Робота з квантовим оптичним генератором

 

Мета роботи. Вивчити фізичні принципи роботи квантових оптичних генераторів (лазерів), ознайомитися з роботою гелій-неонового лазера, визначити довжину хвилі випромінювання лазера і енергію випромінюваних квантів світла.

Контрольні питання для підготовки до роботи

1. Основні положення квантової механіки (гіпотеза Луї де Бройля, хвильові властивості частинок, принцип невизначеності Гейзенберга, рівняння Шредінгера і його використання для атома водню, квантові числа і їх фізичний сенс).

2. Особливості випромінювання і поглинання енергії атомами і молекулами.

3. Люмінесценція. Види люмінесценції.

4. Спонтанного і вимушеного випромінювань.

5. Рівноважна і інверсна заселеність енергетичних рівнів. Посилення інтенсивності випромінювання при інверсній заселеності рівнів.

6. Принципів роботи оптичного квантового генератора, пристрій гелій-неонового лазера. Використання лазерів в медицині.

 

Література для підготовки до роботи

1. Н.М.Ливенцев. Курс физики. 1974. гл.28 (параграфы 151-153), гл. 31 (параграфы 162-166). С. 482-508.

2. Н.М.Ливенцев. Курс физики. 1978. ч.2, гл.19, гл. 22 (параграфы 117-121). С. 20-43.

3. А.Н.Ремизов. Курс физики. 1976. ч.2, раздел 5, гл.32 (параграфы 1-6), стр.231-241.

4. А.Н.Ремизов. Курс физики электроники, кибернетики для медицинских институтов. 1982. С. 387-399.

5. А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика. 1987. С. 514-529, 534- 538.

6. Б.Т.Агапов, Г.В.Максютин, П.И.Островерхов. Лабораторный практикум по физике. М. 1982. С.229-233.

 

Додаткові теоретичні відомості

Оптичний квантовий генератор (ОКГ) або лазер - пристрій, що генерує електромагнітні хвилі за рахунок вимушеного випускання або вимушеного розсіяння світла активним середовищем в оптичному резонаторі. (LASER - “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” або “посилення світла вимушеним випромінюванням”). Когерентність, гостра спрямованість, висока монохроматичність і стабільність частоти - основні характеристики лазерного випромінювання.

У квантовій механіці розрізняють декілька видів енергетичних переходів: мимовільні (спонтанні) -1, індуковані - 3 і безвипромінювальні - 2 (рис. 1)

 

Рис. 1. Види енергетичних переходів

А) спонтанні переходи - 1, Б) безвипромінювальний перехід -2 і

індукований перехід - 3. В) спрощена схема енергетичних

рівнів гелій-неонового лазера

Спонтанне випромінювання некогерентне. В цьому випадку атоми випромінюють світло незалежно один від одного. Фази хвиль, поляризація і напрям розповсюдження випадкові і не звязанні між собою. Такі звичайні джерела світла, в яких випромінювання відбувається в результаті переходів атомів із збудженого стану з енергетичними рівнями Е4, Е3, Е2 на нижчі енергетичні рівні (див. рис.1-А). У звичайних умовах, коли середовище знаходиться в термодинамічній рівновазі, на кожному вищому енергетичному рівні знаходиться менше атомів, чим на нижчих, тобто N2 < N1. Такий розподіл атомів по енергетичних рівнях називають рівноважним розподілом Больцмана. Для нього характерне експоненціальне зменшення заселеності рівнів із збільшенням енергії рівня:

Ni ~ . (1)

Можна штучно отримати термодинамічно нерівноважне середовище, у якого для деяких енергетичних рівнів виконується співвідношення зворотне (1). Таке середовище називається активним або середовищем з інверсною заселеністю рівнів.

Якщо атом знаходиться на верхньому рівні Е2, то може відбутися вимушений перехід на нижній рівень Е1 під дією падаючого фотона h0 (рис.1-Б) з випусканням другого фотона не тільки тієї ж частоти (це справедливо і для спонтанного випромінювання), але також тими ж фазою, поляризацією і напрямом випромінювання. Замість одного падаючого фотона виходить два тотожні фотони. Ця особливість індукованого випромінювання використовується в лазерах.

Енергія атома може мінятися і в результаті безвипромінювальних переходів (див. рис.1-Б) в результаті пружних і непружних зіткнень атомів.

Лазер містить три основні компоненти: активне середовище (активний елемент), в якому створюють інверсну заселеність, пристрій для створення інверсної заселеності (система накачування) і пристрій для забезпечення позитивного зворотного зв'язку (оптичний резонатор).

