Лабораторна робота № 10 визначення довжини хвилі когерентного випромінювання лазера

Мета роботи: виміряти довжину хвилі лазерного випромінювання за допомогою дифракційної ґратки і визначити сталу тонкої структури.

Прилади і обладнання: газовий лазер ЛГ-56, оптична лава з рейтерами, дифракційна ґратка і тонка структура.

Короткі теоретичні відомості

Лазер або оптичний квантовий генератор – це джерело когерентного електромагнітного випромінювання оптичного діапазону. Слово «лазер» (LASER) походить від перших літер англійської назви Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання».

Робота лазера основана на квантових процесах – інверсії заселеності і оптичному накачуванні.

Конструктивно лазер складається з трьох основних частин:

- активне середовище (тверде тіло, напівпровідник, газ, рідина), в якому створюється стан з інверсною заселеністю енергетичних рівнів атомів;

- система накачування (оптична, теплова, електрична) для створення інверсії в активному середовищі;

- оптичний резонатор (пара паралельних одне до одного дзеркал), який формує вихідний світловий пучок.

У результаті оптичного накачування (наприклад, при потужному спалахові світла або електричному розряді) більшість атомів активного середовища переходить спочатку в збуджений стан (електрони з основних, найнижчих енергетичних рівнів переходять на вищі) і майже відразу, протягом 10^-8 с – в метастабільний (нерівноважний) стан, де кількість атомів у збудженому стані перевищує їхню кількість у основному стані. Цей метастабільний стан називають станом з інверсною заселеністю. Процес створення стану з інверсною заселеністю називають накачуванням. У метастабільному стані атоми знаходяться значно довше (~ 10^-3 с).

При опроміненні активного середовища світлом, частота якого дорівнює частоті переходу з метастабільного стану в основний, атоми переходять в основний стан. При цьому вимушеному (індукованому) переході відбувається випромінювання атомом фотона (вторинного), додатково до того фотона (первинного), під дією якого відбувається перехід. Випромінювання фотонів, що виникає в результаті таких переходів називається вимушеним або індукованим випромінюванням.

Суттєвим є те, що вторинні фотони тотожні до первинних. Вимушене випромінювання має таку ж частоту, фазу, поляризацію і напрямок поширення, як і падаюче випромінювання. Випромінені фотони стимулюють подальші індуковані переходи, і число фотонів росте лавиноподібно. Лавиноподібне зростання інтенсивності світла в активному середовищі є ознакою того, що середовище діє як підсилювач електромагнітних хвиль. Цей ефект зростає при багаторазовому проходженні світла крізь те ж середовище за рахунок використання резонатора – двох паралельних дзеркал, одне з яких непрозоре, а інше – прозоре.

Лазерне випромінювання характеризується такими властивостями:

1. строга монохроматичність (Δλ ~ 10 ^-11 м);

2. висока часова і просторова когерентність;

3. велика інтенсивність потоку випромінювання;

4. вузькість пучка (дуже малий кут розходження).

Ці унікальні властивості лазерного випромінювання зумовили його використання в науці і техніці: обробка, різання, мікрозварювання твердих матеріалів, точне приладобудування, космічні технології, голографія, медицина, зв'язок, локація та ін.

Першим твердотілим лазером (твердий активний елемент), що працює у видимій частині спектра був рубіновий лазер, створений у 1960 р. американським ученим Т. Мейманом. Твердотілі лазери працюють здебільшого в імпульсному режимі, сильно нагріваються, тому потребують охолодження. Першим газовим лазером неперервної дії (1961 р.) був лазер на суміші гелію і неону.