“ЗАТВЕРДЖЕНО”

на засіданні кафедри оптики

протокол № від “” 2010 р.

Зав. кафедри ………..проф. Сливка О.Г.

Методичні вказівки

до лабораторного заняття №

Вивчення роботи

твердотільного лазера

Ужгород-2010

Лабораторна робота №

Вивчення роботи тврдотільного лазера

Мета роботи: Знайомство з роботою твердотільного лазера. Вивчення властивостей лазерного випромінювання (монохроматичності, розбіжності і стану поляризації). Використання дифракційної картини для визначення параметрів світлової хвилі і розмірів перешкод.

Необхідні прилади та матеріали: Твердотільний лазер. Дифракційна гратка, щілина

I. Короткі теоретичні відомості:

Лазери-це генератори і підсилювачі когерентного випромінювання в оптичному діапазоні, дія яких базується на індукованому (визваному полем світлової хвилі) випромінювання квантових систем-атомів, іонів, молекул, що знаходяться в нерівноважних термодинамічних станах. І ншими словами лазер – це пристрій для перетворення різних видів енергії відносно низької якості (електричної, світлової, хімічної, теплової і т.д.) в енергію високої якості - енергію когерентного електромагнітного випромінювання.

Принципова схема: будь-який лазер містить наступні елементи (рис.1): активне середовище (1), що підсилює падаючу елекромагнітну хвилю; систему накачування, що служить для створення інверсної населеності на певних рівнях (для виводу активного середовища із стану рівноваги); оптичний резонатор, що складається з двох дзеркал (R1 - глухе дзеркало, R2 – напівпрозоре дзеркало), що забезпечують зворотний зв'язок між полем і випромінюванням.

Типи квантових переходів

В основі роботи лазера лежать три найважливіші явища, що відбуваються при взаємодії світла з речовиною:

-спонтанне випромінювання: мимовільний квантовий перехід із стану з більшою енергією в стан з меншою енергією з випромінюванням енергії

h= Е₁ - Е₂ (1)

де h - постійна Планка - частота випромінювання;

-вимушені переходи (випромінювання і поглинання): перехід квантової системи з одного стану в інше під дією зовнішнього поля тієї ж частоти. Суть процесів показана на рис.2.

Основні процеси в лазерах:

Рівновага

Розглянемо два атомні рівні з енергіями Е1 і Е2. В неробочому стані атоми середовища знаходяться в незбудженому стані на рівні з енергією Е1 і не випромінюють. З включенням газового розряду частина незбуджених атомів N₁, поглинаючи випромінювання, збуджується і переходить в збуджений стан на рівень з енергією Е2. Збуджений стан нестійкий, і збуджені атоми N₂ через деякий час t (порядка 10^-8с) випромінюють світлові хвилі, переходячи спонтанно (мимовільно) знову в незбуджений стан. Акти спонтанного випромінювання відбуваються випадково. Їх вірогідність не залежить від передісторії системи.

Характерні особливості даного стану (рис. 3):

-число атомів в активному середовищі розподіляється по рівнях відповідно до принципу Больцмана (рис. 3а):

N_i = N_o  exp(-(Е_i-E_o) / kТ), (2)

де k - постійна Больцмана, Т - температура, N_o - кількість атомів в стані з якнайменшою енергією E_o, N_i - кількість атомів в стані з енергією Е_i. Особливість розподілу Больцмана: чим більша енергія рівня, тим менше він населений (N_i < N_o);

-фотони випускаються різними частинками, в різні моменти часу, мають різні частоти, напрям розповсюдження, поляризації, тобто світлове поле спонтанного випромінювання є хвилями з хаотичним набором фаз. Його можна представити шматками не зв'язаних один з одним синусоїд, які називаються цугами (мал. 3б). Таке поле некогерентне;

-спонтанне випромінювання розповсюджується в просторі ізотропно (мал.3в), тобто просторово - симетричне, подібно сонячному випромінюванню. Не можна здійснити колімацію випромінювання без втрат, а яскравість зображення не може бути вище яскравості джерела;

-спонтанне випромінювання немонохроматичне (енергія розподілена в широкому спектральному інтервалі).

Підсилення і генерація випромінювання

Світлові хвилі, розповсюджуючись в речовині, взаємодіють з атомами середовища. Зміна інтенсивності світла dI на шляху dx визначається формулою:

dI I₀ (N₂-N₁) dx, (3)

з якої слідує, що випромінювання, пройшовши через середовище, поглинається, якщо

N₂ < N₁, I = I₀ ехр(-х) (3а)

і підсилюється, якщо

N₂ > N₁, I = I₀ e ехр(+х) . (3б)

Тут  - коефіцієнт поглинання або підсилення відповідно. Умова (3б) є першою умовою лазерної генерації. Воно означає, що для посилення випромінювання систему треба вивести із стану рівноваги, тобто порушити принцип Больцмана. Порушення принципу Больцмана називається інверсією. Середовище з інверсною населеністю називається активним. В системах з інверсною населеністю, по-перше, відбувається посилення хвилі, а, по-друге, вимушене випромінювання переважає над спонтанним. Нерівноважний стан, для якого N₂>N₁, називається станом з негативною температурою.

Друга умова вимагає перевищення підсилення над втратами випромінювання, які завжди виникають через розсіяння, неповне відбивання і т.д. Для ефективної реалізації процесу випромінювання потрібен зворотний зв'язок. Зворотний зв'язок здійснюється за допомогою дзеркал (резонатор). Випромінювана хвиля, відображаючись, знову повертається в активне середовище, викликаючи лавину індукованих переходів. Наявність зворотного зв'язку перетворює підсилювач на генератор випромінювання.

Накачування

Для створення інверсної населеності необхідна додаткова зовнішня дія, яка долає процеси, направлені до відновлення рівноваги. Перешкоджати можна, тільки затрачувавши зовнішню енергію. Процес створення інверсної населеності за допомогою зовнішнього джерела називається накачуванням. Накачування надає системі додаткову енергію, яка йде на те, щоб зробити середовище активним. Активне середовище має здатність посилювати падаюче випромінювання, а в більш загальному випадку забезпечує можливість середовища до самоорганізації і утворення впорядкованої системи.

Існує безліч методів накачування: електричний (газорозрядні лазери), оптичний (рідинні і твердотільні лазери), хімічний (хімічні лазери) і інші. Вибір методу визначається особливостями будови і енергетичним спектром лазерної речовини. В гелій-неоновому лазері накачування відбувається в два етапи (рис.4): вільні електрони газового розряду, стикаючись з атомами неону і гелію, переводять їх в збуджені стани. Значне число атомів гелію нагромаджується на довгоживучому (метастабільному) рівні 2¹S енергія якого співпадає з енергією атома неону 3S. При зіткненнях атомів гелію, що знаходяться в стані 3S, з незбудженими атомами неону відбувається резонансний обмін енергіями по схемі: He(2¹S) + Ne = He + Ne(3S).

Таким чином, атоми гелію діють як посередники (буфер) для передачі збудження атомам неону, створюючи інверсію населеності на рівні неону 2¹S.