TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1/7 TIETOTEKNIIKKA / SALO FYSIIKAN LABORATORIO V

Transkriptio

1 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1/7 Työ 24AB S4h. LASERTYÖ JA VALON SPEKTRIN ANALYSOINTI TYÖN TARKOITUS LASERTYÖ Lasereita käytetään esimerkiksi tiedonsiirrossa, analysoinnissa ja terapiassa ja työstämisessä. Ensimmäisessä osassa tutkitaan laserin yleisiä ominaisuuksia. Aineiden analysoinnissa aineen valospektrin tutkimisella on nykyään keskeinen rooli. Toisessa osassa työtä näytteestä emittoituvaa valospektriä edustaa eri valolähteet, ja spektriä tutkitaan yksinkertaisella prismaspektroskoopilla, joka teollisuuden laitteistossa on usein korvattu herkin ilmaisimin varustetuilla automaattisilla hilaspektrometreillä, joiden toimintaperiaate on kuitenkin sama kuin tässä työssä käytetyllä prismalla. 1. LASERTYÖN TARKOITUS 2. TEORIAA Työssä perehdytään interferenssi-ilmiöön tutkimalla sitä erilaisissa tilanteissa laservalon avulla ja yleisestikin laserin ominaisuuksiin. Laser on lyhennys sanoista Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, mikä tarkoittaa valon vahvistamista emissiota tehostamalla. Laserin lähettämä kirkas valo on monokromaattista ja koherenttia. Monokromaattisuus merkitsee, että säteilyllä on yksi vakiona pysyvä aallonpituus (valo on yksiväristä). Koherentissa säteilyssä valoaallot ovat aina samassa vaiheessa ja vahvistavat toisiaan (interferenssi-ilmiö). Tämä mahdollistaa valon keskittämisen kapeaksi kimpuksi ja näin energian kohdistamisen hyvin pienelle alueelle. Kun atomi tai molekyyli saa energialisäyksen, sen sanotaan virittyvän. Atomi voi absorboida energiaa vain sellaisen määrän, joka siirtää sen tiettyyn energiatilaan, viritystilaan. Mikäli atomi absorboi energiaa niin paljon,että elektroni siirtyy ytimen vetovoimakentän ulkopuolelle, se ionisoituu. Virittynyt atomi voi purkaa ylimääräisen energiansa sähkömagneettisen säteilyn fotoneina, joilla on tietty taajuus. Kuva 1 esittää atomissa tapahtuvaa energiatilojen E 1 ja E 2 (E 2 >E 1 ) välistä fotonien emissiota (A) ja absorptiota (B). Fotonin energia on muotoa E2 E1 = hc / λ, (1) missä h on Planckin vakio, c valon nopeus ja λ ko. säteilyn aallonpituus. Virittymisen syitä on useita. Korkea lämpötila, valokaaren tai kaasupurkausputken sähkökenttä, säteilyn absorptio, kemiallinen reaktio jne. voivat aiheuttaa virittymisen. Aika, jonka atomi on viritetyssä tilassa, on hyvin lyhyt, tyypillisimmillään kertalukua ns tai ps.

