TURUN AMMATTIKORKAKOUU TYÖOHJ 1 3A. asertyö 1. Työn tarkoitus Työssä perehdytään interferenssi-ilmiöön tutkimalla sitä erilaisissa tilanteissa laservalon avulla. 2. Teoriaa aser on lyhennys sanoista ight Amplification by Stimulated mission of Radiation, mikä tarkoittaa valon vahvistamista emissiota tehostamalla. aserin 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 1 ja 2 ( 2 > 1 ) välistä fotonien emissiota (A) ja absorptiota (B). Fotonin energia on muotoa 2 1 = 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. fotoniemissio 2 1 elektronin siirtymä 2 1 fotonin absorptio elektronin siirtymä 0 0 Kuva 1. (A) fotonin emissio (B) fotonin absorptio
TURUN AMMATTIKORKAKOUU TYÖOHJ 2 Viritystilan purkaminen voi tapahtua usealla eri mekanismilla: a) Viritystila purkautuu suoraan perustilaan. mittoituvien 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). asersäteily 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. 245. 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 He-atomeihin 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, jonka aallonpituus on 632,8, 1152,3 ja 1117,7 nm. aitteiston erikoispeilien ansiosta työssä käytetty He-Ne-laser antaa ulos vain 632,8 nm punaista valoa. Työssä tutustutaan He-Ne-laseria käyttäen valon diffraktioon. Työtä varten on aiheeseen tutustuttava etukäteen (esim. 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)
TURUN AMMATTIKORKAKOUU TYÖOHJ 3 3A. Työn suoritus toteutuu. d on hilavakio, eli hilan rakojen välimatka, λ valon aallonpituus, k interferenssin kertaluku (kokonaisluku 0, 1, 2,...) ja θ taipumiskulma eli suunnanmuutos. Hila. delläolevan mukaan, 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 4. Hilan aiheuttama interferenssikuvio Kuvassa on myös esitetty, miten mittaus kannattaa suorittaa. Mitataan siis saman kertaluvun maksimeiden välimatka, josta ko. kertaluvun maksimin etäisyys keskusmaksimista (kertaluku 0) lasketaan. asteikko x v laser hila θ x o V 5.2002 Kuva 5. Koejärjestely hilaa käytettäessä Koejärjestely on esitetty oheisessa piirroksessa, jossa näkyvät myös mitattavat suureet. I. aservalon aallonpituuden määritys: Käyttäen hilaa, jonka hilavakio on annettu työpaikalla, havaitaan vähintään neljän ensimmäisen kertaluvun (n = 1, 2, 3, 4) maksimien paikat. Mittaukset suoritetaan kahdella etäisyyden arvolla. Huom! Aseta peilin avulla lasersäde kohtisuoraan hilaa ja mitta-asteikkoa vastaan.
TURUN AMMATTIKORKAKOUU TYÖOHJ 4 Jokaisesta mittauksesta lasketaan aallonpituus sekä saaduista tuloksista keskiarvo. Yllä olevasta kuvasta 5 saadaan sinθ = x + x 2 2 (3) Sijoitetaan tämä yhtälöön (2) ja ratkaistaan λ. II. Hilavakion määritys: Havaitaan niin monen kertaluvun maksimien paikat kuin mahdollista. Koejärjestely on sama kuin edellä. Ratkaistaan yhtälöstä (2) d. 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 3 esittää diffraktiokuvion intensiteettijakautumaa. Varjostin a rako Θ x k=8 k=6 k=4 k=2 k=0 k=7 k=5 k=3 Intensiteetti k=2 k=4 k=6 k=8 k=3 k=5 k=7 V 5.2002 Kuva 3. Yhden raon tai ohuen langan antama Fraunhoferin diffraktiokuvio. Intensiteettiminimien ja -maksimien paikat voidaan laskea, jos tiedetään aallonpituus λ, raon leveys a ja varjostimen etäisyys. Olettaen, että θ on pieni ja että a <<, on voimassa λ x = k (6) 2 a Minimit ovat etäisyyksillä x, joille k = 2, 4, 6,... ja maksimit kohdissa x, kun k = 0, 3, 5, 7,...
TURUN AMMATTIKORKAKOUU TYÖOHJ 5 Määritetään yhtälöstä a. Kapean raon kanssa identtisen diffraktiokuvion antaa saman paksuinen kiinteä este (ns. Babinet n periaate). 4. Kirjallisuusviitteet III. Interferenssi yhdessä raossa tai langassa: Määritetään hiuksen ja annetun langan paksuus. Koejärjestely on sama kuin yllä, hila korvattuna langalla. Havainnot on parasta tehdä siten, että asettaa valkoisen paperin diffraktiokuvion kohdalle, piirtää sille kuvion ja mittaa myöhemmin maksimien tai minimien asemat. Mäkelä, Mikko - Mäkelä, Riitta - Siltanen, Olavi. 1994. Insinöörikoulutuksen fysiikka 2. Jyväskylä: Tammertekniikka.