Изучение параметров лазерного излучения

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 15 из 15

Цель работы: Изучение работы лазера и определение параметров лазерного излучения.

Приборы и принадлежности: Лазер, оптическая скамья, дифракционная решетка, расширитель лазерного пучка, анализатор, фотоэлемент, гальванометр.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Лазеры (оптические квантовые генераторы) - устройства, преобразующие различные виды энергии (электрическую, световую, химическую и т.д.) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона. В основе работы лазера лежит процесс вынужденного (индуцированного) испускания фотонов возбужденными квантовыми системами (атомами, молекулами и т.д.). Возбужденный атом из состояния с энергией Е ₂ может перейти в состояние с меньшей энергией Е ₁ с испусканием фотона с частотой w =(Е ₂ - Е ₁)/  как самопроизвольно (спонтанно), так и вынужденно - под действием электромагнитного излучения (рис.54.1, a, б).

(а)

(б)

(в)

 Рисунок 54.1

При спонтанном испускании направление распространения фотона и его фаза произвольны. При вынужденном излучении испущенные фотоны тождественны фотонам, вызвавшим этот процесс, т.е. имеют одинаковую с ними частоту, фазу, поляризацию и направление распространения. Под действием электромагнитного излучения может происходить и резонансное поглощение фотонов, сопровождающееся переходом Е ₁ ® Е ₂ (рис.54.1, в).

При индуцированном испускании энергия воздействующей волны увеличивается, а при резонансном поглощении уменьшается.

Вероятность резонансного поглощения равна вероятности индуцированного испускания. Поэтому для преобладания индуцированного испускания над поглощением необходимо выполнение условия инверсии населенностей

                      N ₂  > N ₁,                                         (54.1)

где N ₁, N ₂  - число атомов на каждом из простых уровней, из которых состоят сложные состояния Е ₁ и Е ₂. При термодинамическом равновесии верхние уровни населены меньше, чем нижние (N ₂ < N ₁), что следует из распределения Больцмана N = N ₀ exp(- E / kT). Инверсия населенностей может быть достигнута лишь в неравновесной системе путем подвода к ней энергии. Такая система называется активной средой.  

Особенности вынужденного испускания позволяют генерировать когерентное излучение. Первоисточником является процесс спонтанного испускания фотонов с частотой w, вызывающих индуцированное излучение. Для развития этого процесса необходима положительная обратная связь, осуществляемая при помощи оптического резонатора (рис.54.2).

w                          1       3         2            Рисунок 54.2

В простейшей форме он образован двумя зеркалами 1 и 2, между которыми находится активная среда 3. Излучаемая волна многократно отражается от зеркал, вызывая вынужденное излучение все новых и новых фотонов. Одно из зеркал (2) делается полупрозрачным для вывода части излучения.

В таком резонаторе происходит не только усиление света, но и формирование узко направленного пучка монохроматического излучения. Если активная среда находится внутри цилиндра, а плоскости зеркал перпендикулярны его оси, то все лучи, идущие наклонно, попадут на его боковую стенку, где рассеются или выйдут наружу. Максимально усилятся лучи, распространяющиеся параллельно оси цилиндра.

В стационарном режиме в оптическом резонаторе должны образоваться стоячие волны. При условии

                                      2 L = m l                                         (54.2)

на длине L резонатора укладывается целое число полуволн m и после элементарного цикла - двух последовательных отражений от зеркал и прохождения двух длин L,все характеристики волны должны вернуться к исходным значениям. Такая волна усилится максимально. Если свет с длиной волны l проходит через активную среду туда и обратно N раз, то 2 LN = N m l. Для ближайшей длины волны l₁, удовлетворяющей условию

                       2 LN = (N m ± 1) l₁,                                (54.3)

каждый цуг волн, возникший за цикл, отличается по фазе от предыдущего и последующего на 2p/ N. В результате все N цугов погасят друг друга - получится минимум интенсивности для l₁. Следовательно, ширина усиливаемой спектральной линии 

                          dl = | l -l ₁ |» l / (N m).                           (54.4)

При N ® ¥ dl ® 0. В действительности, из-за неидеальности отражающих поверхностей зеркал dl остается конечной.

