Устройство гелий-неонового лазера

Лазером называется устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в резонаторе. Принципиальная схема лазера (рис. 1): активный элемент, помещенный между двумя взаимно параллельными зеркалами, и система накачки. Зеркала образуют так называемый оптический резонатор; одно из зеркал делают слегка прозрачным, сквозь это зеркало из резонатора выходит лазерный луч. Чтобы началась генерацию лазерного излучения, необходимо «накачать» активный элемент энергией от некоторого источника (его называют устройством накачки).

Рис. 1. Схема работы лазера

В гелий-неоновом лазере активным элементом служит смесь гелия и неона, заключенная в стеклянной трубке под низким давлением (рис.2). Энергия накачки подаётся от двух электродов с напряжением около 1000В. Резонатор такого лазера обычно состоит из двух зеркал - полностью непрозрачного с одной стороны трубки и второго, пропускающего через себя около 1 % падающего излучения на выходной стороне устройства.

Рис. 2. Схема гелий-неонового лазера

Устройство накачки вводит энергию в активный элемент (А) (рис. 3) - этот путь показан стрелками, например, с помощью газового разряда или импульса света.

Рис. 3. Схема спонтанного (самопроизвольного) (а) и вынужденного (индуцированного) излучения (б) в двухуровневой системе: Е2 - энергия верхнего уровня, Е1 - нижнего, соотношение hv=Е2- Е1 выполняется для всех квантов, изображенных на рисунке: а - спонтанное излучение кванта атомом, находящимся на верхнем энергетическом уровне (местонахождение электрона показано кружком); б - индуцированное излучение фотоном (1), действующим на возбужденный атом; 2 - тот же фотон после взаимодействия с атомом; 3 - фотон, излученный при электронном переходе; в - формирование «лавины» фотонов в активном элементе А в результате индуцированного излучения возбужденными атомами

Колебательной системой являются электронные переходы между энергетическими уровнями атомов, ионов, молекул или полупроводников, из которых состоит активный элемент. Зеркала осуществляют положительную обратную связь.

Для получения излучения активного элемента необходимо перевести некоторое число атомов в возбужденное состояние. Для этой цели можно использовать газовый разряд. Полученное при разряде излучение будет монохроматическим. Однако при этом каждый атом излучает независимо, отдельные акты излучения происходят несогласованно (рис. 3 а). В результате электромагнитные поля, излучаемые различными точками этого источника, некогерентны, т. е. имеют разные фазы, а излучение от этого источника распространяется во все стороны, как от обычной лампочки накаливания. Таким образом, существование только двух элементов из трех (рис. 3а) - источника энергии и колебательной системы - не позволяет получить когерентное излучение.

Для того чтобы получить такое излучение, должен быть задействован регулятор и обратная связь между атомами: излучение одного из них должно влиять на излучение других. При использовании явления индуцированного излучения это стало возможным. Вероятность перехода с верхнего энергетического уровня Е₂ на нижний E₁ возрастает, если на атом действует электромагнитное излучение, частота которого равна частоте, которая излучается при спонтанном переходе с верхнего уровня на нижний. Схематически это показано на рис. 3 б. Если на атом до перехода действует фотон 1, то вследствие электронного перехода появляется новый фотон 3, при этом фотон 1 не изменился (его обозначим фотон 2). Особенность возникающего индуцированного излучения состоит в том, что фотон 3 имеет ту же частоту, направление поляризации и фазу, что и фотон 1, вызвавший индуцированное излучение. Если в активном элементе А находится много возбужденных атомов, то проход одного фотона способен, в принципе, вызвать «лавину» фотонов вследствие индуцированного излучения (рис. 3 в): при каждом взаимодействии фотона с возбужденным атомом вместо одного фотона возникает два одинаковых фотона.

Для увеличения вероятности излучения фотоны должны многократно проходить через активную среду. Для этого используют два зеркала З₁ и З₂ (рис. 1). Гелий-неоновый лазер испускает красный свет с длиной волны 632,8 нм. На рис. 4 приведена упрощенная схема возбужденных уровней энергии гелия и неона. Атомы гелия служат для преобразования энергии источника энергии в возбуждение атомов. Возбужденные атомы гелия находятся в метастабильном долгоживущем состоянии и при столкновениях передают энергию возбуждения атомам неона (горизонтальная волнистая стрелка). Переход, показанный наклонной прямой стрелкой, с верхнего возбужденного уровня атома неона на промежуточный и дает квант лазерного излучения с длиной волны 632,8 нм. Это излучение является индуцированным, его интенсивность определяют кванты этого излучения, существующие в лазере. Зеркала способствуют тому, что излучение за счет многократного прохода через активную среду осуществляет сильную положительную обратную связь, вызывая появление новых квантов излучения. Последующий переход атома неона в основное состояние (наклонная волнистая стрелка) не дает лазерного излучения.

