Атомная физика лабораторные работы

Условие начала генерации (порог генерации):

α0 – k0 = 0,

где α0 – пороговое значение коэффициента усиления; k0 – коэффициент полных потерь электромагнитной энергии за один проход.

В начале генерации (при α – k > 0) возникает множество отдельных усиливающихся волн. Но в ходе взаимной конкуренции этих волн решающую роль приобретает соотношение между λ и размерами резонатора L. Во время первого пролета усиливаются все спонтанно испущенные фотоны. Однако после отражения от зеркал в преимущественном положении оказываются только те фотоны, для которых выполняется условие возникновения стоячих волн. Эти стоячие волны соответствуют так называемым продольным модам оптического резонатора (рис. 17).

I, отн. ед.

ν

Рис. 17. Спектр излучения Ne-He лазера

Условие резонанса имеет вид 2L = q λ, где q – целое число. Обычно L >> λ, q и имеет значения 103–107. Межмодовое расстояние ν (в единицах частоты) будет равно ν = c/(2Lопт).

В результате возникает когерентное излучение, направленное вдоль оси резонатора и содержащее одну или несколько TEMmnq мод. Для получения наивысшей когерентности необхо-

31

дим одночастотный режим генерации, при котором в пределах спектральной линии активной среды оказывается лишь одна из мод резонатора. Для этого в резонатор вводится дополнительно диспергирующий элемент (оптическая призма, дифракционная решетка, второй резонатор, селективно пропускающие ячейки и др.), выделяющий одну из мод резонатора и подавляющий остальные. Одномодовую генерацию можно получить также уменьшением размера резонатора.

Итак, лазер содержит три основные компоненты:

–активную среду (активный элемент), в которой создается инверсия населенности;

–источник накачки;

–устройство, обеспечивающее положительную обратную связь (оптический резонатор).

Устройство Ne-He лазера

Основным элементом Ne-He лазера непрерывного действия является газоразрядная трубка, наполненная смесью неона и гелия в соотношении 1 : 10 при давлении 130 Па. Концы трубки могут быть закрыты непосредственно зеркалами или плоскими стеклянными пластинами, ориентированными под углом Брюстера к оси разряда (рис. 18).

Линейно-поляризованный свет с электрическим вектором, лежащим в плоскости падения, не испытывает потерь на отражение, вследствие этого лазер данной конструкции генерирует ли- нейно-поляризованное излучение.

В загнутых концах трубки располагаются анод и катод. Тлеющий разряд в трубке возникает при напряжении 1,5–3 кВ от высоковольтного блока и токе 10–50 мА. Балластное сопротивление Rбал служит для стабилизации газового разряда, который, как известно, имеет «падающую» вольтамперную характеристику (отрицательное дифференциальное сопротивление). Зеркала, образующие резонатор, имеют многослойное (9–18 слоев) диэлектрическое покрытие, обеспечивающее высокий коэффициент отражения > 99 % (для данной длины волны). Оба зеркала закреплены в юстировочном устройстве (точность юстировки до не-

32

скольких угловых секунд) и соединяются между собой конструкцией из материала, имеющего низкий температурный коэффициент линейного расширения (например, тремя инваровыми стержнями).

Высоковольтный

стабилизированный источник питания

ZnS

n = 2,3

φБр NaAlF6 n = 1,3

Рис. 18. Блок-схема Ne-He лазера

Механизм образования инверсии

вNe-He лазере

Внеон-гелиевом лазере используется принцип резонансной передачи энергии возбуждения от примесного газа (Не) основному (Ne). Диаграмма энергетических уровней гелия приведена на рис. 19.

Условие резонансной передачи энергии выполняется для уровней

В результате газового разряда уровни 21S и 23S гелия заселяются за счет электронных ударов. При неупругих столкновениях возбужденных атомов гелия (He*) с атомами неона происходит

33

возбуждение атомов неона и заселение метастабильных уровней

3S и 2S:

Рис. 19. Диаграмма энергетических уровней Ne и Не

Уровни 2Р и 3Р неона также заселяются за счет электронных ударов. Этот процесс уменьшает разность населенности 2S, 3S и 2Р, 3Р. Однако эффективность этого процесса мала по сравнению с процессом передачи энергии от гелия, так как концентрация неона значительно меньше, чем концентрация гелия. За счет дефекта энергий уровней (21S → 3S, 23S → 2S), значительно превышающего величину kТ, результат процесса (28) далек от желаемого. Однако малая эффективность процесса возбуждения атомов Ne в какой-то мере компенсируется большим временем жизни возбуждения атомов Ne на уровнях 2S и (10–7 с) по сравнению с уровнями 2Р и 3Р (10–8 с).

При осуществлении инверсной населенности уровней 2S и 3S происходят излучательные переходы на уровни 2Р и 3Р. Длины волн излучения составляют:

1)2S2 → 2Р4 – 1,15 мкм (ИК-диапазон);

2)3S2 → 3Р4 – 3,39 мкм (ИК-диапазон);

34

3) 3S2 → 2Р4 – 0,6328 мкм (красный свет).

Наименьшим усилением обладает переход 3S → 3Р, наибольшим – 3S2 → 2Р4. Излучение на волне λ = 3,39 мкм называется в данном случае конкурирующим, обедняющим уровень 3S2 и уменьшающим генерацию на волне λ = 0,63 мкм.

«Отработавшие» атомы переходят за счет спонтанного излучения с уровней 3Р и 2Р на метастабильный уровень 1S. Для генерации очень важно, чтобы эти уровни были заселены как можно меньше. «Сток» частиц с уровня 1S обеспечивается в основном за счет соударений со стенками трубки (диффузия к стенкам).

Чем меньше радиус газоразрядной трубки, тем больше вероятность объединения уровня 1S и, следовательно, уровней 2Р и 3Р. Этим объясняется наблюдающаяся на практике обратно пропорциональная зависимость коэффициента усиления Ne-He лазера от радиуса разрядной трубки.

Спектр излучения Ne-He лазера

Ne-He лазер может генерировать одновременно на нескольких видах колебаний (модах резонатора), отличающихся друг от друга по частоте и амплитуде (рис. 17). Ширина доплеровской кривой атомного излучения неона (λ = 632,8 нм, = 4,741 1014 Гц) составляет ~ 1500 МГц. Так как основные виды колебаний (продольные моды) отличаются друг от друга на C/2L, то при длине резонатора, например, > 0,5 м, лазер будет генерировать на 1–5 (в зависимости от потерь) модах, отличающихся по частотена ~300 МГц.

В резонаторе могут существовать наряду с продольными и поперечные моды. Для каждой продольной моды в объеме резонатора могут усиливаться (резонировать) волны, распространяющиеся под некоторыми (очень малыми) углами к оси резонатора. Число поперечных мод, обозначаемое обычно буквами m и n (для двух взаимно-перпендикулярных плоскостей), определяется конфигурацией резонатора, расстоянием между зеркалами, радиусом кривизны зеркал и, главным образом, диаметром активной среды (газоразрядной трубки).

Частотное расстояние между соседними поперечными модами гораздо меньше, чем между продольными. Легко «подавить»

35

поперечные моды с помощью диафрагмы, помещаемой внутри резонатора. При этом мощность продольных мод возрастает за счет увеличения числа активных частиц (освободившихся от формирования поперечных видов колебаний).

Виды колебаний резонатора обозначают TEMmnq (Transverse Electro Magnetic), чтобы показать, что векторы электрического и магнитного полей в большинстве случаев перпендикулярны оси резонатора. Числа m, n, q указывают на число полуволн, укладывающихся вдоль ширины, высоты и длины резонатора.

Резонатор и его характеристики определяют спектральный состав излучения. Используя селекцию продольных и поперечных мод, можно получить одночастотный режим работы лазера, обеспечивающий его высокую временную и пространственную когерентность. Для одночастотного Ne-He лазера при наличии высокой добротности резонатора ( рез ≤ 1 МГц) можно получить ширину линии генерации менее 100 кГц, что соответствует длине когерентности > 3 км.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1.Определение длины волны излучения Ne-He лазера

1.Включите лазер. Будьте внимательны и осторожны при работе с лазером!

36

2.Направьте лазерный луч на дифракционную решетку с известным периодом. Получите дифракционную картину на экране.

3.С помощью миллиметровой шкалы и линейки проведите измерения тангенсов углов дифракции.

4.Рассчитайте длину волны излучения и сравните полученное значение с табличным.

