Лазер - лабораторная работа

Цель работы

Ознакомление с принципом работы гелий-неонового лазера и изучение характеристик лазерного излучения.

Основы физики работы лазера

Слово «Лазер» составлено из первых букв английского словосочетания «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» - усиление света с помощью индуцированного излучения.

Гелий-неоновый лазер (конструкция и принцип работы)

В Не-Ne лазере используются принцип резонансной передачи энергии возбуждения от примесного газа (Не) основному (Ne). Диаграмма энергетических уровней гелия и неона приведена на рис. 7.5.

Для данной смеси газов условия резонансной передачи энергии выполняются для уровней



В результате газового разряда уровни 2¹s и 2³s заселяются за счет электронных ударов. При неупругих столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит возбуждение последних и заселение метастабильных уровней 2s и 3s:

Хотя уровни 2р и 3р неона также заселяются за счет электронных ударов, что уменьшает разность населенности уровней 2s, 3s и 2р, 3р, но эффективность этого процесса мала по сравнению с процессом (7.11). Это достигается тем, что парциальное давление неона (~10 Па) много меньше парциального давления гелия (~100 Па), в связи с чем концентрация гелия значительно превышает концентрацию неона.

За счет дефекта энергий уровней (2¹s → 2s), значительно превышающего величину kT, результат процесса (7.11) далек от желаемого. Однако это компенсируется большим временем жизни возбужденных атомов Ne на уровнях 2s и 3s, состоящих из четырех подуровней, по сравнению с уровнями 2р и 3р. Например, время жизни неона на уровне 2s₂ составляет 9,6*10^-8 с, а время жизни на уровне 2р₄ - 1,2-10^-8с.

При осуществлении инверсной заселенности уровней 2s и 3s происходят излучательные переходы на уровни 2р и 3р со следующими длинами волн:



«Отработанные» атомы переходят за счет спонтанного излучения с уровней 3р и 2р на метастабильный уровень 1s. Сток частиц с уровня 1s обеспечивается, в основном, за счет диффузии к стенкам.
Схема конструкции газового лазера приведена на рис. 7.6.


В газоразрядной трубке, заполненной смесью неона и гелия в пропорции 1:10, зажигается газовой разряд, с помощью которого происходит инверсия населенности уровней.

Поскольку в процессе разряда появляются фотоны с произвольными частотами, существуют и фотоны с длинами волн λ₁, λ₂ и λ₃, совпадающими с длинами волн соответствующих переходов. Они вызывают индуцированный переход с образованием фотонов с этими же частотами, фазами и направлениями волновых векторов k' . В случае, если появляется волна частотой, например, ω₃=с/λ₃, она распространяется вдоль трубки и отражается от зеркала. Расстояние между зеркалами выбирается кратным половине длины волны, что обеспечивает возбуждение резонатора (колебательного контура в оптическом диапазона) именно на этой длине волны.

Отраженная от зеркал волна приходит в данную точку в той же фазе, что и первичная, обеспечивая положительную связь. Происходит накопление фотонов, то есть энергии монохроматической волны. Ввиду высокой добротности контура, достигающей десятков тысяч единиц, амплитуда колебаний становится достаточно большой. Наличие выходных окон газоразрядной трубки, расположенных под углом Брюстера, выделяет линейную поляризацию волн в определенной плоскости, в связи с чем волны с иной поляризацией не проходят через полупрозрачное зеркало 2, которое пропускает всего 4-5% интенсивности излучения, а остальные 96% идут на поддержание процесса генерации.

Увеличение потерь излучения на волне λ₂ (усиление на переходе 2s₂ → 3p₁ велико по сравнению с усилением на переходе 3s₂→ 2p₄) достигается как использованием окон, расположенных под углом Брюстера, так и соответствующей расстройкой резонатора. Однако наличие этого излучения снижает эффективность работы лазера в видимом оптическом диапазоне.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис. 7.7) представляет собой газовый Не-Ne лазер 1, который установлен на оптической скамье 2. Блок питания 3 лазера расположен отдельно. На держателе 4 расположен горизонтальный столик 5, на который в ходе выполнения работы устанавливаются следующие детали: дифракционная решетка 6; экран 7; поляроид 8; вращение которого осуществляется рычагом 9; фотодиод 10. Микроамперметром 11 измеряется ток в цепи фотодиода. Стационарный экран 12 должен быть расположен на расстоянии не менее 1,5 м от лазера.

Методика проведения эксперимента

Определение длины волны излучения лазера

После прохождения через дифракционную решетку лазерного луча на экране возникает дифракционная картина [2,4] пятен, соответствующих главным дифракционным максимумам нулевого, первого, второго и т.д. порядков (рис. 7.8).

Длина волны излучения определяется из условия главных дифракционных максимумов



где

• d - постоянная дифракционной решетки,
• φ - угол дифракции,
• k - порядок дифракционного спектра,
• λ - длина волны.

Угол дифракции вычисляется по формуле




Здесь l - расстояние между экраном и дифракционной решеткой,
h_i - расстояние между нулевым и i-ым максимумами (i = 1, 2,...).

По формуле (7.12) вычисляется длина волны излучения.

Оценка направленности излучения лазера

Малое угловое расхождение лазерного луча можно оценить, помещая экраны на разных расстояниях от лазера (рис. 7.9) и измеряя радиус пятна излучения.

