Федеральное агентство по образованию

Муромский институт (филиал)

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

Владимирский государственный университет

Кафедра: «Физика»

Дисциплина: Физика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.06

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ И ЭНЕРГИИ КВАНТА ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА»

Утверждена на методическом

семинаре кафедры физики.

Зав. Кафедрой______________

Муром 2005

Лабораторная работа № 1.06

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ И ЭНЕРГИИ КВАНТА ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Ознакомиться с устройством и научиться пользоваться квантовым генератором, а также научиться определять основные технические характеристики лазера: длину волны излучения и энергию кванта.

ОБОРУДОВАНИЕ: Лазер, дифракционная решетка, экран с миллиметровой шкалой, линейка.

МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ

1. Ни при каких условиях луч лазера не должен попадать в глаза.

2. На пути лазера не должно быть никаких зеркальных поверхностей.

3. Стены, потолки лаборатории и предметы должны иметь матовую поверхность.

4. Источник питания лазера, имеющий напряжение 350В, должен быть заземлен.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИБОРА ЛПМ-11 (лазер газовый)

1. Назначение.

1. Лазер газовый ЛГ-66 (излучатель ИЛГН-104)непрерывного режима работы, в видимой части спектра (=0,6328 мкм) многомодовый, атомарный, гелий-неоновый, отпаянный, неперестраиваемый с естественным охлаждением. Лазер ( излучатель ) (далее излучатель) предназначен для применения в качестве источника излучения в светодальномере типа СВВ –1

2. Излучатель может быть использован для прецизионных оптических измерений, а также для выполнения научных исследований.

2. Принцип действия.

1. Как известно, при переходе атома вещества с верхнего энергетического уровня на нижний имеет место излучение фотона с частотой₀ , причем

₀=

где Е₁ и Е₂- энергия верхнего и нижнего уровней,

- постоянная Планка.

Если излучение частоты ₀ проходит через газовую среду , то при столкновении фотона с атомом вещества среды, находящимся на верхнем энергетическом уровне, последний переходит в нижнее энергетическое состояние также с излучением фотона, который по направлению и фазе строго совпадает с исходным.

При столкновении фотона с атомом, находящимся на нижнем энергетическом уровне, падающий фотон поглощается, а атом переходит в верхнее возбужденное состояние. Если выполнено условие инверсии, т.е. на верхнем энергетическом уровне имеется больше частиц , чем на нижнем, то первый процесс преобладает , и происходит усиление исходного сигнала. Поэтому такая активная среда может характеризоваться некоторым коэффициентом усиления, который обычно рассчитывается на один проход сигнала через активную среду.

Для получения генерации необходим резонатор. Резонатор образуется парой зеркал с большим коэффициентом отражения. Эти зеркала расположены с двух сторон активного элемента и обеспечивают многократное прохождение сигнала через активную среду. Генерация возникает в том случае, если коэффициент усиления за один проход превосходит те потери, которые имеются в резонаторе (в зеркалах и т.д.).

В 1961 г. был создан предложенный Джаваном лазер, работающий на смеси гелия и неона .Подкачка в нем осуществляется при помощи тлеющего разряда. Разрядная трубка заполняется смесью гелия под давлением 1 мм рт. ст и неона под давлением 0,1 мм рт. ст. На концах трубка имеет плоско параллельные зеркала, одно из которых полупрозрачно. Разряд возбуждает атомы He, переводя их на метастабильный уровень 2 S .Возбужденные атомы гелия сталкиваются с атомами Nе, находящимися в основном состоянии , и передают им свою энергию . В результате атомы Nе переходят на уровень 3S , вследствие чего возникает инверсная населенность уровней 3S и 2р . Переход 3S-2р дает излучение лазера . Из за быстрых переходов атомов Nе с уровня 2р на уровень 1S не происходит накопление атомов Nе в состоянии 2р. Уровень 3S состоит из четырех, а уровень 2р из 10 подуровней. Существует переход с подуровней 3S на подуровни 2р, соответствующих длинам волн от 0,6 до 5,4 мк. Газовые лазеры работают в непрерывном режиме и не нуждаются в интенсивном охлаждении .

В излучателе ИЛГН –104 рабочим является переход неона 3S₂-2р₄ (обозначение Пашена ). В условиях тлеющего разряда в смеси He-Ne при определенном режиме возникает инверсия населенности уровней. В ИЛГН-104 использован изотоп гелия массой, равной 3-He³, что обеспечивает большую инверсию населенностей уровней и, следовательно, большой коэффициент усиления по сравнению с изотопом He⁴.

Для уменьшения дифракционных потерь и для меньшей критичности настройки зеркала представляют собой сферические поверхности. Излучение лазера отличается рядом замечательных особенностей .

Для него характерны: 1) временная и пространственная когерентность .

2) строгая монохроматичность (0,1А).

3) большая мощность

4) узость пучка

Пространственная когерентность означает , что определенные фазовые соотношения сохраняются в течении некоторого времени не только в данной точке пространства (временная когерентность ), но и между колебаниями , происходящими в разных точках пространства . Высокая когерентность излучения открывает высокие перспективы использования лазера для цели радиосвязи , в частности для направленной радиосвязи в космосе . Если будет найден метод модуляции и демодуляции света, можно будет передавать огромный объем информации – один лазер мог бы заменить по объему передаваемой информации все системы связи между восточным и западным побережьями США.

Угловая ширина генерируемого лазером пучка столь мала, что, используя телескопическую фокусировку, можно получить на лунной поверхности пятно света диаметром всего лишь 3 км.

Большая мощность и узость пучка позволяет при помощи фокусировки с помощью линзы получить плотность потока энергии, в 1000 раз превышающую плотность потока энергии, которую можно получить фокусировкой солнечного света. Пучки света со столь высокой плотностью мощности можно использовать для механической обработки и сварки, для воздействия на ход химических реакций и т.д.