Ознайомлення з будовою і дією оптичного квантового генератора (окг) неперервної дії.

Мета роботи: ознайомитись з будовою і фізичними принципами роботи ОКГ.

Завдання: ознайомитися з будовою гелій-неонового лазера неперервної дії; вивчити спектр випромінювання лазера; вивчити фізичні основи роботи лазера.

Обладнання: робочий лазер, демонстраційний лазер, поляризатори, монохроматор УМ - 2, неонове джерело світла.

Загальні зауваження.

При виконанні цієї роботи студентам надається можливість ознайомитися з роботою He-Ne-го газового лазера неперервної дії та з основними властивостями його випромінювання, до яких відносемо:

монохроматичність (когерентність у часі) потужного випромінювання; просторову когерентність світлового потоку; гостру кутову спрямованість (колімація) випромінюваного лазером світлового пучка. Будова He-Ne-го лазера досить типова для конструкції ряду газових лазерів, тому розглянемо основні дані, що відносяться до його роботи.

Основним елементом такого лазера є розрядна трубка 1 (рис. 1). Трубка має розжарювальний катод 2 і анод 3 У трубці знаходиться суміш гелію і неону. Парціальний тиск гелію 1 мм рт. cт. і неону 0,1 мм рт.. cт.

При розжареному катоді трубки і поданій між її електродами високій напрузі в газах, що наповняють трубку, може підтримуватися світний електричний розряд. Під час розряду падіння анодної напруги на трубці складає близько 1,5 кВ при струмі через трубку – до 30 мА.

Р ечовиною, що дає потрібне видиме випромінювання розряду, є неон. Але необхідне для цього збудження атомів неону здійснюється за допомогою атомів гелію. Саме, в електричному розряді ударами електронів безпосередньо збуджуються aтоми гелію. Потім збуджені атоми гелію, зіштовхуючись з атомами неону, передають останнім енергію, необхідну для переходу їх, у свою чергу, в збуджений стан. Схематична картина деяких енергетичних рівнів атомів гелію і неону і переходів між їх станами представлена на рис. 2.

20,61 еВ

За рахунок передачі енергії від атомів Не до атомів Ne у трубці створюється активне середовище з атомів неону, що мають інвертовану заселеність. Спонтанне випромінювання окремих збуджених атомів неону призводить до поширення в активному середовищі фотонів, що відповідають електронним переходам в атомах неону з рівнів 3S на рівні 2Р.

П ід дією фотонів, що поширюються в розряді, відбувається індуковане когерентне випромінювання інших збуджених атомів неону. Масове наростання цього процесу забезпечується тим, що розрядна трубка поміщена в дзеркальний резонатор (рис. 3). Багаторазове проходження випромінювання уздовж осі розрядної трубки призводить до формування потужного потоку індукованого когерентного випромінювання. Режим генерації в лазері (спрямованого когерентного випромінювання) не слід змішувати з ненаправленим світінням газового стовпа розрядної трубки, що може мати місце й у трубці без резонатора (наприклад, у світній рекламній трубці).

Режим генерації може бути досягнутий у тому випадку, коли втрати енергії світлової хвилі при кожному відбиванні від дзеркал резонатора менші, ніж посилення хвилі в результаті індукованого випромінювання при проходженні уздовж трубки через активне середовище. Стаціонарний режим генерації визначається потужністю процесу збудження атомів активного середовища.

Розрядна трубка замкнута з торців плоскопаралельними скляними пластинками (вікнами), розташованими під брюстеровським кутом до осі трубки. Тому випромінювання неону, поляризоване в площині падіння на вікна, проходить через ці вікна без втрат на відбивання. Ця обставина забезпечує ефективність дії зовнішнього дзеркального резонатора, якість якого визначається високим значенням коефіцієнта відбиття і відсутністю поглинання світла його дзеркалами. З іншого боку, використання скляних вікон, розташованих під брюстеровським кутом до осі трубки, призводить до лінійної поляризації випромінювання лазера.

Резонатор лазера складається з двох дзеркал з багато-шаровим діелектричним покриттям. Ці дзеркала мають високі коефіцієнти відбиття (98 – 99%) і дуже малі коефіцієнти поглинання. Коефіцієнт пропускання світла одного дзеркала близько 0,1%, а другого 2%. Високе значення коефіцієнтів відбиття дзеркал має місце для довжини хвилі, на яку розрахована робота лазера. Зазначені величини коефіцієнтів прозорості дзеркал достатні для виходу з лазера потужного потоку випромінювання.

Одне з дзеркал резонатора увігнуте сферично, причому, центр кривизни дзеркала, лежить на поверхні другого, плоского дзеркала. Положення й орієнтація дзеркал юстується спеціальними мікрометричними гвинтами, чим забезпечується спрямованість індукованого випромінювання уздовж осі розрядної трубки.

Дзеркальний резонатор, в який поміщена розрядна трубка лазера, забезпечує виняткову спрямованість індукованого випромінювання. Мінімальна кутова ширина лазерного світлового пучка визначається дифракцією, яка пов'язана з обмеженням його поперечного перерізу. Ця обставина відрізняє лазерне джерело світла від звичайних джерел.

Якщо в лазері, що генерує, прикрити одне з дзеркал резонатора, то світний розряд у трубці буде продовжуватися, але промінь інтенсивного спрямованого випромінювання лазера згасне.

Для розуміння відмінності між генерованим випромінюванням лазера і хаотичним світінням газового розряду He-Ne-ї суміші, пропонується порівняти їх спектри. В світінні газорозрядної трубки через її бічну поверхню можна побачити безліч спектральних ліній неону і гелію від синіх до червоних. Це світіння залишається незмінним незалежно від того, генерує лазер чи ні. В спектрі випромінювання лазера, фактично є лише одна, але дуже інтенсивна червона спектральна лінія, на генерацію якої налаштований лазер (інші лінії послаблені).

Розходження в спектрі випромінювання, що виходять з торця лазера і через бічну поверхню його трубки, помітно і неозброєним оком по їх кольору. Бічне має блідо-рожеве фарбування, торцеве — червоне.

Лінійну поляризацію світла, випромінюваного лазером із брюстеровською орієнтацією вихідних вікон розрядної трубки, можна спостерігати, пропускаючи випромінювання через поляроїд. Обертанням поляроїду навколо осі світлового пучка можна домогтися значного погашення світлового пучка лазера, що і підтверджує його лінійну поляризацією.

Звертаємо особливу увагу на те, що попадання в очі прямого лазерного випромінювання небезпечно для ока. Тому при роботі з лазером його світло спостерігається винятково, після відбиття від екрану, що розсіює світло, чи через нейтральний світлофільтр, що послабляє інтенсивність світла. Працювати з лазером треба обережно, бо в системі його живлення є висока напруга.