ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ЭЛЕКТРОСТАЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (филиал) Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Кафедра физики.

Лабораторная работа №75 Изучение работы газового лазера непрерывного действия и проведения с ним опытов по дифракции света.

Этап работы	Дата	Подпись
Допуск
Выполнение
Защита

Студент______________________________

Группа_______________________________

Преподаватель_________________________

Г. Электросталь

200

1. Цель работы

Знакомство с устройством и принципом действия гелий-неонового лазера непрерывного действия типа ЛГ-55. Исследование явления дифракции света и определение длины волны лазерного излучения.

2. Теоретическое введение

Оптический квантовый генератор (лазер) получил свое название от первых букв выражения Hight Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света с помощью вынужденного излучения. Генерация в лазерах происходит в видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях (в оптическом диапазоне).

Рассмотрим физическую сущность вынужденного (индуцированного) излучения.

Атомы могут находиться в квантовых состояниях с дискретными значениями энергии Е₁ , Е₂ , Е₃ …. Состояние, которому соответствует минимальное значение энергии, называют основным. Для атомов всех веществ основное состояние – 1S ( главное квантовое число п = 1, побочное квантовое число l = 1). Ему соответствует энергия Е₁ .Все остальные состояния атома называются возбужденными. Если атом находился в основном состоянии 1, то под действием внешнего излучения может совершить переход в возбужденное состояние 2 с энергией Е₂, приводящий к поглощению излучения (рис. 1 а).

Рис. 1. Поглощение и излучение света:

а - поглощение; б – спонтанное излучение; в - вынужденное (индуцированное) излучение

Находясь в возбужденном состоянии 2, атом может через некоторое время перейти в основное состояние 1, испуская при этом фотон с энергией . Процесс испускания фотона атомом без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (самопроизвольным) излучением (рис. 1 б). Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение некогерентно.

Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии 2, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию , то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние 1 с излучением фотона той же энергии . (рис. 1 в). Возникающее при этом излучение называют вынужденным (индуцированным) излучением. Таким образом, в процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона - первичный, вызывающий испускание излучения возбужденным атомом, и вторичный, испущенный атомом. Вторичные фотоны являются точной копией первичных. Следовательно, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением.

Испущенный фотон, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбужденные атомы, стимулирует дальнейшие индуцированные переходы, и число фотонов растет лавинообразно. Однако наряду с индуцированным излучением возможен конкурирующий процесс - поглощение. 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).

Для того, чтобы среда усиливала падающее на нее излучение, необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденных состояниях было бы значительно больше, чем число их в основном состоянии. Такое состояние системы называется состоянием с инверсией населенностей. Среды, в которых создается состояние с инверсией населенностей, называются активными. Процесс создания активной среды называется накачкой.

Таким образом, лазер должен иметь три основных компонента

• активную среду; в зависимости от типа активной среды лазеры бывают твердотельными, газовыми, полупроводниковыми, жидкостными;

• систему накачки - устройство для создания активной среды; наиболее употребительны оптическая, тепловая, химическая, электроионизационная накачки;

• оптический резонатор - устройство, выделяющее в пространстве избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок.

Рассмотрим принцип работы газового лазера непрерывного действия на смеси атомов гелия и неона. Схема устройства гелий-неонового лазера показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема устройства гелий-неонового лазера

Основным элементом лазера является газоразрядная трубка 5,наполненная смесью гелия и неона; парциальное давление гелия 133,32 Па, неона 66,66 Па. Трубка имеет накаливаемый катод 3 и анод 4. При накаленном катоде трубки и поданном на нее высоком напряжении, в трубке возникает светящийся электрический разряд. Разрядная трубка замкнута с торцов плоскопараллельными стеклянными пластинками 2, расположенными под углом Брюстера к оси трубки, вследствие чего излучение лазера является линейно поляризованным. Трубка помещена в зеркальный оптический резонатор, образованный двумя зеркалами - сферическим 1 и плоским 6, через которое выходит излучение лазера.

Активной средой является неон. Инверсная населенность атомов неона осуществляется посредством атомов гелия (см. рис. 3). В электрическом разряде атомы гелия возбуждаются ( ) ударами электронов. Возбужденные атомы гелия, сталкиваясь с атомами неона, сообщают им энергию, необхо­димую для перехода их в возбужденное состояние ( ). Таким образом, в трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона, обладающих инверсной населенностью энерге­тических уровней.

Спонтанное излучение ( ) отдельных возбужденных атомов неона, поглощенное активной средой, вызывает генерацию вынужденного излучения ( ) с длиной волны мкм. Переходы и являются вспомогательными.

Спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно рождающиеся фотоны испускаются в разных направлениях. Поэтому и лавины вторичных фотонов распространяются в разных направлениях. Излучение, состоящее из подобных лавин, не обладает высокими когерентными свойствами.

Высокая плотность и когерентность вынужденного излучения достигается с помощью зеркального оптического резонатора. Фотоны, движущиеся под углами к оси трубки, выходят из активной среды. Те же фотоны, которые движутся вдоль оси, многократно отразятся от зеркал, каждый раз вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение и т.д. Так как фотоны, возникающие при вынужденном излучении, движутся в том же направлении что и первичные, то поток фотонов, параллельный оси трубки, будет лавинообразно нарастать. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный световой пучок огромной яркости.

Рис. 3. Схема энергетических уровней атомов гелия и неона