Лабораторная работа 3.8 изучение интерференции и дифракции лазерного излучения

Целью настоящей работы является знакомство с принципом дейст­вия и конструкцией лазера, а также изучение частных случаев интер­ференции и дифракции света с использованием лазера в качестве высокомонохроматического когерентного источника света.

1. Принцип действия и устройство лазера на рубине и газового лазера.

Из квантовой механики известно, что энергия атомов в веществе квантована, т.е. атом может иметь только строго определенные значения энергии. Эти разрешенные атому значения энергий, называются энерге­тическими уровнями, их можно условно изобразить при помощи энерге­тической диаграммы (рис.1 ).

С остояние с энергией E₁ называется основным, все остальные возбужденными.

При воздействии на атом падающего излучения он может перейти в то или иное возбужденное состояние, поглотив соответствующий квант энергии (рис.2), причем

(1)

Здесь – постоянная План­ка

– частота падающего излучения

En, Em – соответственно энергии n и m уровня.

Обратный переход с уровня n на уровень m может произойти либо спонтан­но (самопроизвольно), либо вынужденно (индуцированно), под действием падающе­го на атом излучения. В процессе такого перехода излучается квант энергии .

Таким образом, при вынужденном переходе с одного из возбужден­ных энергетических уровней на более низкий уровень происходит излу­чение атомом фотона, дополнительного к тому фотону, под действием которого произошел этот переход. Причем направление распространения, частота, фаза и поляризация вынужденного излучения в точности совпа­дают с соответствующими характеристиками внешнего излучения, вызвав­шего переход. Стало быть, вынужденное и внешнее излучения оказывают­ся когерентными. Эта особенность вынужденного излучения лежит в осно­ве действия оптических квантовых генераторов света, называемых ла­зерами.

Итак, падающий на вещество свет, частота которого совпадает с одной из частот атомов вещества = (Е_n - Е _m) может вызвать два процесса: поглощение света (переход Еn Еm) и излучение света (переход Em Еn). Результирующее изменение интенсивности света зависит от того, какой из двух процессов преобладает.

В случае термодинамического равновесия распределение атомов по различным энергетическим уровням определяется законом Больцмана

(2), где N_i- населенность уровня, т.е. число атомов с энергией E_i при температуре Т; С - постоянная распределения.

Из формулы (2) видно, что с ростом энергии населенность уровня уменьшается. Число переходов между двумя уровнями пропорционально населенности исходного уровня. Следовательно, в равновесной систе­ме атомов поглощение падающего света преобладает над вынужденным излучением, и падающий свет при прохождении через вещество ослаб­ляется.

Чтобы получить усиление падающего света, нужно создать инверсную населенность уровней, т.е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией находилось большее число атомов. Согласно формуле (2)

В случае инверсной населенности >1 при (En-Em)>0 получаем для температуры Т отрицательное значение. Однако, состояния с инверсной населенностью являются неравновесными, и применение для них понятия температуры условно. Понятие температуры применительно только для равновесного состояния.

В веществе с инверсной населенностью энергетических уровней вынужденное излучение может превысить поглощение света, вследствие чего падающий свет при прохождении через вещество будет усиливаться.

Практическое осуществление лазера стало возможно после отыскания способов создания инверсной населенности уровней в некоторых веществах Первые квантовые генераторы микроволнового диапазона (мазеры) были предложены независимо советскими физиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и американскими учеными Таунсом и Вебером в 1953 г. Квантовый генератор, работающий в оптическом диапазоне (лазер), был сконструирован американским физиком Мейманом в I960 г. (рис. З). Ра­бочим телом в этом лазере был розовый рубин. Диаметр стержня 1 см, а длина - 5 см.

Торцы рубинового стержня были тщательно отполированы и представляли собой строго параллельные друг другу зеркала. Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой же покрывался таким слоем, что пропускал около 8% упавшей на него энергии.

Рубин представляет собой окись алюминия Al₂O₃ , в которой некоторые атомы алюминия замещены атомами хрома. Рубин освещается импульсной ксеноновой лампой с широкой полосой частот. При поглощении света ионы хрома переходят в возбужденное состояние (рис. 4). Этот процесс называется подкачкой. На схеме уровней он изображен стрелкой Е₁₃. Уровень 3 представляет собой полосу близко расположенных уровней. Время жизни уровня 3 очень мало (10^-8 с). В течение этого времени некоторые ионы спонтанно перейдут на уровень 1 (стрелка E₃₁), но большинство ионов отдает часть своей энергии кристалли­ческой решетке и переходит на нестабильный уровень 2 (стрелка E₃₂). Вероятность перехода, изображенного стрелкой Е₃₂ в 10 раз больше, чем перехода E₃₁. При достаточной мощности подкачки число ионов хрома на уровне 2 станет больше числа ионов на уровне 1, т.е. произойдет инверсия уровней 1 и 2.

При спонтанном переходе с уровня 2 на уровень 1 излученный фо­тон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов (стрелка E₂₁), которые в свою очередь вызовут вынужденное испуска­ние (излучение) и т.д. Таким образом, образуется каскад фотонов. Фо­тоны, которые испущены спонтанно в других направлениях, выйдут из кристалла. Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью кристаллического стержня, испытывают многократные отражения от его торцов. Их путь в кристалле будет большим, так что в этом направлении каскады получают наибольшее развитие. По мере нарастания интенсивности пучка часть его выходит через полупрозрачный торец кристалла.

Лазеры на рубине работают в импульсном режиме (несколько импульсов в минуту). Внутри кристалла выделяется большое количество теп­ла, поэтому его приходится охлаждать при помощи жидкого воздуха.

В 196I году был создан газовый лазер, работающий на смеси ге­лия и неона. Газовые лазеры работают в непрерывном режиме и не нуж­даются в непрерывном охлаждении.

Основным элементом данного лазера является разрядная трубка 1 (рис.5), имеющая накаливаемый катод 2 и анод 3. В трубке находится смесь гелия и неона.

Парциальное давление гелия 1 мм.рт.ст. и неона 0,1 мм.рт.ст. При накаленном катоде и высоком напряжении, поданном между электродами трубки, в наполняющих ее газах может поддерживаться светящийся электрический разряд. Во время разряда падение анодного напряжения на трубке 2 кВ при токе через трубку 60 мА. В трубке неон дает видимое излучение разряда. Но необходимое для этого воз­буждение атомов неона осуществляется через посредство атомов гелия. Разряд возбуждает атомы He, переводя их на метастабильный уро­вень 2³S (рис.6). Возбужденные атомы He сталкиваются с ато­мами Ne, находящимися в основном состоянии и передают им свою энергию. В результате атомы Ne переходят на уровень 2S , вслед­ствие чего возникает инверсная населенность уровней 2S и 2р. Переход 2S 2р дает излучение лазера.

Рис.6.

Под действием электромагнитных полей, распространяющихся в разряде фотонов (сначала спонтанно излученных возбужденными атома­ми неона), происходит индуцированное когерентное излучение других возбужденных атомов неона, т.е. активной среды, заполняющей разряд­ную трубку лазера. Массовое нарастание этого процесса обеспечивается тем, что разрядная трубка помещена в зеркальный резонатор (рис.5) зеркала 4 и 5, многократное прохождение излучения вдоль оси разряд­ной трубки приводит к формированию мощного потока индуцированного направленного (коллимированного) когерентного излучения лазера.

2. РАБОТА С ГАЗОВЫМ ЛАЗЕРОМ