3.3. Описание установки

В работе используется гелий-неоновый лазер ЛГН-207А, генерирующий свет на длине волны  = 632,8 нм. Разрядная трубка длиной 0,25 м и внутренним диаметром 1 мм имеет катод и анод, к которым прикладывается напряжение 8 кВ от блока питания (рис. 3.1). Торцы трубки закрыты стеклянными окнами, расположенными под углом Брюстера к лучу, что исключает потери на отражение от поверхностей света, поляризованного в плоскости падения. Излучение лазера имеет линейную поляризацию, соответствующую минимуму потерь на отражение. Резонатор лазера образован плоским зеркалом М₁ и сферическим М₂ с радиусом кривизны 0,5 м. Ввиду относительно малого усиления света в трубке на один проход коэффициенты отражения диэлектрических зеркал близки к единице.

Для измерения интенсивности лазерного излучения используется фотодиод VD, соединенный с мультиметром рV. Фотодиод может перемещаться перпендикулярно оптической оси с помощью микрометрического винта В.

Для получения либо сходящегося, либо расходящегося светового пучка используется линза L с фокусным расстоянием F = 5 см.

Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки:

М₁ и М₂ – зеркала лазера; К – катод; А – анод разрядной трубки; VD – фотодиод; L – линза с фокусным расстоянием F = 5 см; В – микрометрический винт; рA – миллиамперметр на блоке

питания лазерной трубки; рV – мультиметр, регистрирующий

напряжение на фотодиоде

3.4. Принцип работы гелий-неонового лазера

Гелий-неоновый лазер состоит из газоразрядной трубки с катодом и анодом. Она заполнена смесью гелия и неона под малым давлением: парциальное давление неона 10 Па, давление гелия около 100 Па. Трубка расположена между двумя зеркалами, которые образуют резонатор лазера. Рассмотрим принцип работы этого лазера. Упрощенная схема энергетических уровней атомов неона и гелия показана на рис. 3.2; рабочими являются уровни 2 и 3 атомов неона.

Из-за столкновения атомов неона и гелия с электронами, летящими от катода к аноду, возбуждаются фактически все уровни: уровень 1 – в гелии, уровни 2 и 3 – в неоне.

П ри этом электроны передают атомам часть своей кинетической энергии. Однако для уровня 3 имеется еще один способ возбуждения – резонансная передача энергии от возбужденных атомов гелия к невозбужденным атомам неона. Такая передача энергии обусловлена близостью уровней 1 гелия и уровня 3 неона, а также высокой концентрацией атомов гелия в газовой смеси. Все это приводит к тому, что уровень 3 будет заселяться с большей вероятностью, нежели уровень 2, следовательно, должна возникать инверсная заселенность уровней 2 и 3 в атомах неона. Возбужденные атомы неона в результате спонтанных переходов с уровня 3 на уровень 2 начинают испускать во все направления фотоны. Распространяясь по трубке, фотоны сталкиваются с возбужденными атомами и вызывают вынужденное испускание других фотонов. После первого столкновения возникают два фотона, которые порождают еще два. Эти четыре фотона создают еще четыре, так что их окажется уже восемь и т.д. – до тех пор, пока фотоны не покинут трубку с активной средой.

Выйдя через торец трубки, они попадают на зеркало и, отражаясь от него, возвращаются снова в активную среду и вызывают там вынужденное излучение новых фотонов. Этот световой поток доходит до другого зеркала и опять идет по трубке. В результате многократного отражения от зеркал в активной среде возникает лавина фотонов одинаковой частоты, направления, поляризации и фазы. Так как одно из зеркал является полупрозрачным, часть фотонов выходит наружу в виде монохроматического, остронаправленного, поляризованного и когерентного лазерного излучения.

Внутри резонатора световые волны, отраженные от зеркал, распространяются навстречу друг другу, образуя стоячие волны. Они называются модами резонатора. Лазер может генерировать одновременно много мод. О них можно судить по структуре светового пятна на экране. Самой простой по структуре является низшая мода, обозначаемая ТЕМ₀₀. На экране она отображается в виде однородного круглого пятна. Зависимость интенсивности в этом пятне от расстояния до его центра имеет колоколообразный вид (гауссова кривая).

Выходная мощность гелий-неонового лазера не растет монотонно с увеличением разрядного тока, а достигает некоторого максимального значения при оптимальном токе. Это связано с тем, что при малом токе в первую очередь возбуждается верхний уровень 3 неона и инверсия населенностей уровней 3–2 увеличивается. При большом токе интенсивнее возбуждается нижележащий уровень 2, что приводит к снижению инверсии населенностей, следовательно, и мощности излучения.