Рис. 4. He-Ne лазер, упрощенная схема возбужденных уровней энергии гелия и неона: прямая стрелка вверх - возбуждение гелия газовым разрядом, горизонтальная волнистая стрелка - безизлучательная передача энергии возбуждения от гелия к неону, наклонная стрелка - излучение атомами неона с длиной волны 632,8 нм, волнистая стрелка вниз - дальнейшая релаксация энергии с возбужденного уровня

Поскольку лазерное излучение обладает высокой когерентностью и монохроматичностью, можно считать, что лазер является источником плоской электромагнитной волны. С его помощью можно легко наблюдать явления, обусловленные волновой природой света, в частности, дифракцию. Дифракцией называют огибание волнами препятствий. Качественное объяснение явления дифракции дает принцип Гюйгенса, который устанавливает способ построения фронта волны в момент времени t + Δt, если известно его положение в момент времени t.

а) Попринципу Гюйгенса, каждая точка волнового фронта является центром вторичных волн. Огибающая этих волн дает положение фронта волны в следующий момент времени.

Поясним применение принципа Гюйгенса на следующем примере. Пусть на плоскую преграду с отверстием падает плоская волна, фронт которой параллелен преграде (рис. 5).

Рис.5 Пояснение принципа Гюйгенса

Согласно Гюйгенсу, каждая точка волнового фронта, выделяемого отверстием, служит центром вторичных сферических волн. Из рис. 5 видно, что огибающая этих волн проникает в область геометрической тени, границы которой помечены штриховой линией.

Принцип Гюйгенса ничего не говорит об интенсивности вторичных волн. Этот недостаток был устранен Френелем, который дополнил принцип Гюйгенса представлением об интерференции вторичных волн и их амплитудах. Дополненный таким образом принцип Гюйгенса получил название принципа Гюйгенса-Френеля.

б) По принципу Гюйгенса-Френеля каждый малый элемент волновой поверхности S служит источником вторичной световой волны, амплитуда которой пропорциональна площади элемента dS. Волны излучаемые различными элементами волновой поверхности когерентны.

Интенсивность световых колебаний в произвольной точке О есть результат интерференции в этой точке вторичных волн, испускаемых всеми элементами волновой поверхности (рис. 6). Амплитуда каждой приходящей в точку О волны зависит от расстояния r и угла α между нормалью n и направлением излучения.

Рис. 6 Испускание вторичных волн элементами волновой поверхности

Интенсивности максимумов, возникающих при дифракции на щели столь незначительны, что не могут быть использованы для решения практических задач. В качестве спектрального прибора используется оптическое устройство — дифракционная решетка, которая представляет собой систему параллельных равноотстоящих щелей. Дифракционную решетку можно получить нанесением непрозрачных царапин (через которые свет не проходит) на стеклянную пластину рис. 7. Непроцарапанные места (щели) будут пропускать свет.

Рис. 7 Сечение дифракционной решетки (а) и ее схематическое изображение (б)

Сумму ширины щели а и промежутка между щелями b называют постоянной [периодом] дифракционной решетки: d = a + b.

Дифракционная картина на решетке определяется как результат взаимной интерференции волн, идущих от всех щелей. Ход лучей в дифракционной решетке представлен на рис. 8.

На решетку нормально падает плоская монохроматическая световая волна. Выберем направление вторичных волн под углом а относительно нормали к решетке. Лучи, идущие в этом направлении от крайних точек двух соседних щелей, имеют разность хода, которая равна d∙sinα. Такая же разность хода будет для всех вторичных волн, идущих от соответственно расположенных пар точек соседних щелей. Экран располагают в фокальной плоскости линзы. Поэтому все параллельные лучи соберутся в одной точке (О’), и между ними возникнет интерференция.

Рис. 8 Дифракция света на дифракционной решетке

1. При интерференции возникнут главные максимумы, когда разность хода между лучами от соседних щелей кратна целому числу длин волн (основная формула дифракционной решетки):

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

2. В том направлении, где одна щель дает минимум, каждая щель даст минимум, поэтому минимум для одной щели сохранится и для всей решетки:

Т.к. излучение складывается на экране, давая яркие пятна, то зависимость интенсивности от расстояния от центра пучка имеет резкие максимумы (рис. 9).

Рис. 9. Интенсивность дифракционной картины, создаваемой дифракционной решеткой (а) и мазком эритроцитов (б). Обе картины наблюдаются на экране, расположенном на расстоянии 30 см от решетки

Дифракционный спектр — это спектр, полученный с помощью дифракционной решетки.

При падении на дифракционную решетку белого света все максимумы, кроме центрального, разложатся в спектр. При этом положение максимума порядка k определяется условием .

Чем больше длина волны (λ, тем дальше от центра отстоит k-й максимум).