Зная расстояние l между экранами и диаметры d световых пятен на экранах, можно определить угловое расхождение светового пучка по формуле

Исследование поляризации излучения лазера

Помещая в пучке излучения лазера поляроид и вращая его вокруг оси пучка, можно полностью погасить или полностью пропустить свет. Это говорит о том, что излучение лазера линейно поляризовано. Поместив за поляроидом фотоэлемент, можно измерить силу фототока i для каждой ориентации поляроида и построить график i = ƒ (φ) ). Этот график дает зависимость интенсивности света I, прошедшего через поляроид, от угла поворота поляроида, т.к. I ~ i. Доказательством линейной поляризации излучения лазера служит соответствие полученного графика закону Малюса [1,3]

Порядок выполнения лабораторной работы

Внимание! При работе с лазером помните, что попадание в глаза прямого лазерного излучения опасно для зрения.

Ознакомьтесь с информацией на лабораторном столе (п.1). Включение лазера производите в присутствии преподавателя или лаборанта.

Включите в сеть блок питания 3 (см. рис. 7.7). Тумблер «сеть» на блоке питания поставьте в положение «вкл». На экране 12 должно появиться яркое пятно. Через 7-10 минут лазер готов к работе.

Определение длины волны излучения лазера

1. Установите столик 5 на расстояние (0,8-1,2) м от экрана 12 (см. рис. 7.4). Для этого отпустите зажимной винт стойки, плавно переместив столик вдоль скамьи, установите по указателю нужное положение и закрепите винтом.
2. На столике 5 установите дифракционную решетку 6. Выведите световое пятно в центр дифракционной решетки (см. указание на лабораторном столе). На экране 12 возникает дифракционная картина с ярким нулевым максимумом.
3. Измерьте расстояние между дифракционными максимумами первого h_i и второго h₂ порядков (см. рис. 7.8).
4. Переместите столик 5 на (0,2-0,3) м ближе к экрану 12.
5. Измерьте h_i и h₂ при новом положении дифракционной решетки.
6. Запишите результаты измерений и постоянную решетку d = 0,01 мм в табл. 7.1.
7. Снимите со столика дифракционную решетку.

Оценка направленности излучения лазера

1. Установите столик на расстоянии l = (0,8-0,9) м от экрана 12 (см. рис. 7.7).
2. На столике 5 установите поляроид 8, который в данном упражнении используется в качестве ослабителя яркости светового луча. Выведите световое пятно в центр поляроида. Вращая поляроид рычагом 9, получите оптимальную для Ваших глаз яркость пятна на экране.
3. Приложите к экрану листок бумаги и зарисуйте сечение пятна.
4. Установите на столик 5 экран 7 (между поляроидом и экраном 12).
5. Зарисуйте сечение пятна на экране 7.
6. Измерьте диаметры пятен по своим рисункам не менее трех раз по разным направлениям.
7. Запишите результаты измерений диаметров пятен (d') и расстояние l в табл. 7.2.
8. Снимите со столика экран 7.

Исследование поляризации изучения лазера

1. Вращая поляроид рычагом 9, убедитесь, что яркость пятна на экране 12 зависит от угла поворота поляроида вокруг оси светового пучка. Получите максимальную яркость пятна. Это положение поляроида будет началом отсчета угла поворота (φ = 0).
2. Установите на столик фотодиод 10 и подключите к нему микроамперметр 11.
3. Поставьте тумблер микрометра в положение «вкл».
4. Выведите световой пучок на фоточувствительный слой фотодиода (см. указание на лабораторном столе). В этом случае микроамперметр будет показывать максимальный ток в цепи фотодиода.
5. Измеряйте ток через каждые 5^o поворота поляроида. Отсчет φ производите по шкале на диске крепления поляроида. Измерения запишите в табл. 7.3.
6. Поставьте тумблер микроамперметра и тумблер «сеть» блока питания в положение «вкл». Выключите блок питания из сети.
7. Снимите со столика поляроид и фотодиод.

Обработка результатов измерений

1. Вычислите по формуле (7.13) углы дифракции для максимумов первого и второго порядков.
2. По формуле (7.12) вычислите длину излучения лазера для тех же максимумов.
3. Рассчитайте среднее значение длины волны.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
4. Вычислите по формуле (7.14) угловое расхождение лазерного луча.
5. Постройте график зависимости силы фототока от угла поворота поляроида вокруг оси лазерного пучка.
6. Сделайте вывод о характере поляризации лазерного измерения.

Перечень контрольных вопросов

1. Что такое спонтанное и индуцированное (вынужденное) излучение?
2. Что такое инверсная заселенность энергетических уровней и как она достигается?
3. Почему для усиления происходящего через среду светового потока необходима инверсная заселенность энергетических уровней?
4. Каков принцип работы трех - и четырехуровневого лазера?
5. Объясните принцип получения инверсной населенности в смеси газов.
6. Нарисуйте принципиальную схему лазера и расскажите принцип его работы.
7. Нарисуйте схему энергетических уровней лазера на смеси Не-Ne, расскажите о возможных переходах между уровнями.
8. Зачем в газоразрядной трубке выходные окна ставятся под углом Брюстера?
9. Чем объясняется высокая направленность излучения лазера?
10. В чем заключается особенности индуцированного излучения?

1. Савельев И.В. Курс общей физики: Учебник для вузов. Т.3. - М.: Наука, 1989. - 304 с.
2. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - Киев: Высш.шк. 1981. - 408 с.
3. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - 5-е изд. стер. - М.: Высш. шк. 1998. - 542 с.
4. Ярив А. Введение в оптическую электронику /Пер. с англ. под. ред. О.В. Бо- гданкевича. - М.: Высш.шк. 1983. - 398 с.