Генерация лазерного излучения начинается тогда, когда энергия, приобретаемая светом в активной среде за цикл, превосходит потери энергии при отражении от зеркал, рассеянии в среде, а также за счет лазерного излучения, покинувшего систему. Нарастание интенсивности волны в активной среде не может продолжаться беспредельно, так как населенность N ₂ верхнего энергетического уровня Е ₂ ограничена. В стационарном режиме устанавливается постоянное значение N ₂, определяемое балансом процессов возбуждения и излучения.

В данной работе используется газовый гелий-неоновый лазер, принципиальная схема которого приведена на рис.54.3.

Лазер состоит из газоразрядной трубки 1, наполненной смесью гелия (давление ~1мм рт.ст.) и неона (давление ~ 0.1 мм рт.ст.) и помещенной между зеркалами 4 и 5 с коэффициентами отражения, близкими к единице. Концы трубки закрыты плоско параллельными пластин-                       

            Рисунок 54.3                ками 2 и 3, обеспечивающими  линейную

поляризацию лазерного излучения с электрическим вектором, параллельным плоскости падения. При пропускании тока через гелий-неоновую смесь атомы гелия электронным ударом возбуждаются до метастабильных состояний Е ₂ и Е ₃ накапливаются на них, так как вероятность спонтанного перехода с этих уровней на основной уровень Е ₁ очень мала (рис.54.4).

Рисунок 54.4

При столкновении возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходят безызлучательные переходы атомов гелия в невозбужденное состояние с передачей энергии возбуждения атомам неона. Эти процессы идут очень эффективно вследствие хорошего совпадения энергий соответствующих уровней. В результате на уровнях Е ₆ и Е ₄ неона образуется инверсная населенность относительно уровней Е ₅ и Е ₃, приводящая к возможности лазерного излучения.

Лазер генерирует красный свет с длиной волны 632,8 нм, а также инфракрасное излучение с длинами волн 3,39 мкм и 1,15мкм.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ

Установка для измерений схематически изображена на рис.54.5, где 1 - лазер, 2 - дифракционная решетка, 3 – расширитель лазерного пучка, 4 - анализатор с фотоэлементом и круговой шкалой, 5- экран с измерительной шкалой. На экране наблюдается дифракционная картина, формируемая дифракционной решеткой, на которую падает лазерный луч.

               Рисунок 54.5.                 

Из условия максимумов дифракционной решетки

                                    d sin j = k l,                                     (54. 5)

где d - постоянная решетки, j - угол дифракции, k - порядок максимума, может быть найдена длина волны лазерного излучения

l = d sin j / k,                                   (54. 6)

где sin j = (х ¢_k + х ¢¢_k) / , l - расстояние от дифракционной решетки до экрана, а х ¢_k, х ¢¢_k  - положения максимумов k - го порядка слева и справа от нулевого.

Тогда      

                                  (54.7)

Сняв решетку и установив расширитель 3 лазерного луча, а также анализатор 4 с фотоэлементом, можно исследовать зависимость фототока от угла поворота анализатора, что позволит определить положение в пространстве плоскости колебаний вектора .

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Упражнение 1. Определение длины волны излучения лазера.

1. Устанавливают держатель с дифракционной решеткой 2 на расстоянии l = 50 см от экрана. (Расширитель 3 и анализатор 4 сняты с оптической скамьи)

2. Включают лазер.

3. С помощью шкалы на экране определяют положение максимумов  k -порядка слева х ¢ _k , и справа х ¢¢ _k   от нулевого. Измерения производят для максимумов всех порядков, наблюдаемых на экране. Результаты измерений записывают в таблицу.

4. Выключают лазер.

Упражнение 2. Определение направление поляризации излучения лазера.

1. Сняв дифракционную решетку 2, устанавливают на оптической скамье между лазером и экраном расширитель 3 и анализатор 4 с фотоэлементом.

2. Включают лазер и регулируют положение элементов 3 и 4 и так, чтобы большая часть светового пучка попадала в окошко анализатора.

3. Устанавливают поворотное устройство анализатора на начало отсчета (по круговой шкале), определяют величину фототока по прибору, соединенному с фотоэлементом. Проводят измерения фототока, поворачивая анализатор ступенями по 15° вплоть до 360°. Результаты измерений заносят в таблицу.

4. Выключают лазер.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Рассчитывают длину волны по формуле (54.6) для максимумов каждого порядка и находят среднее значение <l>.

2. Рассчитывают погрешность результата измерений Dl как для прямых измерений.

3. Записывают окончательный результат в виде

 l = <l >  ± Dl.

4. Строят в полярных координатах график зависимости фототока от угла поворота анализатора.

