Лабораторна робота №2. Дослідження характеристик оптичного випромінювання Не-Nе лазерів

2.1. Загальні відомості.

Як і будь-які лазери, гелій-неонові (Не-Nе) лазери є генераторами монохроматичного когерентного потоку оптичного випромінювання. Основними елементами структури будь-якого лазера є три основних (обов’язкових) компоненти (див. рис.1): 1  Активна речови­

на або “активне т іло” (в Не-Nе лазерах це суміш двох інертних газів  гелію і неону); 2  Оптичний резонатор; 3. Джерело накачки; 4  Додаткові оп­тичні елементи.

Вже в самій назві цих специфічних джерел світ­ла відображена основна ідея їх роботи  cлово “LASER” є абревіатурою англійської фрази: “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”.

Таким чином, принцип дії будь-якого лазера, в тому числі і газового, грунтується на ефек­ті квантового підсилення світла, що реалізується завдяки індукованій цим же світлом ре­лаксації попередньо збуджених спеціальних, так званих, активних центрів, які обов’язко­во є присутніми в об’ємі активної речовини лазера. Роль власне активних центрів у Не-Nе лазерах відіграють атоми неону. Роль же атомів гелію полягає у відборі енергії від елект­ричного поля і передачі її до атомів неону.

При індукованій релаксації збуджених атомів неону, так само ж як і при їх спонтанній релаксації, електрони в збуджених атомах переходять із більш енергетично високих рівнів на енергетично нижчі, генеруючи при цьому кванти світла. Одначе, характерною особли­вістю індукованої релаксації збуджених активних центрів є те, що випромінювані при цьому кванти світла за всіма своїми параметрами (енергією (частотою), фазою, напрямком розповсюдження та кутом нахилу площини поляризації) є ідентичними до тих квантів, що індукували цю релаксацію. Цим індуковані кванти радикальним чином відрізняється від спонтанних, параметри котрих ніяк не узгоджені між собою і загалом є випадковими. Саме завдяки індукованому механізму генерації світла лазери і генерують малорозбіжний, коге­рентний, монохроматичний світловий потік. Відразу ж слід зауважити, що сенс вжитого в попередній фразі слова “ідентичними” не слід сприймати аж надто буквально та ідеалізу­вати його аж до абсолюту. Застосуванням цього слова в даному випадку підкреслюється лише той факт, що випромінювання, отримуване за допомогою лазерів при реалізації в них індукованого механізму релаксації є значно більш впорядкованим, ніж те, що отриму­ється в результаті спонтанних релаксацій за допомогою звичайних джерел. І коли кажуть, що “лазер є генератором монохроматичного (чи когерентного) світла”, то це є всього лиш гіперболою бажань, тобто ідеалізацією дійсності і, врешті, є абстракцією. Реальна приро­да не знає абстракцій. Дійсно, з одного боку, “якість” лазерного випромінювання, наприк­лад, в сенсі його “монохроматичності” є набагато кращою, ніж я у нелазерних, наприклад, у природних джерел світла. Але ж і лазерне випромінювання не є абсолютно монохрома­тичним  його спектальна лінія має скінчену півширину. Хоча ця півширина може бути як завгодно малою, але вона в принципі мусить бути (вона ніколи не буде нульовою!).

Як і в загальному випадку, для того, щоб перетворити квантового підсилювача на кван­тового генератора, в оптичній схемі підсилювача досить організувати коло позитивного зворотного зв’язку. Реально це досягається розміщенням активної речовини лазера в об’є­мі оптичного резонатора (див.рис.1), наприклад, між двома плоскими паралельними дзер­калами, одне з яких, очевидно, має бути напівпрозорим, щоб випускати генероване в об’є­мі резонатора світло назовні. Очевидно, що в разі такої оптичної схеми квантового генера­тора, умова створення позитивного зворотного зв’язку реалізується лише для тих квантів, які розповсюджуються чітко вздовж оптичної осі резонатора (котра є перпендикулярною до площин дзеркал). Завдяки цій властивості, оптичний резонатор автоматично набуває ще й додаткової функції: він здійснює селекцію квантів, що мають один і той же напря­мок розповсюдження і забезпечує умови для розмноження саме тих квантів, що рухають­ся вздовж оптиячної осі резонптора, Саме завдяки цьому і формується специфічний для лазерів малорозбіжний світловий потік. Зрозуміло, що чим більшою буде довжина оптич­ного резонптора, тим менш розбіжним буде генерований ним лазерний промінь.

Очевидно, для того, щоб під час роботи лазера, при розповсюдженні світлового пото­ку в об’ємі його активної речовини, відбувалося сáме підсилення світла, а не його ослаб­лення, активні центри цієї речовини в переважній своїй більшості мають перебувати в не­рівноважному (збудженому, активованому або, в так званому, “інверсному”) стані, тобто в стані, за якого концентрація збуджених центрів в цій речовині суттєво перевищувала б концентрацію незбуджених. Зрозуміло, що створення і підтримка інверсного стану актив­них центрів в активній речовині лазера (так звана “накачка”) потребує витрат енергії. При роботі Не-Nе лазера газова суміш збуджується електричним струмом (постійним або змін­ним з частотою ~ 30 МГц) і в трубці виникає тліючий розряд. Атоми Не іонізуються, утво­рюючи плазму з вільними електронами. Ці електрони, розганяючись в електричному полі і зіштовхуючись з атомами Не, збуджують їх. При зіткненнях збуджених атомів Не з незбу­дженими атомами Nе відбувається резонансна передача енергії збудження від атомів Не до атомів Nе.

