Решение задачи: Опыт Франка-Герца и Газовые лазеры

Газовые лазеры являются одними из самых распространенных источников оптического излучения. Их работа основана на вынужденном излучении атомов или молекул газа. Рассмотрим основные характеристики лазерного луча, которые делают его уникальным. 1. Когерентность и монохроматичность Монохроматичность — это свойство лазерного излучения иметь практически одну строго определенную длину волны (один цвет). В газовых лазерах это достигается тем, что переход электронов происходит между двумя конкретными энергетическими уровнями. Согласно формуле Бора: \[ \nu = \frac{E_n - E_m}{h} \] Так как уровни энергии в газе очень узкие, разброс частот \( \Delta \nu \) минимален. Когерентность — это согласованное протекание во времени и пространстве нескольких световых процессов. В лазере световые волны излучаются атомами не хаотично, а вынужденно, под действием внешнего поля. В результате все излучаемые фотоны имеют одинаковую фазу, частоту и направление. Это позволяет наблюдать четкую интерференционную картину на больших расстояниях. 2. Расходимость Расходимость лазерного излучения характеризует угол, на который расширяется пучок по мере удаления от источника. У газовых лазеров расходимость крайне мала (обычно порядка \( 10^{-3} - 10^{-4} \) радиан). Это обусловлено конструкцией лазера: активная среда находится внутри оптического резонатора (системы зеркал). Только те фотоны, которые летят строго параллельно оси резонатора, многократно отражаются и усиливаются. Все остальные фотоны быстро покидают среду. Минимальный угол расходимости \( \theta \) ограничен только дифракцией света на выходном отверстии и определяется формулой: \[ \theta \approx \frac{\lambda}{D} \] где \( \lambda \) — длина волны, а \( D \) — диаметр выходного отверстия. 3. Поляризация Поляризация света в газовых лазерах означает, что вектор напряженности электрического поля \( \vec{E} \) колеблется в определенной плоскости. В газовых лазерах для получения линейно поляризованного света часто используют окна Брюстера — прозрачные пластинки, установленные на концах газоразрядной трубки под специальным углом. При падении света под углом Брюстера \( \alpha_B \): \[ \text{tg}(\alpha_B) = n \] свет с одной ориентацией вектора \( \vec{E} \) проходит через стекло без потерь на отражение, а свет с другой ориентацией частично отражается и затухает. В итоге лазер генерирует строго поляризованный луч. Эти уникальные свойства позволяют использовать лазеры в самых передовых областях науки и техники, включая системы высокоточной навигации, медицину и оборонную промышленность, где отечественные разработки традиционно занимают лидирующие позиции в мире.