5. По графику определяют ориентацию вектора .

Примечание. В лаборатории имеется две установки. В одной из них источником излучения служит газовый гелий-неоновый лазер, а в другой – твердотельный лазер. Их свойства и характеристики несколько различны.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Какое явление лежит в основе работы лазера?

2. При каком условии устанавливается стационарный режим излучения?

3. На дифракционную решетку с периодом d падает нормально монохроматический свет. Максимум второго порядка наблюдается под углом j₂ . Определить длину световой волны l.

4. Какие типы лазеров известны к настоящему времени?

5. Как осуществляется накачка усиливающей среды в He-Ne лазере?

6. Определить наибольший порядок максимума, который можно получить с помощью решетки, имеющей   N штрихов на миллиметр, если свет с длиной волны l падает на решетку нормально.

Список литературы

1. Трофимова, Т.И. Курс физики. Учебное пособие для инженерно-технических специальностей вузов [Текст] /Т. И. Трофимова – М.: Академия, 2008. – 557 с.

2. Детлаф, А.А. Курс физики. Учебное пособие для втузов [Текст] /А. А. Детлаф, Б. М. Яворский.– М.: Высшая школа, 2001. – 717 с.

3. Ландсберг Г. С. Оптика. Учебное пособие для вузов [Текст] / Г. С. Ландсберг – М.: Физматлит, 2006. – 848 с.

4. Оптические измерения: Учебное пособие для вузов [Текст] / А. Н. Андреев [и др.] – М.: Логос, 2008. – 415 с.

5. Можаров Г. А. Основы геометрической оптики: Учебное пособие для вузов [Текст] /Г. А. Можаров – М.: Логос, 2006. – 278 с.

6. Малышев В. А. Основы квантовой электроники и лазерной техники: Учебное пособие для вузов [Текст] /В. А. Малышев – М.: Высшая школа, 2005. – 542 с.

7. Физические величины. Справочник [Текст] / /под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.

8. Раннев Г.Г. Методы и средства измерений. Учебник для студентов вузов [Текст] / Г.Г. Раннев, А. П. Тарасенко – М.: Академия, 2008. – 330 с.

Приложения.

Приложение 1.

 Длины волн видимой части спектра

Приложение 2.

 Линии излучения спектра водорода

Приложение 3.

 Линии излучения спектра ртути

Приложение 4.

 Показатели преломления n кристаллов для длины волны l =589,3 нм

Приложение 5.

 Показатели преломления (n) веществ при 20°С относительно воздуха

 (для длины волны l = 589,3 нм)

Приложение 6.

Физические постоянные

Приложение 7.

Работа выхода (А) для элементов-поликристаллов, эВ

Приложение 8.

 Масса покоя элементарных частиц

Приложение 9.

Коэффициенты Стьюдента  t _an

 (n - число измерений, a - надежность)

a  n	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	0,95	0,98	0,99	0,999
2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20 25 30 40 50 100	1,00 1,82 0,77 0,74 0,73 0,72 0,71 0,71 0,70 0,69 0,69 0,69 0,68 0,68 0,68 0,68	1,38 1,06 0,98 0,94 0,92 0,90 0,90 0,90 0,88 0,87 0,86 0,86 0,85 0,85 0,85 0,85	2,0 1,3 1,3 1,2 1,2 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,0 1,0	3,1 1,9 1,6 1,5 1,5 1,4 1,4 1,4 1,4 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3	6,3 2,9 2,4 2,1 2,0 1,9 1,9 1,9 1,8 1,8 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7	12,7 4,3 3,2 2,8 2,6 2,4 2,4 2,3 2,3 2,1 2,1 2,1 2,0 2,0 2,0 2,0	31,8 7,0 4,5 3,7 3,4 3,1 3,0 2,9 2,8 2,6 2,5 2,5 2,5 2,4 2,4 2,4	63,7 9,9 5,8 4,6 4,0 3,7 3,5 3,4 3,3 3,0 2,9 2,8 2,8 2,7 2,7 2,6	636,2 31,6 12,9 8,6 6,9 6,0 5,4 5,0 4,8 4,1 3,9 3,7 3,7 3,6 3,5 3,4

Приложение 10.

Основные единицы СИ

Единица

  Величина

Единица

Величина

Единица

  Величина

Множитель

Приставка

Множитель

Приставка

Обозна-

чение

деци

санти

милли

микро

нано

пико

фемто

атто