Цель работы: Исследование оптического генератора, в качестве активного вещества которого используется смесь газов гелия и неона.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

В данной работе исследуется газоразрядный оптический квантовый генератор типа ЛГ-72, который предназначен для использования в оптических системах связи, а так же для проведения научных исследований. Прибор в комплекте состоит из оптического квантового генератора и стабилизатора напряжения СПБ-П.

Оптический квантовый генератор состоит из оптического резонатора и активного элемента. Оптический резонатор образован двумя зеркалами сферическим и плоским. Сферическое зеркало неподвижно закреплено в кронштейне. Плоское зеркало закреплено в механизме юстировки. Благодаря наличию механизма юстировки, положение плоского зеркала в механизме оси оптического резонатора можно регулировать.

Активным элементом является разрядная трубка с анодом и аксиальным катодом, наполненная смесью неона и гелия. Разрядную трубку можно перемещать в горизонтальном и вертикальном направлениях с помощью специальных ручек Торцы разрядной трубки отшлифованы под углом Брюстера и закрыты выходными окнами из оптического кварцевого стекла.

Рисунок 1 - Принципиальная схема измерительной установки для измерения угла расхождения и распределения энергии в пучке

Пространство между выходными окнами и зеркалами герметизировано. Резонатор с активным элементом помещен в защитный корпус. В дне кожуха имеется разъем, через который подводится высокое и накальное напряжения к разрядной трубке. Выход излучения осуществляется с одного торца прибора. С целью подавления неосевых типов колебаний в приборе используется подвижная диафрагма с переменным отверстием.

Излучение от лазера 1 через узкую щель светонепроницаемого корпуса попадает на кремниевый фотоэлемент 3, который нагружен на сопротивление 6. Падение напряжения (U) на сопротивлении 6 измеряется милливольтметром 7. Сопротивление нагрузки взято много меньше внутреннего сопротивления фотоэлемента, т.е. фотоэлемент работает в режиме близком к режиму короткого замыкания. Но фототок короткого замыкания прямо пропорционален мощности излучения, падающей на фотоэлемент. Таким образом, показание милливольтметра 7 пропорционально интенсивности излучения (J,дел.). Светонепроницаемая камера 2 с фотоэлементом может перемещаться в поперечном направлении с помощью микрометрического винта 5 (рисунок 5,а). Перемещение фотоэлемента в поперечном направлении регистрируется индикатором часового типа 4.

ИЗМЕРЕНИ Е УГЛА РАСХОЖДЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ В ПУЧКЕ

Высокую направленность излучения и возможность фокусировки излучения в пятно чрезвычайно малых размеров обуславливает пространственная когерентность пучка лазера. Направленность излучения характеризуется телесным углом, в котором распространяется большая часть излучения. Чем меньше телесный угол, тем больше направленность излучения. Часто в качестве параметра ОКГ применяется не телесный угол, а плоский угол расхождения пучка. Если расходящийся пучок представляет собой конус, то между плоским и телесным углом существует простая связь. Телесный угол ω, соответствующий плоскому углу θ, вычисляется по формуле

(1)

Для углов θ< 60 с достаточной для практики точностью применима формула

(2)

Угловое расстояние первого дифракционного минимума от центра дифракционной картины в случае дифракции плоской волны на круглом отверстии диаметром D равно:

(3)

Рисунок 2 - Схема измерения угла расхождения луча ОКГ

Естественно, чем меньше угловая расходимость луча, тем точнее она должна быть измерена. К сожалению, до сих пор отсутствуют точные методы определения угла расхождения пучка ОКГ, особенно импульсных.

На рисунке 3 показана схема, пригодная для измерения угла расхождения луча непрерывных ОКГ.

Экран Э устанавливается перпендикулярно оси пучка на расстоянии L от выходного отверстия генератора. Если излучение происходит в видимой области спектра, то визуально измеряются диаметры d и D сечения пучка соответственно на выходе из прибора и на экран. Угол расхождения

(4)

В связи с небольшим значением угла θ точность измерений сильно зависит от точности измерений диаметров. Обычно они берутся на уровне половинной интенсивности. Для визуальной оценки этот уровень определяется приближенно.

Для повышения точности желательно увеличивать расстояние L. В данной работе измерение диаметров производится фотоэлектрическим способом.

Задание

1 С помощью установки для измерения угла расхождения и распределения энергии в пучке измерили распределение мощности в пучке в относительных единицах, проводя измерения через 0,1 мм. Сначала сняли распределение энергии в пучке около выходного окна лазера, т.е. при L = 0 мм, затем на расстоянии L = 400 мм от первого места измерения. Результаты измерений занесли в таблицу 1. По данным диаметры пучка на уровне половинной интенсивности при L = 0 и L = 400 мм.

Таблица 1 - Распределение энергии в пучке около выходного окна лазера

X, мм	Значения интенсивностей при L = 0 мм		Значения интенсивностей при L = 400 мм
	I (абс. ед.)	I (отн. ед.)	I (абс. ед.)	I (отн. ед.)
0,1	1	0,02083	1	0,02326
0,2	3	0,0625	2	0,04651
0,3	6	0,125	5	0,11628
0,4	10	0,20833	9	0,2093
0,5	20	0,41667	14	0,32558
0,6	33	0,6875	20	0,46512
0,7	40	0,83333	28	0,65116
0,8	45	0,9375	35	0,81395
0,9	48	1	41	0,95349
1,0	47	0,97917	43	1
1,1	40	0,83333	40	0,93023
1,2	29	0,60417	34	0,7907
1,3	16	0,33333	27	0,62791
1,4	9	0,1875	19	0,44186
1,5	4	0,08333	12	0,27907
1,6	2	0,04167	7	0,16279
1,7	1	0,02083	4	0,09302
1,8	1	0,02083	2	0,04651
1,9	0	0	1	0,02326
2,0	0	0	0	0

Рисунок 3 – Распределение мощности в пучке в относительных единицах на расстоянии L = 0 мм

График постороен с помощью программы Microsoft Exel.

Определил диаметр сечения пучка при L = 0 мм на уровне половинной интенсивности. Для этого провел прямую линию при значении относительной интенсивности 0,5 и получил две точки пересечения линии с кривой распределения мощности (x₁ и x₂). Приближенно вычислил значения точек пересечения двух графиков с точностью до 3 знаков после запятой.

После построения, зная координату по вертикальной оси задал узкий диапазон по горизонтальной оси и постепенно уменьшая его нашел значения для X₁ и X₂ и записал ниже

Разность между значениями x₁ и x₂ это величина равная диаметру сечения пучка. Диаметр сечения пучка при L = 0 мм

Рисунок 4 - Распределение мощности в пучке в относительных единицах на расстоянии L = 400 мм

Для графика на рисунке 4 определил диаметр сечения пучка при L = 400 мм на уровне половинной интенсивности. Для этого провел прямую линию при значении относительной интенсивности 0,5 и получил две точки пересечения линии с кривой распределения мощности (x₁ и x₂). Приближенно вычислил значения точек пересечения двух графиков с точностью до 3 знаков после запятой.

Рисунок 5 – Общий график для двух распределений мощности в пучке в относительных единицах на расстоянии L = 0 мм и L = 400 мм, пунктир это наиболее близкая линия аппроксимации

Линия аппроксимации (штрихпунтктирная линия) для L=0 мм выглядит:

Линия аппроксимации (штрихпунтктирная линия) для L=400 мм выглядит:

Получил две точки пересечения линии с кривой распределения мощности (x₁ и x₂). Разность между значениями x₁ и x₂ есть величина равная диаметру сечения пучка. Диаметр сечения пучка L = 400 мм: