Порядок выполнения работы. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомиться с устройством и научится пользоваться оптическим квантовым генератором, а также научиться исследовать основные свойства лазерного
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомиться с устройством и научится пользоваться оптическим квантовым генератором, а также научиться исследовать основные свойства лазерного излучения и определять основные технические характеристики газового лазера–длину волны излучения и энергию кванта.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Рассмотрим два из этих состояний Е1– основное и Е2– первое возбужденное. Если атом находится в основном состоянии Е1, то под действием внешнего излучения может осуществляться вынужденный переход в возбужденное состояние Е2, приводящий к поглощению излучения (Рис.1а). Вероятность подобных переходов пропорциональна плотности внешнего излучения.
а) Поглощение б) Спонтанное излучение в) Вынужденное излучение
Рис.1. Схема спонтанного и вынужденного излучения атомов
Атом, находясь в состоянии Е2, может спонтанно (самопроизвольно) перейти в состояние Е1, испуская фотон с энергией 
(Рис.1б). Это спонтанное излучение, вероятность его зависит от строения атома. При этом чем меньше вероятность излучения, тем больше среднее время жизни атома в возбужденном состоянии .
В 1916 году А.Эйнштейн, для объяснения термодинамического равновесия между веществом и излучением, постулировал новый тип перехода. Если на атом, находящийся в состоянии Е2, действует внешнее излучение с частотой 
, то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние (Рис.1в). При таком переходе происходит излучение атомов фотона дополнительно к тому фотону, под влиянием которого произошел переход. Это вынужденное (индуцированное) излучение.
Вынужденно излученные фотоны тождественны по отношению к фотонам способствующих излучению, т.е. они имеют одинаковые:
1) частоту 
(энергию 
)
2) фазу,
3) направление распространения,
4) поляризацию.
Свет, проходя через среду с инверсной населенностью уровней, будет не ослабляться, а усиливаться. Впервые на возможность усиления света, так называемого индуцированного излучения, было указано советским физиком В.А. Фабрикантом в 1939г.
Приборы, в которых реализуются указанные процессы, получили название квантовых усилителей и квантовых генераторов. За создание этих приборов в 1964г. советские физики Н.Г. Басов и А.М.Прохоров, и американский физик Ч.Таунс были удостоены Нобелевской премии.
Оптические квантовые генераторы, излучающие в диапазоне видимого света, получили название лазера (усиление света за счет индуцированного излучения). Лазеры бывают твердотельные, газовые, гидродинамические, работающие как в импульсном, так и в непрерывном режимах.
Рассмотрим устройств и принцип действия гелий-неонового лазера непрерывного действия типа ЛГ- 72 .
Рис 3. Схема устройства гелий-неонового лазера. 1–газоразрядная трубка, 2–катод, 3–анод, 4–стеклянные пластинки, 5–сферическое зеркало, 6–плоское зеркало.
Основным элементом лазера является газоразрядная трубка 1, наполненная смесью гелия и неона. Парциальное давление гелия 133,32 Па, неона–66,66 Па. Трубка имеет накаливаемый катод 2 и анод 3. При накаленном катоде трубки и поданным на неё высоким напряжением в трубке возникает светящийся электрический заряд.
Разрядная трубка замкнута с торцов плоско параллельными стеклянными пластинками 4, расположенными под углом Брюстера к оси трубки, поэтому излучение лазера является линейно поляризованным. Трубка помещена в зеркальный оптический резонатор, образованный двумя зеркалами, сферическим 5 и плоским 6. Излучение лазера выходит со стороны плоского зеркала, имеющего коэффициент пропускания около 2%.
Рабочим веществом, дающим видимое излучение разряда, является неон. Но необходимое для этого возбуждение атомов неона осуществляется через посредство атомов гелия. В электрическом разряде ударами электронов возбуждаются атомы гелия. Атомы гели сталкиваются с атомами неона, сообщают им энергию, необходимую для перевода их в возбужденное состояние.
Таким образом, в трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона, обладающих инверсной заселенностью энергетических уровней. Вынужденное излучение может превысить поглощение света атома, вследствие чего свет, проходя через вещество, будет усиливаться.
Приборы и принадлежности:
1) Лазер ЛГ-72 с блоком питания СБП-5.
2) Оптическая скамья с рейтерами (держателями).
3) Рассеивающая линза.
4) Поляроид.
5) Экран.
6) Дифракционная решетка
СХЕМА установки
 |
Рис. 5. Общий вид установки для изучения работы гелий–неонового лазера
непрерывного действия.
1–лазер, 2–поляроид, 3–раздвижная щель, 4–дифракционная решетка, 5–экран, 6–оптическая скамья.
В состав установки входят: газовый лазер непрерывного действия типа ЛГ–72, поляроид 2, раздвижная щель 3, дифракционная решетка 4 и экран 5. Все детали установки смонтированы на оптической скамье 6.
Питание и управление лазером осуществляется от стабилизированного блока питания типа СБП–5.
В ходе выполнения работы поляроид, щель, дифракционная решетка могут сниматься со скамьи вместе с рейтерами, на которых они закреплены.
Технические характеристики лазера, применяемого в данной работе, таковы:
- Длина волны излучения 0,63 мкм.
- Мощность излучения 1 мВт.
Порядок выполнения работы.
ЗаданиеИсследование малой расходимости лазерного излучения. лазерного излучения.
d=0.01 м 
=1 м
=1 м
=2 мм
=11.77 м
=1.7 cм
ЗаданиеСравнение плотности потока лазерного излучения с излучением лампы накаливания.
=1 м
=1.7 cм
=0,001 Вт
=100 Вт
=1 м =
плотность потока излучения лазера :
плотность потока изотропного излучения лампы накаливания :
= 
Плотность потока излучения лазера в817 раз больше чем лампы.
Задание Определение длины световой волны лазерного излучения помощью дифракционной решетки.
| Порядок максимума | R, см | L, см |  , см |  |  , нм |  , нм | ε, % |
| 35,5 | 2,5 | 0,0704 | 633,8 | 0,6 | |||
| ,5,5 | 0,1408 | 63,8 | 0,6 |
Из условия дифракционного максимума: 
, определите длину волны лазерного излучения:
=0,6 %
Точность полученного значения очень высокая.
ЗаданиеРасчет энергии фотона, излучаемого лазером.
Дж
Выводы по работе: