Лабораторная работа № 12 Тема: изучение работы газового лазера

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение принципа действия газового лазера, определение длины волны излучения лазера с помощью дифракционной решетки.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: газовый лазер, дифракционная решетка, линейка, оптическая скамья, экран

Краткая теория

Оптические квантовые генераторы (лазеры) основаны на генерации и усилении света с помощью вынужденного индуцированного излучения.

Индуцированное - это такое излучение электромагнитных волн, которое возникает, если атом переходит из возбужденного состояния в основное под действием внешнего излучения (фотона). Такое взаимодействие фотона с возбужденным атомом может быть, если энергия hv фотона равна разности уровней энергий атома в возбужденном и основном состояниях (рис.1). В этом случае после взаимодействия фотона с атомом от атома будут распространяться уже два фотона: вынуждающий и вынужденный, т.е. наблюдается усиление света. Образовавшееся при этом вынужденное излучение имеет ту же частоту и фазу, что и стимулирующее этот процесс, и распространяется в том же

направлении, т.е. индуцированное излучение когерентно вынуждающему излучению. При взаимодействии фотонов с веществом наряду с вынужденным излучением идет процесс поглощения фотонов, при котором атомы вещества
	Рис.1

переходят из основного состояния в возбужденное.

В обычном состоянии невозбужденных атомов в веществе значительно больше, чем возбужденных, поэтому при взаимодействии фотонов с веществом преобладает процесс поглощения, и усиления света нет. Интенсивность света, прошедшего через слой вещества, зависит от толщины слоя по закону Бугера:

I = I₀ exp(-·l),

где I₀ - интенсивность падающего света;  - показатель поглощения, l – толщина слоя вещества. При взаимодействии света с веществом в обычном состоянии I < I₀ и  > 0.

Для того чтобы процесс вынужденного излучения преобладал над поглощением, необходимо изменить распределение атомов облучаемого вещества по энергетическим уровням. Усиление света будет в том случае, если концентрация атомов вещества на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденному состоянию, больше, чем на нижних. Такое состояние называется инверсной населенностью.

Интенсивность света, прошедшего через среду с инверсной населенностью атомов, увеличивается (I > I₀), что соответствует, по закону Бугера, отрицательному значению показателя поглощения  < 0.

Генераторы, дающие излучение в оптическом диапазоне длин волн, получили название лазеров.

Рассмотрим устройство и принцип действия газового гелий - неонового лазера. Основным его элементом является разрядная трубка, заполненая смесью газов - гелия и неона. Парциальное давление гелия 1мм.рт.ст., неона - 0,1 мм.рт.ст.

Атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия - вспомогательными, необходимыми для создания инверсной населенности атомов неона.

На рис.2 изображены энергетические уровни атомов неона и гелия. При электрическом разряде часть атомов неона переходят с основного уровня 1 на возбужденный уровень 3. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало и атомы спонтанно переходят на уровни 2 и 1.

Рис.2

Атомы гелия способствуют увеличению населенности уровня 3. Первый возбужденный уровень 2 гелия совпадает с возбужденным уровнем 3 неона. Поэтому, соударяясь с атомами неона, атомы гелия передают им часть своей энергии и переводят их в возбужденное состояние 3. Таким образом, в трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона с инверсной населенностью.

Спонтанный переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 3 на энергетический уровень 2 сопровождается излучением фотонов, энергия которых равна разности энергий этих уровней. Излученный при этом фотон вызывает индуцированный (вынужденный) переход атомов, поэтому возникает увеличивающийся поток фотонов с энергией h.

Основным конструктивным элементом гелий-неонового лазера (рис 3) является газоразрядная трубка 1,обычно кварцевая, диаметром около 7 мм. В трубке 2 при давлении около 150 Па находится смесь гелия и неона (гелия приблизительно в 10 раз больше, чем неона). В трубку вмонтированы электроды 3 для создания газового разряда.

Рис.3

На концах трубки расположены плоскопараллельные зеркала 4 и 5, в зависимости от направления их движения фотоны либо вылетают из боковой поверхности трубки, либо, многократно отражаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок, перпендикулярный зеркалам, будет иметь наибольшее развитие и выходит наружу через полупрозрачное зеркало 5.

Лазер будет работать в режиме генерации, если потери энергии световой волны при каждом отражении от зеркал резонатора меньше, чем прирост энергии в результате индуцированного излучения при прохождении его вдоль трубки через активную среду. В связи с этим очень важным является качество зеркал резонатора. Коэффициент отражения этих зеркал очень высок - 98-99%. Коэффициент пропускания света одним зеркалом составляет около 0,1%, а другим - 2%. Применение зеркального резонатора позволяет получить мощный и узкий пучок света.

Вследствие того, что энергетические уровни 2 и 3 атома неона обладают сложной структурой, лазер может излучать до 30 различных длин волн в инфракрасном и видимом диапазонах. Зеркала резонатора делают многослойными для того, чтобы создать вследствие интерференции необходимый коэффициент отражения для одной длины волны. Таким образом, лазер излучает строго определенную длину волны.

Индуцированное излучение газового лазера является высоко когерентным, исключительно монохроматическим, плоскополяризованным, остронаправленным. На этих свойствах основано применение лазеров в различных областях науки и техники, в том числе и сельском хозяйстве.

Для определения длины волны излучения гелий-неонового лазера в данной работе предлагается использовать дифракционную решетку. Она представляет собой стеклянную пластинку, на которой нанесены через равные промежутки а параллельные непрозрачные штрихи шириной b. Величина d=а+b называется периодом дифракционной решетки. При освещении дифракционной решетки монохроматическим светом происходит дифракция. Вторичные когерентные волны, образующиеся в результате дифракции, распространяясь по всем направлениям, интерферируют, образуя дифракционную картину.

При нормальном падении света главные дифракционные максимумы возникают при условии

d·sin=k·, (1)

где k = 0, 1, 2,… -порядок главных максимумов.

Зная период с дифракционной решетки и угол , под которым виден максимум k-го порядка, можно определить длину волны падающего света:

(2)