Розглянемо ці компоненти на прикладі гелій-неонового лазера. Суміш газів He і Ne в співвідношенні 10:1 є тим активним середовищем, в якому створюється інверсна заселеність рівнів. Спрощена схема енергетичних рівнів приведена на мал. 1-В. Робочим газом є неон. Для чистого неону у збудженому стані характерна рівноважна заселеність рівнів. Додавання гелію міняє справа. Рівні Е’3 і Е’4 метастабільні, час життя на цих рівнях дуже великий (порівняно із звичайними збудженими рівнями при спонтанному випромінюванні). В результаті електронних ударів на цих метастабільних рівнях накопичується дуже багато атомів гелію. Але рівні гелію Е’3 і Е’4 майже співпадають з рівнями Е3 і Е4 неону. Завдяки цьому, при зіткненнях збуджених атомів гелію з незбудженими атомами неону, інтенсивно відбуваються безвипромінювальні переходи атомів гелію в незбуджений стан з резонансною передачею енергії атомам неону (горизонтальні хвилясті стрілки на рис.1-В). Внаслідок чого виникає інверсна заселеність рівнів Е3 і Е4 по відношенню до рівня Е2.

Індуковане випромінювання з інверсно заселених метастабільних рівнів викликають за допомогою зворотного позитивного зв'язку. Для цього частину світла, що випромінює, затримують в зоні активної речовини, поміщаючи його між двома паралельними дзеркалами (рис.2). Промінь світла, багато разів відбиваючись від дзеркал, проходить через активну речовину, посилюючись при цьому в результаті вимушених переходів атомів з рівня Е4 на Е2. При строгій паралельності дзеркал S1 і S2 і відповідній відстані між ними (L = k/2, де до - ціле число), такий оптичний резонатор не тільки підсилюватиме світло, але і монохроматизуватиме його. Це означає, що випромінювання, що виходить з лазера гостро направлено і високо монохроматичне. Даний лазер генерує два монохроматичні випромінювання - інфрачервоне з довжиною хвилі 1150 нм і червоного кольору з довжиною хвилі 632 нм. Одне з дзеркал роблять напівпрозорим, що дозволяє випромінюванню частково виходити з трубки.

Рис. 2. Схематичний пристрій лазера

А - анод, До - катод, S1 і S2 - дзеркала, Р1 і Р2 - поляризаційні пластини

 

Накачування (збудження) здійснюється шляхом створення газового розряду в трубці. Для цих цілей між електродами трубки (К- катодом і А- анодом, рис. 2) прикладається постійна напруга 1-2 кВ. Робочий режим лазера безперервної дії характеризується динамічною рівновагою, при якій число порушуваних атомів неону в результаті зіткнень з атомами гелію і число випромінюючих атомів неону приблизно рівні один до одного. Кварцові пластини Р1 і Р2 встановлені під кутом Брюстера до осі трубки. Завдяки цьому досягається лінійна поляризація лазерного випромінювання.

Порядок виконання роботи

Заходи безпеки.

1. Ні за яких умов промінь лазера не повинен потрапляти в око.

2. Забороняється експлуатація приладу при порушеній захисній ізоляції сполучних проводів установки, враховуючи високу (до 3 кВ) напругу живлення трубки.

Дотримуйтеся обережності при роботі з випромінювачем. Навіть невеликі удари і струси трубки можуть бути причиною виходу її з ладу.

 

Завдання 1. Познайомитися з пристроєм лазера і підготувати його до роботи. (Це завдання виконується під спостереженням лаборанта або викладача згідно інструкції до приладу).

Завдання 2. Визначення довжини хвилі лазера.

1. Встановіть трубку лазера в горизонтальному положенні і направте промінь лазера на дифракційні грати (період грат d =0.01 мм).

2. Розташуєте екран на відстані в декілька десятків сантиметрів від грат і отримаєте дифракційну картину на екрані (див.рис. 3).

Рис. 3

Прикладіть до екрану чистий лист паперу і відзначте розташування максимумів на екрані. Зміряйте відстані між максимумом нульового порядку і максимумами I, II і III порядку - lk (де до - порядок максимуму). Аналогічну процедуру виконати для різних значень L. Дані занести в таблицю.

3. Визначите довжину хвилі для кожного значення lk, враховуючи умови отримання максимуму для дифракції світла на гратах періодом d: dsink = до×l.

Припускаючи для малих кутів значення синуса і тангенса близькими між собою, тобто sink»» lk/L, отримаємо формулу для визначення l

l_до» d lk/(kL)

По знайдених значеннях l_до знайдіть середнє значення довжини хвилі випромінювання лазера `l і абсолютну погрішність її вимірювання D.

Завдання 3. Визначити енергію E і імпульс фотона p, що випромінюється лазером.

По формулах E = hn = hc/l і p = h/c = h/l (h - постійна Планка, з - швидкість світла) знайти шукані величини. Енергію виразити в [Дж] і [эВ].

Таблиця Результати вимірювання довжини хвилі лазера

Відстань до экрана L мм	l1 мм	l 2 мм	l3 мм	l1 нм	l2 нм	l3 нм
средняя длина волны `l = l±Dl = (..... ±.....) нм энергия фотона Е =...... эВ импульс фотона р =....... Дж×с/м

Оформлення роботи. У звіті повинно бути:

а) короткі теоретичні відомості про фізичні принципи роботи лазера,

б) результати вимірювання довжини хвилі лазерного випромінювання і обчислень енергії і імпульсу фотона,

г) висновки про відповідність отриманих результатів технічним характеристикам лазера.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2