Вопросы к работе “Гелий-неоновый лазер”

1. Какие три механизма взаимодействия света с атомами рассмотрел в 1916 г. Эйнштейн? Каким при этом представлял себе свет Эйнштейн? В чем отличие излучения спонтанного от излучения индуцированного?

2. Какие константы ввел Эйнштейн для количественного описания взаимодействия света с атомами? Какова размерность интегрального коэффициента Эйнштейна для спонтанного излучения? Какой наглядный смысл можно придать этому коэффициенту?

3. Что понимается под спектральной плотностью световой энергии ? Рассмотрите два предельных случая: 1). Электромагнитное излучение, с которым взаимодействуют атомы, является непрерывным по частоте. Примером такого излучения является равновесное излучение, когда спектральная плотностьзадается в виде планковской равновесной спектральной плотности_пл(,Т)=(8h³/c³)/exph/(kT)-1. Какова размерностьв этом случае и размерность коэффициентов ЭйнштейнаВ₂₁для вынужденного излучения иВ₁₂для поглощения? 2). Электромагнитное излучение является монохроматическим (этот случай имеет прямое отношение к газовым лазерам). Какова размерность,В₁₂иВ₂₁в этом случае? Можно ли оба случая характеризовать одними и теми же коэффициентами ЭйнштейнаВ₁₂иВ₂₁? Если нельзя, то каким образом можно связать между собой коэффициентыВ₁₂иВ₂₁, используемые для предельных случаев?

4. Что характеризует статистический вес энергетических уровней?

5. Написать дифференциальный закон поглощения Бугера. Какова размерность коэффициента поглощения? Как записать закон Бугера в интегральной форме, согласно которой связываются интенсивность прошедшего света через вещество с начальной интенсивностью света, вошедшего в вещество?

6. Почему в формуле (2) (см. методические указания к работе) не учитывается спонтанное излучение, а только учитывается вынужденное излучение? На какой стадии работы лазера спонтанное излучение является главным?

7. Что понимается в формуле (2) под величинами n₁ и n₂?

8. Как связана интенсивность излучения со спектральной плотностью световой энергии?

9. При термодинамическом равновесии распределение атомов по энергетическим уровням записывается в виде распределения Больцмана. Как записывается это распределение?

10. Что такое инверсная населенность энергетических уровней и чем она важна? При каком условии она возникает?

11. Что такое оптический резонатор? Каково его назначение?

12. Почему в газовом разряде He-Ne лазера электроны чаще сталкиваются с атомами гелия, а не с атомами неона?

13. Энергия уровня 1s2s³S₁атома He (см. рис.3) равна 9.82 эВ, а уровня 1s²2s²2p⁵3s³S₁атома Ne - 19.77 эВ (значения энергии возбужденных атомов заданы в энергетической шкале, в которой значения энергии невозбужденных атомов, т.е. находящихся в основном состоянии, положена равной нулю). Энергия уровня 1s2s ¹S₀ атома He - 20.62 эВ, а уровня 1s²2s²2p⁵3s ¹S₀ атома Ne - 20.66 эВ. Какой процесс может с большой вероятностью произойти при столкновении возбужденного атома гелия с невозбужденным атомом неона? Как этот процесс называется?

14. Какое состояние атома называется метастабильным? Какую роль играют метастабильные уровни атомов в работе газовых лазеров, в частности Не-Ne-лазера?

15. Что такое модуляция лазерного луча, для чего она нужна и где используется? Чему равна частота модуляции в данной работе?

16. В чем состоят эффекты Фарадея, Керра и Поккельса? Какой эффект используется в данной работе?

17. Что понимается под угловой расходимостью лазерного луча? Почему для определения угловой расходимости следует измерять диаметр луча на двух расстояниях от лазера? От чего зависит угловая расходимость лазерного луча?

18. Каким будет диаметр пятна на Луне от используемого в данной работе лазера, если принять расстояние до Луны равным »400 000 км.

19. Каковы могут быть длины волн излучения гелий-неонового лазера? Какой области спектра соответствуют возможные длины волн? Излучение на какой длине волны используется в данной работе?

Рекомендуемая литература

1. Матвеев А.Н. Оптика: Учебное пособие для физ. спец. вузов. – М.: Высшая школа, 1985. – 351 с. §§50, 51, 52, 53, 54.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учебное пособие для вузов. В 5 т. Т.IV. Оптика. – 3-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2002. – 792 с. §§119, 120, 122.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - 2-е изд., испр. - М.: Наука, 1982. – 304 с. §§42, 43.

4. Ландсберг Г.С. Оптика. – 5-изд., перераб. и доп. – М.: Наука, 1976. – 926 с. §§211, 213, 225, 227.

5. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике: Учебное руководство. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Наука, 1988. – 326 с. Ч.1. Лекция первая. Коэффициенты Эйнштейна. Ч.2. Лекция тринадцатая. Газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер.

6. Звелто О. Принципы лазеров /Пер. с англ. - 3-е изд., доп. – М.: Мир, 1990. – 560 с. 6.3. Газовые лазеры. 6.3.1. Лазеры на нейтральных атомах. 6.3.1.1. Гелий-неоновые лазеры.