2 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 2/7 Kuva 1. (A) fotonin emissio (B) fotonin absorptio Viritystilan purkaminen voi tapahtua usealla eri mekanismilla: a) Viritystila purkautuu suoraan perustilaan. Emittoituvien fotonien ( energiapakettien ) suunta, polarisaatio ja lähtöhetki ovat kaikki satunnaisia (spontaani emissio). b) Viritystila purkautuu perustilaan vaiheittain tiettyjen valintasääntöjen kontrolloimana. c) Viritysenergia siirtyy suoraan kiinteän aineen atomeille kasvattaen niiden värähdysliikkeen energiaa ja nostaen näin aineen lämpötilaa. d) Viritetyssä tilassa oleva molekyyli stimuloidaan luovuttamaan säteilykvanttinsa. Tämä tapahtuu sopivan taajuuden omaavan fotonin avulla (stimuloitu emissio). Lasersäteily perustuu stimuloituun emissioon. Sekä stimuloiva että stimuloitava fotoni omaavat saman taajuuden ja saman vaiheen. Tuloksena on tästä syystä monokromaattinen ja koherentti säteily. Stimuloidun emission toteutumiselle on eräitä lisäehtoja, ns. laserehtoja. Ks. esim. Mäkelä et. al., 1994, s Rubiini-, kaasu-, neste- ja puolijohdelasereista saat lisätietoa esim. tietosanakirjan Spectrum osasta 6. He-Ne-kaasulaser: Tunnetuin kaasulaser muodostuu heliumin ja neonin seoksesta, joka on suljettu purkausputkeen osapaineiden suhteessa 7:1 ja kokonaispaineen ollessa n. 1 mbar. Putki pidetään toiminnassa elektrodeihin johdetulla korkealla tasajännitteellä ja purkaus saadaan alkamaan 5-6 kv jännitepulssilla. Törmätessään Heatomeihin elektronit luovuttavat näille energiakvantteja. Kun virittyneet He-atomit törmäävät Ne-atomeihin, siirtyy He:n viritysenergia Ne-atomeille. Tämän jälkeen Ne-atomit siirtyvät alemmalle energiatasolle emittoiden valoa aallonpituuksilla 632,8 nm, 1152,3 nm ja 1117,7 nm. Laitteiston erikoispeilien ansiosta työssä käytetty diodi-laser antaa ulos vain 635 nm punaista valoa. Nimityksistä Interferenssillä ja diffraktiolla ei ole merkittävää fysikaalista eroa. Kun useampia kuin yksi aalto esiintyy samassa tilassa, havaitaan niiden summa-aalto eli superpositio, ei yksittäisiä aaltoja. Juuri tästä aaltojen summautumisesta on interferenssissä ja diffraktiossa kyse. Niiden eroa ei ole täsmällisesti määritelty. Useimmiten on kuitenkin tapana puhua interferenssistä, kun summautuvia aaltoja on muutama, ja diffraktiosta, kun niitä on hyvin suuri määrä. Kun rakoja on enemmän kuin yksi, kuten hilassa, nähdään kumpikin ilmiö samanaikaisesti. Säteilytysvoimakkuuden jakaumassa maksimien kirkkaus vaihtelee aaltomaisesti. Tämä vaihtelu aiheutuu valon diffraktiosta yhdessä raossa.

3 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 3/7 Edellä esitetystä laserin teoriasta saa tietoa esim. Inkinen et. al., Työssä tutustutaan He-Ne-laseria käyttäen valon diffraktioon. Työtä varten on aiheeseen tutustuttava etukäteen (esim. Inkinen et. al., 2003 tai Mäkelä et al., 1994). Seuraavassa esitetään eräitä pääkohtia. A. Valon taipuminen hilassa. Valo-opillinen hila on lasilevy, johon on naarmutettu tasavälein yhdensuuntaisia viivoja. Naarmujen valoa läpäisevät välit ovat hilan rakoja. Valoaaltojen edetessä rakojen kautta kukin rako toimii itsenäisenä aaltoliikekeskuksena (Huygensin periaate), joka lähettää oman aaltonsa kaikkiin suuntiin. Hilan takana aallot vahvistavat toisiaan eräissä suunnissa ja kumoavat toisensa toisissa suunnissa interferenssi-ilmiön mukaisesti. Aallot vahvistavat toisiaan suunnissa, joissa yhtälö d sinθ = k λ (2) toteutuu. d on hilavakio, eli hilan rakojen välimatka, λ valon aallonpituus, k interferenssin kertaluku (kokonaisluku 0, 1, 2,...) ja Θ taipumiskulma eli suunnanmuutos. Kun laserin valon annetaan kulkea hilan läpi, takana olevalle varjostimelle syntyy joukko valomaksimeita. Ne ovat hilassa tapahtuvan interferenssin eri kertalukujen maksimeita. Kuva on jokseenkin seuraavan näköinen: Kuva 3. Hilan aiheuttama interferenssikuvio Kuvassa 3 on myös esitetty, miten mittaus kannattaa suorittaa. Mitataan siis saman kertaluvun maksimeiden välimatka, josta ko. kertaluvun maksimin etäisyys keskusmaksimista (kertaluku 0) lasketaan. B. Valon taipuminen yhdessä kapeassa raossa (Fraunhoferin diffraktio) tai ohuen langan aiheuttama valon taipuminen. Kun yhdensuuntaisten valosäteiden tasoaaltorintama kohtaa raon, interferenssin seurauksena varjostimelle syntyy raon geometriasta ja valon aallonpituudesta riippuva diffraktiokuvio, jossa keskellä olevan kirkkaan valomaksimin molemmilla puolilla on huomattavasti pienempi-intensiteettisiä sivumaksimeita. Kuva 4 esittää diffraktiokuvion intensiteettijakautumaa.

4 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 4/7 3. TYÖN SUORITUS Kuva 4. Yhden raon tai ohuen langan antama Fraunhoferin diffraktiokuvio. Intensiteettiminimien ja -maksimien paikat voidaan laskea, jos tiedetään aallonpituus λ, raon leveys a ja varjostimen etäisyys L. Olettaen, että θ on pieni ja että a << L, on voimassa x k L λ = (3) 2 a Minimit ovat etäisyyksillä x, joille k = 2, 4, 6,... ja maksimit kohdissa x, kun k = 0, 3, 5, 7,... Kapean raon kanssa identtisen diffraktiokuvion antaa saman paksuinen kiinteä este (ns. Babinet n periaate). A. Laservalon aallonpituuden määritys: Käyttäen hilaa, jonka hilavakio on annettu työpaikalla, havaitaan mahdollisimman monen ensimmäisen kertaluvun (n = 1, 2, 3, ) maksimien paikat. Mittaukset suoritetaan kahdella etäisyyden L arvolla. Huom! Tarkista lasersäteen kohtisuoruus peilin avulla (lasersäde kohtisuoraan hilaa ja mitta-asteikkoa vastaan). Koejärjestely on esitetty oheisessa piirroksessa (kuva 5), jossa näkyvät myös mitattavat suureet. Kuva 5. Koejärjestely hilaa käytettäessä

5 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 5/7 Jokaisesta mittauksesta lasketaan aallonpituus sekä saaduista tuloksista keskiarvo. Yllä olevasta kuvasta 5 saadaan sinθ = L x x (4) Sijoitetaan tämä yhtälöön (2) ja ratkaistaan λ. Virhekaava: LdL 2 dλ dd L dx d L + x x L + x λ (5) B. Interferenssi yhdessä raossa tai langassa: Määritetään hiuksen tai annetun langan paksuus. Koejärjestely on sama kuin kuvassa 5, mutta hila on korvattu langalla. Havainnot on parasta tehdä siten, että asettaa valkoisen paperin diffraktiokuvion kohdalle ja piirretään kuvaa 4 vastaava kuvio sille kiinnittäen erityistä huomiota minimien paikkoihin. Saman kertaluvun minimien välimatkat mitataan sitten paperilta ja lasketaan niiden etäisyydet keskusmaksimista. Määritetään yhtälöstä (3) langan paksuus a. Virhekaava on johdettava itse. 4. KIRJALLISUUSVIITTEET Mäkelä, Mikko - Mäkelä, Riitta - Siltanen, Olavi Insinöörikoulutuksen fysiikka 2. Jyväskylä: Tammertekniikka. Inkinen, Pentti Manninen, Reijo Tuohi, Jukka Momentti 2, Insinöörifysiikka. Keuruu: Otavan kirjapaino Oy

