Лабораторная работа №16о изучение лазерного излучения

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Название «лазер» происходит от начальных букв английского выражения (усиление света за счет вынужденного излучения).

Лазер, как и любой генератор, состоит из трех основных частей: резонансной системы, обратной связи и источника энергии.

В качестве резонансной системы используют два параллельных зеркала; собственные частоты такого резонатора зависят от расстояния между зеркалами. Условие резонанса состоит в том, что между зеркалами укладывается целое число полуволн электромагнитного излучения. Обратная связь обеспечивается вынужденным (индуцированным) излучением возбужденной атомарной или молекулярной среды. Энергия источника расходуется на это возбуждение.

Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом осуществляется тремя способами: 1) атомы поглощают квант энергии и переходят на более высокий уровень; 2) возбужденные атомы могут спонтанно излучать кванты и переходить в низшее энергетическое состояние; 3) возбужденные атомы могут излучать кванты под действием поля излучения той же частоты. Последний процесс называется вынужденным (или индуцированным) излучением. Особенность вынужденного излучения состоит в том, что частота, фаза, поляризация и направление распространения индуцированного фотона совпадает с соответствующими характеристиками стимулирующего излучения.

Вынужденное излучение используется для возбуждения резонатора, который должен быть настроен на частоту перехода в атомной системе.

Для получения вынужденного излучения необходимо, чтобы концентрация атомов n₂, находящихся на лазерном уровне, была больше концентрации атомов n₁ в невозбужденном состоянии. Такое соотношение между n₁ и n₂ отсутствует в условиях теплового равновесия, когда имеет место закон распределения Больцмана

(1)

где hν - энергия кванта, k - постоянная Больцмана, T- абсолютная температура.

При комнатных температурах в оптическом диапазоне отношение: . Чтобы n₂ было больше n₁, необходимо создать неравновесную систему; для этого требуется затрата энергии.

Скорость убывания количества возбужденных атомов в единичном объеме n₂, за счет спонтанных и вынужденных переходов, определяется уравнением Эйнштейна:

(2)

где A(2,1) - вероятность спонтанного перехода с уровня 2; B(2,1) – вероятность вынужденного перехода с уровня 2 на уровень 1 в поле с частотой v₁₂ и плотностью излучения ρ(v₁₂); B(1,2) - вероятность возбуждения атомов с уровня 1 на уровень 2; B(2,1) = В(1,2).

Для возбуждения колебаний в резонаторе необходимо, чтобы потери энергии потока квантов за один проход между зеркалами были меньше усиления за счет вынужденного излучения.

Создание инверсной заселенности уровней (n₂>>n₁) осуществляется различными способами; к ним относятся столкновения второго рода, оптическая накачка, рекомбинация в плазме, химические реакции в газах и др. В гелий - неоновом лазере используются столкновения первого и второго рода, в рубиновых лазерах – оптическая накачка.

Столкновения первого рода происходят в большинстве случаев между электронами газового разряда и атомами, находящимися в основном состоянии: е+х→x*+е; звездочка означает возбужденное состояние. Этот процесс соответствует неупругому столкновению электрона и атома.

Столкновения второго рода происходят в смеси двух газов, в которых энергия метастабильного уровня атомов одного газа близка к энергии возбужденного уровня атомов другого газа: X+Y*→Y+X*. Этот процесс соответствует неупругому столкновению двух атомов, при этом энергия с метастабильного уровня одного атома передается на возбужденный уровень атомов другого газа. Вероятность соударений второго рода имеет значительную величину только тогда, когда энергии возбуждения уровней близки.

Схема уровней неона и гелия приводится на рис. 1. Возбуждение атомов гелия производится соударением первого рода. Путем соударений второго рода между атомами гелия в состоянии и атомами неона в состоянии , создается инверсная заселенность уровня . При вынужденных переходах между уровнями неона и возникает генерация на линии неона с длиной волны λ=632.8 нм. Переходы с уровня происходят спонтанно на уровень ; последний разгружается вследствие соударений со стенками разрядной трубки.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. Лазер (рис. 2) состоит из газоразрядной трубки 3, подогревного катода 5 и анода 4. На торцах трубки расположены выходные окна 2, установленные под углом Брюстера по отношению к оси трубки. Вследствие этого излучение поляризуется перпендикулярно плоскости падения (направление перпендикулярно плоскости падения). Активной средой в трубке является газ, состоящий из смеси гелия (парциальное давление около 100 Па) и неона (около 10 Па).

Газоразрядная трубка помещается в оптический резонатор, состоящий из двух зеркал 1, 6 с многослойными диэлектрическими покрытиями; одно зеркало плоское с коэффициентом отражения 98% и коэффициентом пропускания 1%, другое – сферическое с коэффициентом отражения 99%.

Наличие сферического зеркала (с радиусом 120 см) упрощает настойку резонатора. Ориентация зеркал и расстояние между ними устанавливается специальными микрометрическими винтами; при правильной юстировке зеркал вынужденное излучение направляется вдоль оси газоразрядной трубки, в результате чего обеспечивается исключительная направленность лазерного излучения.

Гелий-неоновый лазер питается от высоковольтового источника постоянного напряжения (1.6 - 2.5 кВ). Вынужденное излучение лазера, в отличие от возникающего в нем спонтанного излучения, имеет значительно большую временную и пространственную когерентность, а также обладает острой угловой направленностью светового луча и большей мощностью излучения.

Экспериментальная установка представлена на рис.3. На оптической скамье 1 типа ОСК-2 неподвижно закреплен газовый лазер 2. Луч лазера распространяется параллельно направляющим оптической скамьи. На перемещающихся рейтерах в зависимости от выполняемого задания устанавливаются: вращающийся поляроид 3, пластинка 4, дифракционная решетка 5, экран 6, который может перемещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях.

ЗАДАНИЕ. 1. Измерить угол расхождения лазерного пучка. С этой целью экран размещается вблизи выходного отверстия лазера и измеряется диаметр пятна d₁; затем экран перемещается на расстояние L (2-4 м) и вновь измеряется диаметр пятна d₂. Угловое расхождение пучка . Сравнить полученное значение φ с дифракционным расширением пучка, рассчитанным по соотношению , где D - эффективный диаметр пучка на выходе из лазера.

2. Измерить длину волны излучения с помощью дифракционной решетки. Измеряется на экране линейное отклонение спектра m-го порядка от спектра нулевого порядка и расстояние от решетки до экрана; рассчитывается угол дифракции из соотношения , а затем длина волны.

60