Сведения из теории

И ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ОЗНАКОМЛЕНИЕ С РАБОТОЙ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

Лабораторная работа 7

Цель работы: ознакомление с принципом действия, конструкцией и основными свойствами излучения газового лазера.

Приборы и принадлежности: гелий-неоновый лазер, монохроматор УМ-2, ртутная лампа ДРШ, конденсор, оптическая скамья, дифракционная решетка, экраны, поляроид,фотоэлемент СЦВ-3, микроамперметр, вольтметр постоянного тока на 150 В, выпрямитель, ЛАТР-1.

Квантовые генераторы представляют собой устройства, в которых электромагнитная волна, проходящая через вещество, увеличивает свою энергию за счет внутренней энергии атомов и молекул этого вещества. Квантовые генераторы, работающие в видимой и инфракрасной областях спектра, – оптические квантовые генераторы (ОКГ) получили название лазеров.

Рассмотрим процессы, происходящие при взаимодействии электромагнитного поля с веществом.

При поглощении электромагнитной энергии атомы вещества переходят из основного энергетического состояния в возбужденное W_n. В возбужденном состоянии атом может находиться очень короткий промежуток времени (~ 10^-8 ÷ 10^-9 с), по истечении которого самопроизвольно переходит на более низкий энергетический уровень W_m, излучая при этом квант энергии hν = W_n - W_m. Такое излучение называют спонтанным (самопроизвольным).

При спонтанном переходе различные атомы излучают энергию неодновременно и независимо друг от друга, поэтому фазы излучаемых ими фотонов не связаны между собой, и направление распространения излучаемого фотона носит случайный характер. Частота излучений различных атомов изменяется в некоторых пределах, допускаемых соотношением неопределенности. Таким образом, спонтанное излучение (излучение обычных источников света – ламп накаливания, дуговых ламп и т. п.) не является строго направленным, монохроматичным, когерентным и поляризованным.

Во внешнем электромагнитном поле переход атомов с верхнего энергетического уровня на нижний происходит значительно быстрее, чем при отсутствии поля, то есть электромагнитное поле способствует увеличению вероятности излучения атомом кванта энергии. Это дополнительное излучение под действием электромагнитного поля называется индуцированным (вынужденным). Индуцированное излучение обладает очень важным свойством: его частота, поляризация и направление распространения совпадают с этими же характеристиками внешнего электромагнитного поля, вызвавшего этот переход.

Обычно для среды, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, наиболее населенным атомами оказывается нижний (основной) уровень, в результате чего при прохождении электромагнитной волны через слой такого вещества толщиной «x» имеет место обычное поглощение энергии и убывание интенсивности волны I (см. рис. 7.1) по закону

(7-1)

Здесь I₀ – интенсивность падающей волны, α – коэффициент поглощения, зависящий от населенности энергетических уровней. Для таких сред α >0.

Существуют среды, в которых верхний уровень оказывается более населен атомами, чем нижний. Такое состояние является неравновесным, а населенность уровней называется инверсной (преимущественной).

В этом случае вынужденные переходы атомов преобладают и поставляют в излучение больше энергии, чем ее теряется в результате актов обычного поглощения. Вследствие чего интенсивность электромагнитной волны при прохождении ее через вещество будет увеличиваться (рис. 7.1). Явление протекает так, как если бы коэффициент поглощения α стал отрицательным (α <0).

Вещества, в которых создается инверсная населенность уровней, называются активными средами. А процесс создания активной среды называется накачкой.

Имеется целый ряд способов накачки. С этой целью либо стремятся создать избыток атомов на более высоком уровне энергии по отношению к некоторому более низкому, либо искусственно понизить населенность нижнего уровня по отношению к более высокому.

Однако создать значительную инверсию населенностей возбужденного уровня очень трудно из-за малого времени жизни атомов (~ 10^-8 ÷ 10^-9 с) в таком состоянии.

Советскими физиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым было предсказано существование энергетических состояний, время жизни атомов в которых, оказывается, значительно больше (~ 10^-3 с), чем в возбужденном состоянии. Такие состояния были названы метастабильными (почти стабильными). Существование этих уровней позволяет получить инверсию населенности атомов на них, то есть создать активную среду.

Рис.7.2 Конструкция He – Ne лазера

Рассмотрим процесс создания активной среды на примере гелий-неонового лазера. Основным элементом гелий-неонового лазера является стеклянная газоразрядная трубка 1 (рис.7.2), заполненная смесью двух газов: примесного (гелия) и рабочего (неона). Возбуждение газового разряда производится постоянным током от специального генератора накачки 2.

