света, который попадал бы на датчик в отсутствие поляризатора.
Измерения предыдущей части допускали небольшие изменения положения пятна лазера на датчике, так как было важно только соотношение $I_\mathrm{max}$ и $I_\mathrm{min}$, однако сейчас такие изменения могут привести к существенным ошибкам в результатах. Поэтому в данной части вам требуется снять зависимость $I_\mathrm{min}$ от тока $J$, стараясь не допускать смещений элементов установки.
Определим $i(J) = \frac{I_{полн}(J)}{I_{полн}(10~мА)}$.
В дальнейшей части задачи вы можете считать, что при $J = 10~мА$ мощность света, излучаемого лазером $P(10~мА) = 5~мВт$.
Пусть через лазер за единицу времени проходит $n_e$ электронов, при этом за единицу времени лазером излучается $n_{\gamma}$ фотонов. Пусть малый прирост величины $n_e$, равный $\mathrm dn_e$, привёл к малому приросту величины $n_{\gamma}$, равному $\mathrm dn_{\gamma}$. Дифференциальной квантовой эффективностью называется величина $\eta$, определяемая по формуле:$$ \eta = \frac{\mathrm dn_{\gamma}}{\mathrm dn_{e}}. $$Энергия одного фотона определяется формулой:$$ E = h \nu, $$где $\nu$ — частота излучаемого света, $h$ — постоянная Планка.
При расчётах используйте значения: