Всі лабораторні роботи / LASER1_W

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА laser1_w. doc

Работа с квантовым оптическим генератором

Цель работы. Изучить физические принципы работы квантовых оптических генераторов (лазеров), ознакомиться с работой гелий-неонового лазера, определить длину волны излучения лазера и энергию излучаемых квантов света.

Контрольные вопросы для подготовки к работе

1. Основные положения квантовой механики (гипотеза Луи де Бройля, волновые свойства частиц, принцип неопределенности Гейзенберга, уравнение Шредингера и его использование для атома водорода, квантовые числа и их физический смысл).

2. Особенности излучения и поглощения энергии атомами и молекулами.

3. Люминесценция. Виды люминесценции.

4. Спонтанное и вынужденное излучения.

5. Равновесная (больцмановская) и инверсная заселенность энергетических уровней. Усиление интенсивности излучения при инверсной заселенности уровней.

6. Принципы работы оптического квантового генератора, устройство гелий-неонового лазера. Использование лазеров в медицине.

Литература для подготовки к работе

1. Н.М.Ливенцев. Курс физики. 1974. гл.28 (параграфы 151-153), гл. 31 (параграфы 162-166). С. 482-508.

2. Н.М.Ливенцев. Курс физики. 1978. ч.2, гл.19, гл. 22 (параграфы 117-121). С. 20-43.

3. А.Н.Ремизов. Курс физики. 1976. ч.2, раздел 5, гл.32 (параграфы 1-6), стр.231-241.

4. А.Н.Ремизов. Курс физики электроники, кибернетики для медицинских институтов. 1982. С. 387-399.

5. А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика. 1987. С. 514-529, 534- 538.

6. Б.Т.Агапов, Г.В.Максютин, П.И.Островерхов. Лабораторный практикум по физике. М. 1982. С.229-233.

Дополнительные теоретические сведения

Оптический квантовый генератор (ОКГ) или лазер - устройство, генерирующее электромагнитные волны за счет вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой в оптическом резонаторе. (LASER - абревиатура слов “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” или “усиление света вынужденным излучением”). Когерентность, острая направленность, высокая монохроматичность и стабильность частоты - основные характеристики лазерного излучения.

В квантовой механике различают несколько видов энергетических переходов: самопроизвольные (спонтанные) -1, индуцированные - 3 и безизлучательные - 2 (cм.рис. 1)

Рис. 1. Виды энергетических переходов

А) спонтанные переходы - 1 , Б) безизлучательный переход -2 и

индуцированный переход - 3. В) упрощенная схема энергетических

уровней гелий-неонового лазера

Спонтанное излучение некогерентно. В этом случае атомы излучают свет независимо друг от друга. Фазы волн, поляризация и направление распространения случайны и не связанны между собой. Таковы обычные источники света, в которых излучение происходит в результате переходов атомов из возбужденного состояния с энергетическими уровнями Е₄ , Е₃ , Е₂ на более низкие энергетические уровни (см. рис.1-А). В обычных условиях, когда среда находится в термодинамическом равновесии, на каждом более высоком энергетическом уровне находится меньше атомов, чем на нижних, т.е. N₂ < N₁. Такое распределение атомов по энергетическим уровням называют равновесным распределением Больцмана. Для него характерно экспоненциальное уменьшение заселенности уровней с увеличением энергии уровня:

N_i ~ . ( 1 )

Можно искусственно получить термодинамически неравновесную среду, у которой для некоторых энергетических уровней выполняется соотношение обратное (1). Такая среда называется активной или средой с инверсной заселенностью уровней.

Если атом находится на верхнем уровне Е₂, то может произойти вынужденный переход на нижний уровень Е₁ под действием падающего фотона hn₀ (рис.1-Б) с испусканием второго фотона не только той же частоты (это справедливо и для спонтанного излучения), но также теми же фазой , поляризацией и направлением излучения. Вместо одного падающего фотона получается два тождественных фотона. Эта особенность индуцированного излучения используется в лазерах.

Энергия атома может меняться и в результате безизлучательных переходов (см. рис.1-Б) в результате упругих и неупругих соударений атомов.

Лазер содержит три основных компонента: активную среду (активный элемент), в которой создают инверсную заселенность, устройство для создания инверсной заселенности (система накачки) и устройство для обеспечения положительной обратной связи (оптический резонатор).

Рассмотрим эти компоненты на примере гелий-неонового лазера. Смесь газов He и Ne в соотношении 10:1 является той активной средой, в которой создается инверсная заселенность уровней. Упрощенная схема энергетических уровней приведена на рис. 1-В. Рабочим газом является неон. Для чистого неона в возбужденном состоянии характерна равновесная заселенность уровней. Добавление гелия меняет дело. Уровни Е^’₃ и Е^’₄ метастабильны, время жизни на этих уровнях очень велико (в сравнении с обычными возбужденными уровнями при спонтанном излучении). В результате электронных ударов на этих метастабильных уровнях накапливается очень много атомов гелия. Но уровни гелия Е^’₃ и Е^’₄ почти совпадают с уровнями Е₃ и Е₄ неона. Благодаря этому, при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона, интенсивно происходят безизлучательные переходы атомов гелия в невозбужденное состояние с резонансной передачей энергии атомам неона (горизонтальные волнистые стрелки на рис.1-В). В результате чего возникает инверсная заселенность уровней Е₃ и Е₄ по отношению к уровню Е₂ .

Индуцированное излучение с инверсно заселенных метастабильных уровней вызывают с помощью обратной положительной связи. Для этого часть излученного света задерживают в зоне активного вещества, помещая его между двумя параллельными зеркалами (рис.2). Луч света, многократно отражаясь от зеркал, проходит через активное вещество, усиливаясь при этом в результате вынужденных переходов атомов с уровня Е₄ на Е₂. При строгой параллельности зеркал S₁ и S₂ и соответствующем расстоянии между ними (L = k×l/2 , где k - целое число), такой оптический резонатор будет не только усиливать свет, но и коллимировать и монохроматизировать его. Это означает, что выходящее из лазера излучение остро направленно и высоко монохроматично. Данный лазер генерирует два монохроматических излучения - инфракрасное с длиной волны 1150 нм и красного цвета с длиной волны 632 нм. Одно из зеркал делают полупрозрачным, что позволяет излучению частично выходить из трубки.

Рис. 2. Схематическое устройство лазера

А - анод, К - катод, S₁ и S₂ - зеркала, Р₁ и Р₂ - поляризационные пластины

Накачка (возбуждение) осуществляется путем создания газового разряда в трубке. Для этих целей между электродами трубки ( К- катодом и А- анодом, рис. 2) прикладывается постоянное напряжение 1-2 кВ. Рабочий режим лазера непрерывного действия характеризуется динамическим равновесием, при котором число возбуждаемых атомов неона в результате соударений с атомами гелия и число излучающих атомов неона приблизительно равны друг к другу. Кварцевые пластины Р₁ и Р₂ установлены под углом Брюстера к оси трубки. Благодаря этому достигается линейная поляризация лазерного излучения.

Порядок выполнения работы

___________________________________________________________ Меры безопасности.

1. Ни при каких условиях луч лазера не должен попадать в глаз.

2. Запрещается эксплуатация прибора при нарушенной защитной изоляции соединительных проводов установки, учитывая высокое ( до 3 кВ) напряжение питания трубки.

Соблюдайте осторожность при работе с излучателем. Даже небольшие удары и сотрясения трубки могут быть причиной выхода ее из строя.



Задание 1. Познакомиться с устройством лазера и подготовить его к работе. ( Это задание выполняется под наблюдением лаборанта или преподавателя согласно инструкции к прибору).

Задание 2. Определение длины волны лазера.

1. Установите трубку лазера в горизонтальном положении и направьте луч лазера на дифракционную решетку (период решетки d =0.01 мм ).

2. Расположите экран на расстоянии в несколько десятков сантиметров от решетки и получите дифракционную картину на экране (см. рис. 3 ).

Рис. 3

Приложите к экрану чистый лист бумаги и отметьте расположение максимумов на экране. Измерьте расстояния между максимумом нулевого порядка и максимумами I, II и III порядка - l_k ( где k - порядок максимума). Аналогичную процедуру выполнить для различных значений L. Данные занести в таблицу.

3. Определите длину волны для каждого значения l_k , учитывая условия получения максимума для дифракции света на решетке периодом d : d×sinj_k = k×l .

Предполагая для малых углов значения синуса и тангенса близкими между собой, т.е. sinj_k » l_k/L , получим формулу для определения l

l_k » d× l_k/(k×L)

По найденным значениям l_k найдите среднее значение длины волны излучения лазера`l и абсолютную погрешность ее измерения Dl.

Задание 3. Определить энергию E и импульс фотона p, излучаемого лазером.

По формулам E = hn = hc/l и p = hn/c = h/l (h - постоянная Планка, c - скорость света) найти искомые величины. Энергию выразить в [Дж] и [эВ] .

Таблица Результаты измерения длины волны лазера

Расстояние до экрана L мм	l1 мм	l2 мм	l3 мм	l1 нм	l2 нм	l3 нм
средняя длина волны `l = l±Dl = ( . . . . . ± . . . . . ) нм энергия фотона Е = . . . . . . эВ импульс фотона р = . . . . . . . Дж×с/м

Оформление работы. В отчете должно быть: а) краткие теоретические сведения о физических принципах работы лазера, б) результаты измерения длины волны лазерного излучения и вычислений энергии и импульса фотона, г) выводы о соответствии полученных результатов техническим характеристикам лазера.