Работа № 25. Изучение оптического квантового генератора

1. Цель работы.

Целью данной работы является изучение принципа действия оптического квантового генератора (ОКГ или лазера) на примере гелий-неонового лазера, а также изучении основных характеристик лазерного излучения (направленность, поляризация, монохроматичность и когерентность)

2. вопросы, знание которых обязательно для допуска к выполнению работы.

- Отличие спонтанных переходов от вынужденных.

- Инверсия населенностей. Понятие отрицательной температуры. Способы получения инверсии.

- Работа трехуровневой системы в качестве генератора и усилителя.

- Обратная связь, как она осуществляется в лазерах. Роль оптического резонатора в лазерах.

- Использование в гелий-неоновом лазере смеси газов – гелия и неона. Роль каждого из них.

- Устройство спектрографа.

- Дифракционная решетка (по работе № 10).

Часть 1.

Оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) называются устройства, в которых осуществляется генерация монохроматических электромагнитных волн оптического диапазона в результате индуцированного (вынужденного) излучения. Существуют и другие названия оптических квантовых генераторов. Наиболее распространенным из них является «лазер» (слово “” составлено из начальных букв английских слов: light amplification by simulated emission of radiation – усиление света индуцированным испусканием излучения).

До изобретения ОКГ основными типами светового излучения были: равновесное излучение нагретых тел (тепловое излучение) и различные типы люминесцентного излучения, которые являются неравновесными. Источники теплового и люминесцентного излучения дают обычно широко расходящиеся немонохроматические и некогерентные неполяризованные световые пучки, обладающие малой спектральной плотностью излучения. Оптические квантовые генераторы – это принципиально новые источники излучения, которые, благодаря использованию явления вынужденного (стимулированного) излучения, дают световые лучи, обладающие большой монохроматичностью когерентностью и острой направленностью. Излучение ОКГ поляризовано. Важной особенностью этого излучения является его большая спектральная плотность (монохроматичность).

Открытие принципа действия квантовых генераторов электромагнитных волн и их создание является одним из крупнейших достижений современной физики, которое привело к созданию квантовой радиофизики. Основной задачей квантовой радиофизики является исследование проблем генерации, усиления и преобразования электромагнитных волн с помощью квантовых систем (атомов, молекул, ионов, кристаллов и т.д.).

Первыми квантовыми генераторами явились молекулярные генераторы на аммиаке , впервые разработанные в 1954г. В СССР Н.Г. Басовым и А.И. Прохоровым и в США Ч. Таунсом (в 1964г эти работы были удостоены Нобелевской премии). Эти генераторы дают электромагнитное излучение в миллиметровом и сантиметровом диапазонах волн. Кратко эти генераторы называются «мазерами». В 1960-62гг были созданы первые квантовые генераторы оптического и инфракрасного излучения («лазеры»).

Часть 2.

Частицы среды (атомы, молекулы, ионы) могут находиться в различных квантовых состояниях, которые отличаются строением электронного облака (электронные состояния) или характером относительного движения атомов в молекуле (колебательные и вращательные состояния). Каждому состоянию квантовой системы соответствует некоторая энергия. Если квантовая система не подвергается внешним воздействиям, то она находится в стационарном состоянии с наименьшей энергией . Внешним воздействием на квантовую систему (например, электромагнитным излучением) можно перевести ее в возбужденное состояние, т.е. на более высокий уровень с энергией . Переход атома с энергетического уровня , на энергетический уровень происходит с поглощением фотона (рис.1, а)

(1)

Здесь – частота фотона; – постоянная Планка. состояние атома с энергией является неустойчивым. Даже если на атом не действуют другие частицы и поля, через время порядка сек он перейдет в состояние с меньшей энергией . При этом атом излучает фотон частоты . Такой самопроизвольный (спонтанный) переход и сопровождающее его излучение носит случайный, вероятностный характер, предсказать, в какой момент времени оно произойдет, принципиально невозможно. Случайность спонтанных переходов приводит к тому, что различные атомы излучают, не одновременно и независимо, поэтому фазы электромагнитных волн, излучаемых отдельными атомами, не согласованы друг с другом. Случайный характер имеют не только моменты испускания атомами фотонов, но и направление их распространения и поляризация. Поэтому, излучение обычных источников не поляризовано, не направлено и не когерентно.