Визначення довжини хвилі випромінювання оптичного квантового генератора

Прилади і матеріали: оптичний квантовий генератор, плоско-паралельна пластинка, екран.

Мета роботи: вивчити гелій-неоновий лазер і визначити довжину хвилі його випромінювання.

І. Теоретичні відомості

Існують процеси, при яких потік випромінювання, що проходить через речовину, буде не послаблюватися (поглинатися), а підсилюватися. Такі процеси реалізуються в приладах, що називаються квантовими генераторами. Квантові генератори, що випромінюють в діапазоні видимого та інфрачервоного випромінювання, називаються лазерами. Окремо зупинимось на принципі роботи даного приладу. Лазер є джерелом когерентного випромінювання. Слово “лазер” - це абревіатура англійського виразу “Light Amplification by Stimylated Emission of Radiation” (підсилення світла за рахунок вимушеного випромінювання).

Досі ми розглядали процеси поглинання або випромінювання за участю одного фотона. У 1916 р. А. Ейнштейн розглянув вимушене (індуковане) випромінювання атома. Суть його полягає в тому, що, якщо на електрон, який знаходиться у збудженому стані Е₂ діє зовнішнє випромінювання енергією h =Е₂ ‑ Е₁, то виникає вимушений (індукований квантом світла) перехід електрона в основний стан Е₁, який супроводжується випромінюванням фотона з тією ж енергією h =Е₂ ‑ Е₁ (рис.1).Таким чином, у процесі беруть участь два фотони: первинний (зовнішнє випромінювання, яке збуджує атом) і вторинний, який випромінюється атомом.

Для того, щоб середовище підсилювало збуджуюче випромінювання, необхідно створити нерівноважний стан системи з інверсною заселеністю рівнів. Інверсна заселеність рівнів виникає тоді, коли число атомів у збудженому стані (рівень Е₂) є більшим, ніж в основному стані (рівень Е₁). Процес створення нерівноважного стану речовини з інверсною населеністю рівнів називають нагнітанням. Нагнітання може бути здійснене різними способами – оптичним, електричним, хімічним тощо.

У середовищах з інверсною заселеністю вимушене випромінювання може перевищити за інтенсивністю поглинутий світловий потік. Тоді світловий пучок, який падає на середовище, після його проходження буде підсилюватися (такі середовища називають активними). Все протікатиме так, ніби в законі Бугера I = I₀е^-x коефіцієнт поглинання  став від’ємним.

Саме завдяки можливості здійснення на практиці інверсного стану середовища, реалізовано лазер (оптичний квантовий генератор).

Типові компоненти лазера:

1. активне середовище ‑ середовище, в якому створюються стан з інверсною заселеністю енергетичних рівнів;

2. система нагнітання ‑ пристрій для створення інверсного стану в активному середовищі;

3. оптичний резонатор ‑ пристрій, що виділяє у просторі напрям для вихідного пучка.

У найпростішому варіанті оптичний резонатор представляє собою систему двох дзеркал – глухого 1 та напівпрозорого 2, між якими поміщене активне середовище 4 (рис.2). Лазерний промінь, який виникає в активному середовищі при включеному нагнітанні 3, почергово відбиваючись від глухого та напівпрозорого дзеркал, багаторазово проходить через активне середовище поступово підсилюючись доти, поки не вийде назовні через напівпрозоре дзеркало потужним променем 5.

У лазері відбувається підсилення світла випромінюванням, індукованим світлом, що проходить крізь речовину.

Розглянемо умови, при яких можливе таке підсилення. За робочу речовину лазера візьмемо атомарний газ, де елементарними поглиначами і випромінювачами світлових квантів будуть вільні атоми.

Позначимо через Е₁ і Е₂ енергетичні рівні атома, перехід між якими відповідає частоті підсилюваного випромінювання , так що E₂-E₁ = h . Зупинимось тільки на тих переходах, які реалізуються при взаємодії з випромінюванням. Перехід Е₁ Е₂ може відбутися тільки при поглинанні фотона, тобто в результаті взаємодії між атомом і проникаючим потоком випромінювання. Перехід Е₂ Е₁, пов’язаний з випромінюванням фотона, може відбутися спонтанно (незалежно від дії випромінювання) та індуковано (тобто в результаті впливу проникаючого потоку випромінювання).

Доведено, що при даній густині потоку випромінювання частоти ймовірність переходу Е₁ Е₂ рівна ймовірності переходу Е₂ Е₁. При відсутності спонтанного випромінювання рівновага між випромінюванням і газом можлива при рівному числі атомів у станах Е₁ і Е₂: N₂-N₁. Наявність спонтанного випромінювання означає додаткову можливість переходів Е₂ Е₁, так що рівновага можлива тільки при Е₂=Е₁, що завжди має місце при термодинамічній рівновазі ізольованих систем.

При спонтанному випромінюванні фотон має довільний напрям вектора імпульсу. Фотон індукованого випромінювання має той же напрям, що і фотон, який викликав його появу. Ці фотони – когерентні, в даній точці простору і в даний момент часу фази їх хвиль майже точно рівні між собою. Посилення проникаючого через речовину потоку випромінювання буде тим більшим, чим більшим буде число індукованих переходів Е₂ Е₁ (це число пропорційне числу атомів у стані Е₂ - N₂) і чим меншим буде поглинання, тобто число переходів Е₂ Е₁ (це число пропорційне N₁).

Отже, умова, при якій можна досягнути підсилення випромінювання, що проходить через речовину : N₂>N₁.

Заселеність рівня Е₂ повинна бути більша від заселеності рівня Е₁, тобто N₂>N₁.

В замкнутій системі, в умовах термодинамічної рівноваги, відносні числа атомів, що мають енергії E₁,E₂,….E_i, визначаються з відомої формули Больцмана:

. (1)

Так що

, (2)

Оскільки E₂>E₁, то N₂/N₁<1, тобто N₁>N₂ при будь-якій можливій температурі Т>0.

Однак, якщо система є незамкнутою, а відкритою, тобто маємо притік потоку енергії ззовні в систему (“нагнітання” енергії) і віддачу енергії, положення може змінитися . Можливо створити умови, за яких виникне інверсна (в порівнянні із звичайною) заселеність рівнів E₂ і Е₁, так що N₂>N₁, при чому числа N₂ і N₁ не будуть залежати від часу, тобто даний нерівноважний стан буде стаціонарним.