6 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 6/7 OPTISEN SPEKTRIN TUTKIMINEN PRISMASPEKTROSKOOPILLA 1. PRISMATYÖN TAVOITE Työssä perehdytään erityyppisiin spektreihin näkyvän valon alueella sekä prismaspektroskoopin toimintaan. Tutustutaan kalibroinnin periaatteisiin prisman dispersiokäyrän määrityksessä. 2. TEORIAA 3. TYÖN SUORITUS Kun valonsäteet kulkevat prisman läpi, ne taittuvat molemmissa rajapinnoissa siten, että ne yhä enemmän poikkeavat alkuperäisestä suunnastaan. Punaiset valonsäteet (pisimmät aallonpituudet) taittuvat vähiten ja violetit eniten. Prismaspektroskoopin dispersiokäyrä kuvaa spektroskoopin taittamiskyvyn riippuvuutta aallonpituudesta. Määräävä tekijä on prismalasin taitekertoimen riippuvuus aallonpituudesta. Kuva 6. Valon kulku prismassa. Käyrän muoto riippuu myös prisman taittavasta kulmasta ja valonsäteen tulokulmasta prisman kylkeen. Spektroskoopin käyttö: Prismaspektroskoopin pääosat ovat: kollimaattoriputki, prisma ja havaintokaukoputki. Kaaviokuva prismaspektroskoopista ylhäältäpäin katsottuna on kuvassa 7. Kuva 7. Prismaspektroskooppi.

7 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 7/7 Valonsäteet pääsevät kapeasta raosta kollimaattoriin, joka suuntaa ne yhdensuuntaisena kimppuna prismaan. Havaintokaukoputken tehtävänä on koota prismasta tulevat valonsäteet havainnontekoa varten. Kaukoputken okulaarin sisällä on hiusviiva, joka saadaan teräväksi ja pystyyn liikuttamalla lähinnä silmää olevaa osaa S ulos- tai sisäänpäin ja kiertämällä. Prisma lepää vaakatasossa pyörivällä levyllä, ja pyörittämällä mikrometriruuvilla levyä saadaan eri spektriviivat hiusviivan kohdalle. Jokaista spektriviivaa vastaa siten tietty lukema mikrometriruuvissa. Spektroskooppi siirretään valonlähteen viereen siten, että kollimaattorirako on n. 1 cm päässä lampun pinnasta. Kollimaattorirako pienennetään sopivan suuruiseksi omalla säätöruuvillaan niin, että raon kuva havaintokaukoputkessa on lopulta vain ohut, terävä, pystysuorassa oleva viiru. Spektriviivat saadaan teräviksi sekä kollimaattori- että havaintokaukoputkea säätämällä (kaikki osat ovat liikkuvia). Työssä on kaksi eri vaihetta: 1. Spektroskoopin dispersiokäyrän määrittäminen tunnetun valonlähteen avulla. 2. Tutkittavan valonlähteen aallonpituuksien määrittäminen dispersiokäyrältä. ( 3. Eräiden muiden lamppujen spektrien vertailu. ) 1. Havaitaan sellaiset tunnetun lampun (=heliumlamppu) spektriviivojen lukemat noniusasteikolla varustetulta kulma-asteikolta, joiden aallonpituudet on annettu joko työpaikalla tai kirjallisuudessa. Näiden havaintojen perusteella piirretään työselostukseen mm-paperille tälle spektrometrille ominainen dispersiokäyrä, eli spektriviivojen aallonpituus kulma-asteikon lukeman funktiona. Dispersiokäyrä on oheisen kuvan 8 kaltainen. 2. Havaitaan tutkittavan lampun spektriviivojen paikat spekrometrin asteikolta noniusasteikon avulla. Dispersiokäyrältä pystytään nyt lukemaan vastaavat aallonpituudet. Ne esitetään työselostuksessa taulukon muodossa, ja verrataan kirjallisuudesta löytyviin arvoihin. Tällaista kirjallisuutta löytyy mm. fysiikan laboratoriosta. Kuva 8. Dispersiokäyrän periaatekuva. 3. Tutkitaan työpaikalla olevien muiden lamppujen spektrejä ja luokitellaan ne sen mukaan, ovatko ne viivaspektrejä, jatkuvia spektrejä vai näiden kahden yhdistelmiä.