Изучение работы газового лазера Краткая теория

Оптические квантовые генераторы (лазеры) основаны на генерации и усилении света с помощью вынужденного индуцированного излучения.

ИНДУЦИРОВАННОЕ - это такое излучение электромагнитных волн, которое возникает, если атом переходит из возбужденного состояния в основное под действием внешнего излучения (фотона). Такое взаимодействие фотона с возбужденным атомом может быть, если энергия h фотона равна разности уровней энергии атома в возбужденном и основном состояниях (рис. 1). В этом случае после взаимодействия фотона с атомом от атома будут распространяться уже два фотона: вынуждающий и вынужденный, т.е. наблюдается усиление света. Образовавшееся при этом вынужденное излучение имеет ту же частоту и фазу, что и стимулирующее этот процесс, и распространяется в том же направлении, т.е. индуцированное излучение когерентно вынуждающему излучению.

При взаимодействии фотонов с веществом наряду с вынужденным излучением идет процесс поглощения фотонов, при котором атомы вещества переходят из основного состояния в возбужденное. В обычном состоянии невозбужденных атомов в веществе значительно больше, чем возбужденных. Поэтому при взаимодействии фотонов с веществом преобладает процесс поглощения, и усиления света нет.

Для того, чтобы процесс вынужденного излучения преобладал над поглощением, необходимо изменить распределение атомов облучаемого вещества по энергетическим уровням. Усиление света будет в том случае, если концентрация атомов вещества на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденному состоянию, больше, чем, на нижних. Такое состояние называется и н в е р с н о й н а с е л е н н о с т ь ю.

Рассмотрим устройство и принцип действия газового гелий-неонового лазера. Основным его элементом является трубка, заполненная смесью газов - гелия и неона. Парциальное давление гелия 1 мм рт. ст., неона - 0,1 мм рт. ст. Атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия - вспомогательными, необходимыми для создания инверсной населенности атомов неона.

На рис.2 изображены энергетически уровни атомов неона и гелия. При электрическом разряде в трубке возбуждаются атомы гелия и переходят в состояние 2.

Первый возбужденный уровень 2 гелия совпадает с энергетическим уровнем 3 атомов неона. Поэтому, соударяясь с атомами неона, атомы гелия передают им свою энергию и переводят их в возбужденное состояние3. Таким образом, в трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона с инверсной населенностью.

Спонтанный переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 3 на уровень 2 вызывает появление фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами неона возникает индуцированное когерентное излучение последних и в трубке возникает увеличивающийся поток фотонов с энергией h.

Для увеличения мощности излучения трубку помещают в зеркальный резонатор. Отражаясь от зеркал, поток фотонов многократно проходит вдоль оси трубки, при этом в процесс индуцированного излучения включаются все большее число атомов неона и интенсивность генерируемого излучения возрастает.

Лазер будет работать в режиме генерации, если потери энергии световой волны при каждом отражении от зеркал резонатора меньше, чем прирост энергии в результате индуцированного излучения при прохождении ее вдоль трубки через активную среду. В связи с этим очень важным является качество зеркал резонатора. Резонатор состоит из плоского 5 и вогнутого 6 зеркал с многослойными диэлектрическими покрытиями (рис. 3). Коэффициент отражения этих зеркал очень высок - 98 - 99%. Коэффициент пропускания света одним зеркалом составляет около 0,1%, а другим - около 2%. Применение зеркального резонатора позволяет получить мощный и узкий пучок света.

Вследствие того, что энергетические уровни 2 и 3 атомов неона обладают сложной структурой, лазер может излучать до 30 различных длин волн в инфракрасном и видимом диапазоне. Зеркала резонатора делают многослойными для того, чтобы создать вследствие интерференции необходимый коэффициент отражения для одной длины волны. Таким образом, лазер излучает строго определенную длину волны.

Резонансная трубка 1 (рис.3) с торцов закрыта плосколпараллельными стеклянными пластинками 4 установленными под углом Брюстера к оси трубки. Такое положение пластинок обеспечивает прохождение через них поляризованного излучения без потерь на отражение и приводит к плоской поляризации излучения лазера. Для создания в трубке электрического разряда в нее введены два электрода: анод 2 и катод 3.

Индуцированное излучение газового лазера является высококогерентным, исключительно монохроматическим, плоскополяризованным, остронаправленным.

Целью работы является определение длины волны излучения лазера. Для определения длины волны излучения гелий-неонового лазера в данной работе предлагается использовать дифракционную решетку. При освещении решетки монохроматическим светом происходит дифракция. Вторичные когерентные волны, образующиеся в результате дифракции, распространяясь по всем направлениям, интерферируют, образуя дифракционную картину.

При нормальном падении света главные дифракционные максимумы возникают при условии

где k = 0, 1, 2, ..... - порядок главных максимумов.

Зная период решетки и угол , под которым виден максимум К-го порядка, можно определить длину волны падающего света:

Описание лабораторной установки и порядок

выполнения работы.

Схема установки для определения длины волны излучения лазера изображена на рис. 4. Все детали установки располагаются на оптической скамье 1. Вблизи одного из выходных окон лазера 2 на подвижной подставке устанавливается дифракционная решетка 3, закрепленная так, чтобы ее можно было поворачивать вокруг вертикальной оси. На экране 4 наблюдается дифракционная картина. Вдоль оптической скамьи расположена шкала 5 для измерения расстояния между решеткой и экраном. Для того, чтобы определить длину волны лазера по формуле (2), необходимо знать период С решетки, порядок максимума К и угол .

При правильном расположении всех деталей установки можно получить на экране максимумы нулевого, первого, второго порядка и т.д. Период дифракционной решетки обычно указывается на ее оправе. Угол  можно найти из формулы

где L - расстояние между решеткой и экраном; х - расстояние между максимумами одного порядка, расположенными симметрично центрального максимума.