Більш детально ці процеси можна прослідкувати по схемі взаємодії енергетичних рів­нів атомів Не і Nе, наведеній на рис.2. Спрямованими вгору жирними стрілками, показані переходи електронів в атомах Не із основного (незбудженого) рівня Е₁ на енергетичні рів­ні Е₂ і Е₃. Відбуваються ці переходи за рахунок енергії електричного розряду, тобто енергії електричного поля. Схеми енергетичних рівнів атомів Не і Nе настільки вдало взаємоузго­джуються, що між ними стає можливою, так звана, резонансна передача енергії збудження від атомів Не до атомів Nе (на рис.2 це відображено горизонтальними переривчастими стрілками). При цьому атоми Не релаксують (електрони в них, віддавши енергію електро­нам атомів Nе, повертаються із рівнів Е₂ і Е₃ назад, на рівень Е₁), а атоми Nе збуджуються (в них електрони із рівня Е₁, отримавши енергію від атомів Не, переходять із своїх незбуд­жених рівнів Е₁ на так звані метастабільні рівні Е₄ і Е₅, на яких вони можуть перебувати порівняно довго, і накопичуючись там, збільшують свою нерівноважну концентрацію).

Жирними потрійними стрілками, спрямованими вниз, показані індуковані (робочі) пе­реходи. Як видно з рис. 2, індуковане випромінювання в такій системі (потрійні горизон­

т

Рис.2.

E₃

Не

E₂

E₂

E₃

E₄

E₅

Nе

h₅₃

E₁

E₁

h₄₃

Збудження елект-

ричним розрядом

альні штрихові лінії) може генеруватися при реалізації двох варіантів електронних пе­реходів, а отже, Не-Nе лазер може генерува­ти випромінювання на двох довжинах хвиль: переходові Е₄Е₃ відповідає довжина хвилі 1,153 мкм, а переходові Е₅Е₃  довжина хвилі 628,3 нм. На практиці більш пошире­ними є лазери другого типу, котрі генерують світло у видимому діапазоні довжин хвиль 

червоне світло з довжиною хвилі ~0,63 мкм.

Як правило, Не-Nе лазери є ще й генераторами поляризованого випромінювання. Гене­рація поляризованого випромінювання забезпечується тим, що в оптичному резонаторі ла­зера додатково розміщують ще два елементи, так звані “вікна Брюстера”. Конструктивно це є дві прозорі взаємопаралельні, просвітлені на робочу довжину хвилі, плоскопаралельні діелектричні (скляні) пластинки, припаяні до кінців газорозрядної трубки так, щоб кут па­діння на них лазерного випромінювання дорівнював “кутові Брюстера”. При цьому через вікно Брюстера будуть проходити тільки ті світлові хвилі, площина поляризації яких спів­падає з площиною падіння лазерного променя, тобто з площиною, яка утримує в собі про­мінь, що падає і перпендикуляр до вікна Брюстера, поставлений в точку падіння променя. Світлові хвилі з перепендикулярно орієнтованою площиною поляризації просто відбива­ються від поверхні вікна Брюстера. Значення кута Брюстера i_б визначається величинами оптичних густин середовищ, по обидва боки від поверхні вікна Брюстера із співвідношен­ня:

i_б = arctg (n₁/n₂)  arctg(n₁) (1)

де n₁  оптична густина матеріалу вікна Брюстера; n₂  оптична густина газової суміші всередині газорозрядної трубки Не-Nе лазера, яка, очевидно є досить близькою до 1, що і дозволяє спростити вираз (1).

Завдяки цьому, в оптичному резонаторі можуть існувати тільки ті кванти, які здатні безперешкодно проходити через вікна Брюстера, тобто тільки кванти з певною орієнтаці­єю площини поляризації. Очевидно, тільки для таких квантів і буде виконуватися умова квантового підсилення. Таким чином, завдяки введенню в оптичний резонатор вікон Брюстера, він набуває іще однієї, додаткової, властивості  селекціі квантів тільки з пев­ним кутом нахилу площини поляризації, а, відповідно, лазер в цілому стає генератором поляризованого випромінювання.

Мета роботи.

Метою даної лабораторної роботи є дослідження параметрів оптичного потоку Не-Ne лазерів. Зокрема:

А) визначення потужності лазерного променя;

Б) визначення коефіцієнта поляризації лазерного випромінювання;

В) визначення кутової розбіжності лазерного променя;

Г) визначення довжини хвилі лазерного випромінювання;

Д) визначення кроку дифракційної гратки з невідомими параметрами.