Министерство образования Республики Беларусь

Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого

Кафедра физики

Лабораторная работа № 10

Оптические квантовые генераторы

Выполнил студент

группы ПЭ-22: Карпович А.П.

Проверил преподаватель:

Аксенкин Е.А.

Гомель 2001

Цель работы: ознакомление с устройством и принципом работы лазера. Исследование основных свойств лазерного излучения.

Приборы и принадлежности: лазер, поляризатор, фотоприемник, штативы с нитью, дифракционной решеткой.

Теоретическая часть

Излучение и поглощение света сопровождается переходом части молекул или атомов из одного энергетического состояния в другое. При этом в большинстве случаев всегда излучение света происходит в результате перехода атомных систем из состояния с большей в состояние с меньшей энергией. В зависимости от способа перехода излучающих систем в возбужденное состояние различают тепловое излучение и люминисценцию.

В явлениях теплового излучения такой переход осуществляется в результате теплового движения атомов и молекул. Тепловое излучение находится в равновесии с излучаемым телом. Люминисценцией называется излучение света телами, избыточное над тепловым при той же температуре и имеющее длительность 10^-10 с. В отличии от теплового излучения люминисцентное не является равновесным и является равновесным.

Атомы могут находиться в квантовых состояниях только с дискретными состояниями энергии. Переход атома из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией сопровождается поглащением излучеия. Вероятнгсть подобных переходов пропорциональна плотности излучения, вызывающего эти переходы.

При переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с большей энергией сопровождается испусканием избыточной энергии в виде электромагнитного излучения (испускается фотон с энгергией h=E₂-E₁). Процесс испускания фотона возбужденным атомом, без каких либо внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным излучением). Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение не когерентно, т.е. разность фаз этих волн не постоянна с течением времени.

Кроме спонтанного излучения и поглощения существует третий, качественно новый тип взаимодействия. Если на атом, обладающий большей энергией, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию h=E₂-E₁, то возникает вынужденный (индуцированный) переход в состояние с меньшей энергией с излучением фотона той же энергии h=E₂-E₁. При подобном переходе происходит излучение атомом фотона дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным (индуцированным) излучением. Таким образом, в процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный фотон, вызывающий испускание излучения возбужденным атомом, и вторичный фотон, испущенный атомом. Существенно, что вторичные фотоны неотличимы от первичных, являясь точной их копией.

Вынужденное излучение (вторичные фотоны) тождественно вынуждающему излучению (первичным фотонам): оно имеет такие же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения, как и вынуждающее излучение. Следовательно, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением, т.е. испущенный фотон неотличим от фотона, падающего на атом.

Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбужденные атомы, стимулируют дальнейшие индуцированные переходы, и число фотонов растет лавинообразно. Однако наряду с вынужденным излучением возможно и поглощение. Поэтому для усиления падающего излучения необходимо, чтобы число актов вынужденного излучения фотонов (оно пропорционально заселенности возбужденных состояний) превышало число актов поглощения фотонов (оно пропорционально заселенности основных состояний). В системе атомов, находящейся в термодинамическом равновесии, поглощение падающего излучения будет преобладать над вынужденным, т.е. падающее излучение при прохождении через вещество будет ослабляться.

Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение, необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденных состояниях было бы больше, чем их число в основном состоянии. Такие состояния называются состояниями с инверсией населенностей. Процесс создания неравновесного состояния вещества (перевод системы в состояние с инверсией населенностей) называется накачкой. Накачку можно производить оптическими, электрическими и др. способами.

В средах с инверсными состояниями вынужденное излучение может превысить поглощение, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через эти среды будет усиливаться (эти среды называются активными). Для усиливающей среды мощность на выходе больше чем на входе.

Для всех оптических квантовых генераторов (лазеров) характерно наличие трех основных особенностей:

1. Механизм возбуждения. Он осуществляет инверсию заселенности.

2. Активная среда. Это газ, жидкость или твердое тело, способное поддерживать инверсию заселенности.

3. Оптический резонатор. Устройство, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок. Зачастую резонатор образован двумя зеркалами.

Лазерное излучение обладает следующими свойствами:

1. Временная и пространственная когерентность

2. Строгая монохроматичность

3. Большая плотность потока энергии.

4. Очень малое угловое расхождение в пучке.

Ход работы

1. Поставили перед лазерным лучом поляризатор и фотоприемник. Вращая поляризатор, определии по шкале угол поворота “” и интенсивность света “I” по фотоприемнику.

,0	0	10	20	30	50	70	90	110	130	140	150	160	170	180
I, А	15	10	6	3	1	0	6	14	20	24	24	22	27	15

Построили графиг зависимости интенсивности света I от угла поворота.

2. Определили расходимость лазерного луча.

Для этого измеряем диаметр пятна вблизи лазера.

d₀=2*10^-3м

и на расстоянии l=4,5м. d=8*10^-3м.

Определяем расходимость по формуле

= (8-2)* 10^-3/2*4,5=0,7*10^-3

3. Зарисовали дифракционную картину после щели

4. Зарисовали дифракционную картину после нити

5. Зарисовали дифракционную картину после двоякопреломляемой среды

6. Лучи совмещаются при повороте поляризатора на угол равный 60 градусов. Далее вращением мы можем добиваться выделением либо одного либо другого пятна.

Вывод: ознакомились с устройством и принципом работы лазера. Исследовали основные свойства лазерного излучения.