2.Исследование распределения интенсивности

влазерном пучке

Блок-схема экспериментальной установки показана на рис. 20.

Рис. 20. Блок-схема экспериментальной установки

Фотоприемником служит кремниевый фотодиод ФД-24К с регулируемой по высоте и ширине диафрагмой. Фототок регистрируется с помощью шунта и вольтметра В7-38.

Для автоматизации измерений используется микрокомпьютер «Импульс». Информация от вольтметра в виде импульсов, длительность которых пропорциональна измеряемому фототоку через порт ввода-вывода на микросхеме КР580ВВ55 передается в память компьютера.

Программа выполнения работы написана на Бейсике, имеет длину 8 кбайт и хранится в ПЗУ типа 573 РФ4, встроенном в микрокомпьютер. Включение ПЗУ с программой производится тумблером на задней панели компьютера.

Запуск программы осуществляется вводом команды RANDOMIIZE USR 57344. Ввод команд производится нажатием клавиши «ENTER».

37

Для измерений распределения подбираются размеры высоты и ширины диафрагмы, а также такое положение фотоприемного блока, чтобы перемещение проходило через центр лазерного пучка.

Проведите измерения распределения интенсивности. Распечатайте графики. Объясните полученные результаты.

3.Определение расходимости лазерного пучка

1.Получите распределения интенсивности по диаметру на двух расстояниях от лазера – ближайшем и максимальном.

2.Распечатайте полученные результаты.

3.Оцените погрешности полученных значений.

4.Объясните полученные результаты.

Контрольные вопросы и задания

1.Чем принципиально отличается излучение лазера от излучения газового разряда?

2.Каков механизм образования инверсии населенности в

Ne-He смеси?

3.Объясните термин «отрицательная абсолютная температура», применяемый иногда при описании инверсии.

4.Каков спектр излучения газового лазера?

5.Что такое собственный тип колебаний резонатора?

6.Какова роль уровня 1S неона?

7.Что такое диэлектрическое зеркало? Каковы его достоин-

ства?

8.Как зависит усиление в активной среде от давления газовой смеси в трубке и ее диаметра?

9.Является ли исследуемый Ne-He лазер одночастотным?

38

Рекомендуемая литература

Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 3: Квантовая оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц.

СПб.: Лань, 2006.

Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 5: Атомная и ядерная физика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.

Справочник по интегральным микросхемам / под ред. В.Ф. Тарабрина. М.: Энергия, 2008.

Справочник по лазерам: в 2 т.; пер. с англ. / под ред. А.М. Прохорова. М.: Сов. радио, 1978.

Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. Т. 3: Оптика. Атомная физика. СПб.: Лань, 2007.

39

Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ СЕРИАЛЬНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ В СПЕКТРЕ АТОМА ВОДОРОДА

Цель работы:

–изучить сериальные закономерности в видимой области спектра атома водорода;

–измерить длины волн основных линий спектра водорода в серии Бальмера и рассчитать величину постоянной Ридберга;

–оценить погрешности измерений.

Краткая теория

Одна из важнейших закономерностей строения атомных спектров – их сериальная структура. Сериальные закономерности представляют собой яркое проявление квантовых свойств излучающих атомных систем. Линии линейчатого спектра атомов газа, находящегося при низком давлении, могут быть объединены в определенные группы – серии. Длины волн всех линий, принадлежащих к одной и той же серии, связаны между собой.

Наиболее полное решение задачи о спектральных закономерностях дает квантовая механика. Согласно теории состояние одноэлектронного атома может быть охарактеризовано набором из четырех квантовых чисел. В первом приближении (без учета тонкой структуры) состояние атома характеризуется следующими квантовыми числами: n, l, ml, ms.

1.Главное квантовое число n, которое принимает целые значения, n = 1, 2, 3, …, определяет энергию стационарного состояния и служит мерой протяженности соответствующего «электронного облака».

2.Азимутальное или орбитальное квантовое число l определяет значение орбитального механического момента количества движения, принимает (при заданномn) значения: 0, 1, 2, 3, …, n – 1.

Состояния электронов с l = 0, 1, 2, 3, … обозначаются строчными латинскими буквами s, p, d, f и далее по алфавиту. Например, состояние, характеризующееся l = 0, называют s-состоянием, а

40