Лабораторна робота 61 Квантовий генератор випромінювання оптичного діапазону

Прилади та обладнання: оптичний квантовий генератор, стабілізатор струму СБП–5, оптична лавка з повзунками, екран, дифракційна решітка.

Теоретичні відомості

Лазери, або оптичні квантові генератори (ОКГ), представляють собою джерела світла, які дають когерентне (монохроматичне) вузьконаправлене випромінювання.

Випромінювання звичайних теплових джерел повністю невпорядковане. Воно розповсюджується у всіх напрямках від джерела, немонохроматичне, має широкий інтервал спектра, – некогерентне.

Атомні системи знаходяться в означених квантових станах, які характеризуються дискретними значеннями енергії. Перехід із одного дискретного стану у інший супроводжується поглинанням або виділенням енергії

(1)

де і – величини енергії, які відповідають двом станам атома;

– частота випромінювання; – стала Планка.

Збуджений атом може самовільно (спонтанно) перейти у стан з меншою енергією, випромінюючи при цьому електромагнітний квант. Оскільки різні атоми випромінюють світло незалежно один від одного, то спонтанне випромінювання являється, некогерентним. Вимушеним, або індукованим переходом, називається перехід між рівнями енергії в результаті зовнішньої дії. Виникаюче при цьому індуковане випромінювання має ту саму частоту, напрямок розповсюдження і поляризацію, що і вимушене зовнішнє випромінювання. Фази вимушеного коливання і випроменених квантів жорстко зв'язані, що обумовлює когерентність індукованого випромінювання.

Стан системи, яка знаходиться в тепловій рівновазі, характеризується рівнянням Больцмана

(2)

де – постійна Больцмана; – абсолютна температура;

і – відповідно заселеність першого і другого рівнів енергії;

– довжина хвилі.

Взагалі у стані термодинамічної рівноваги системи найбільше заселений нижній рівень , тому більш ймовірним буде процес поглинання енергії. Якщо забезпечити умову , то буде мати місце випромінювання енергії. Практично стан може бути досягнутий внаслідок дії електричного поля, світлового опромінення, механічним шляхом та іншим чином. Зміна інтенсивності світлового потоку при проходженні світла через середовище описується законом Бугера

, (3)

де – інтенсивність світлового потоку, який падає на середовище;

– інтенсивність світлового потоку після проходження шляху у середовищі; – коефіцієнт поглинання.

Послаблення І виникає при , а посилення – при . Із формули (3) видно, що збільшення інтенсивності визначається довжиною шляху . Значного збільшення можна добитися, якщо помістити середовище між двома плоско-паралельними пластинами (дзеркалами).

П ринцип роботи газового лазера

Оптичний квантовий генератор включає в себе три головні частини:

Активне середовище, оптичний резонатор, систему накачки.

1. Активне середовище. У даному лазері в ролі активного середовища використовується суміш гелію і неону. Збудження газового розряду виконується високочастотним полем, яке підводиться до трубки від джерела живлення. Якщо в суміші газів Не і Nе створити електричний розряд, то під дією швидких електронів атоми гелію будуть переходити у різні збуджені стани і, в тому числі, на рівні 2S (рис. 1). Стани 2S метастабільні, оскільки переходи 2S – 1S з випромінюванням фотона малоймовірні.

В умовах електричного розряду на рівнях 2S накопичується значна кількість електронів. Метастабільні атоми гелію стикаються з атомами неону і збуджують їх. Атоми неону переходять у стан 4S і 5S, які близько розміщені до метастабільних рівнів гелію 2S. З рівнів 4S і 5S атоми неону спонтанно переходять в основному на групу рівнів ЗР, випромінюючи інфрачервоне (λ=1153 А) і червоне (λ=6328 А) світло. Після цього відбуваються переходи на нижчі S –рівні.

2. Оптичний резонатор. Резонатор являє собою поєднання двох паралельних дзеркал, одне з яких напівпрозоре. Між дзеркалами розміщується трубка з активним газом. В найбільш сприятливих умовах знаходиться хвиля, яка розповсюджується вздовж осі резонатора. Ця хвиля дійде до дзеркала, відіб'ється від нього і піде у зворотному напрямі, продовжуючи посилюватися. Цей процес здійснюється багаторазово. У результаті у резонаторі встановлюється стояча хвиля, а крізь напівпрозоре дзеркало виходить назовні потік когерентного випромінювання. У лазерах можуть бути використані оптичні резонатори різного типу: з плоскими і сферичними дзеркалами, а також їх. комбінаціями.