Создание активной среды происходит следующим образом. Атомы He в процессе электрического разряда при столкновении с электронами возбуждаются и совершают переход из основного состояния 1 в возбужденное 2, являющееся метастабильным (рис. 7). Возбужденные атомы He, сталкиваясь неупруго с невозбужденными атомами Ne, передают им свою энергию.

Рис.7.3 Создание активной среды

Причем передача энергии осуществляется особенно эффективно при совпадении энергетических уровней у атомов разного сорта (2 у He и 3 у Ne). Такая резонансная передача энергии возбуждения с уровня 2 He на уровень 3 Ne приводит к их селективному заселению. При этом, чтобы процесс резонансного заселения уровня 3 Ne был более эффективным, число атомов примесного газа He в смеси делают значительно больше, чем у рабочего Ne (оптимальное соотношение парциальных давлений Ne и He в гелий-неоновом лазере находится в пределах от 1:5 до 1:15).

Снижение же населенности более низкого уровня 2 Ne (его «опустошение») осуществляется в основном за счет передачи энергии атомами Ne стенкам газоразрядной трубки при столкновении с ней (диффузия). Для более эффективного «опустошения» уровня 2 Ne диаметр трубки подбирают таким образом, чтобы атомы Ne, находящиеся на уровне 2, успевали бы добраться до стенок трубки и передать ей свою энергию (для газоразрядной трубки длиной 1м оптимальный диаметр составляет 7÷9 мм).

В этом случае вынужденные переходы атомов Ne с верхнего возбужденного уровня З с инверсной населенностью на «опустошенный» уровень 2 сопровождаются испусканием излучения в видимом диапазоне длин волн.

Возникшая при этом световая волна, проходя через активную среду, будет усиливаться (рис. 7.1, α <0), причем доля индуцированного излучения в ней возрастает. И чем длиннее путь, проходимый светом, тем большее число атомов участвует в переходе с верхнего уровня 3 на нижний 2 (происходит процесс самовозбуждения).

Значительного увеличения длины светового пути можно добиться, поместив газоразрядную трубку с активной средой (рис. 7.2) между двумя плоскопараллельными зеркалами 3. При этом используется эффект многократного прохождения излучения через среду за счет отражения от зеркальных поверхностей, образующих открытый резонатор. Расстояние между зеркалами L выбирают таким образом, чтобы на нем укладывалось целое число длин полуволн λ/2: L = п · λ/2, п=1, 2, … (условие резонанса). В этом случае имеет место резонансное усиление электромагнитной энергии. Если одна из пластин резонатора полупрозрачна, то через нее излучается плоская волна.

Выходное излучение лазера получается узконаправленным, так как испускаются лишь волны, многократно отраженные от зеркальных стенок резонатора и не испытавшие сколько-нибудь существенного отклонения от его оптической оси. Фотоны же, направление движения которых не параллельно оси трубки, покидают ее через боковые стенки трубки. Ширина луча определяется по формуле

(7-2)

где Θ – угловой раствор луча, рад;

λ – длина волны излучения энергии, м;

d – диаметр источника излучения, м.

Лазерное излучение является монохроматичным, так как оно сосредоточено в узкой полосе частот, или на «одной длине волны», что объясняется резонансным процессом усиления излучения.

Кроме того, такое излучение имеет высокую степень когерентности, которая говорит о том, что отдельные типы колебаний жестко связаны между собой. При этом наблюдается как пространственная когерентность вызванная тем, что все волновые фронты плоские и перпендикулярны направлению распространения волн, так и когерентность во времени, поскольку излучение монохроматично и имеется фазовое соответствие между волнами испускаемыми в разные интервалы времени.

Излучение лазера обладает значительной выходной мощностью, так как в индуцированном излучении может участвовать одновременно очень большое количество возбужденных атомов.

И, наконец, выходное излучение газового лазера обладает линейной поляризованностью, хотя сами атомы излучают свет произвольной поляризации. Поляризация лазерного излучения достигается тем, что газоразрядная трубка (рис. 7.2) замкнута с торцов плоскопараллельными пластинками 5 (окнами) из фтористого лития (LiF), которые расположены к оси трубки под углом Брюстера.

Дата добавления: 2015-06-27