Газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер

РАБОТА 17. ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Ознакомиться с принципом действия и устройством гелий-неоново­го лазера.

2. Ознакомиться с интерференцией, дифракцией и поляризацией лазерного излучения.

3. Определить периоды двумерной структуры.

4. Определить угол расходимости лазерного луча.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Лазер принципиально новый источник света. От из­­­­­­лучения обыч­ных источников (лампы накаливания, лампы дневного света и т.д.) излучение лазера отличается тем, что оно близко к монохроматичес­кому, обладает исключительно высокой временной и пространственной когерентностью, очень малой расходимостью,а, следовательно, ис­ключительно высокой плотностью электромагнитной энергии. Кроме того луч лазера поляризован.

Принцип действия лазера основан на трех физическихявлениях: вынужденное излучение, инверсия населенности и положительная об­ратная связь.

Поведение атомов (молекул) подчиняется ­законам кван­­товой механики, согласно которым значения физических величин (например, энергии Е) могут принимать лишь определенные (дискретные) значе­ния. Для энергии эти значения принято графически изображать в ви­де так называемых уровней энергии (рис.1).

Самый нижний энергетический уровень называется основным, так как отвечает наиболееустойчивому состоянию частицы. Остальные уровни с более высокими значениями энергии называются возбужденными.

Процесс, сопровождающийся увеличением энергии атома, изображается как переход на более высокий энергетический уровень, про­цесс с уменьшением энергии - как переход на более низкий уровень.

Рассмотрим взаимодействие электромагнитного излучения (све­та) с атомами.

Первый вид взаимодействия: атом, находясь в основном состоянии, поглощает фотон, энергия которого достаточна для перехода в одно из возбужденных состояний (рис. 1а).

(1)

и второй: атом, находящийся в возбужденном состоянии,

спонтанно (самопроизвольно) переходит в более низкое энерге­тическое состояние: этот переход сопровождается излучением фотона (рис. 1в).

При спонтанных переходах различные атомы излучают неод­новременно и независимо, поэтому, фазы излучаемых фотонов не связаны между собой, направление излучения, его поляризация носят случайный характер, а частота излучения колеблется в некоторых пределах, определяемых шириной энергетических уровней Е₁ и Е₂.

Спонтанное излучение ненаправленное, неполяризованное, немонохроматичное.

Существует, однако, третий вид взаимодействия, который называется вынужденным излучением. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии (рис.2), падает излучение с частотой νсоответствующей переходу атома в более низкое состояние (1), то атом переходит в него вынужденно под действием этого фотона, излучая при этом свой фотон, который называется вынужденным излучением.

Исключительно важно отметить характерное свойство вынужденного излучения: излученная волна (фотон) имеет точно то же направление и фазу,что и вынуждающая. Кроме этого эти две волны имеют одинаковые частоты и состояния поляризации.

При переходах 1→2 (рис. 1а) внешнее излучение поглощается, а при вынужденных переходах 2→1 (рис.2) наоборот, усиливается, т.к. к внешнему фотону добавляется фотон, испущенный атомом. Вероятности переходов 1→2 и 2→1одинаковы. Если большинство атомов находится в возбужденном состоянии, то тогда чаще будут происходить переходы 2→1. Другими словами, для усиления внешнего излучения необходимо, чтобы населенностьуровня 2 была выше населенности уровня 1 или необходи­мо создать инверсиюзаселенности уровней.

При температуре Т число атомов N в состоянии с энергией Е определяется формулой Больцмана

N ~ exp(-E/kT)

где k – постоянная Больцмана.

Отсюда видно, что чем больше энергия состояния Е, тем меньше число N атомов находится в этом состоянии. Значит, в равновесном состоянии больше населены нижние уровни, и поглощение света преобладает над усилением.

Инверсия заселенности уровней отвечает неравновесному состоянию атомов среды.

Создать такое состояние можно искусственно, подводя
энергию к рабочему веществу, за счет которой атомы переводятся на верхний энергетический уровень. Такой процесс назы­вается накачкой.В разных типов лазеров накачка осуществля­ется по-разному: в твердотельных лазерах осуществляется за счет поглощения света от дополнительных ламп, в газовых - за счет передачи атомам газа энергии ускоренных элек­трическим полем электронов при их столкновениях.

Среда, в которой осуществлена инверсия заселенности, называется активной средой.

Слово "лазер" составлено из начальных букв английской фразы: "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает: "усиление света с помощью вынуж­денного излучениям". Лазеры также называют оптическими кван­товыми генераторами (ОКГ).

Газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер.

Основным элементом гелий-неонового лазера непрерывного

действия является трубка 2 (рис.3), наполненная смесью гелия и неона с парциальными давлениями порядка 1 и 0,1 мм.рт.ст., соответственно. Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными пластинами 3, установленными под углом Брюстера к ее оси.

Накачка в газовом лазере осуществляется за счет энергии источника питания, поддерживающего тлеющий разряд между катодом 4 и анодом 5. Разряд в трубке возникает при 1,5-2,0 кВ. Разрядный ток трубки составляет десятки миллиам­пер.

Рабочими атомами гелий-неонового лазера являются атомы

неона, излучающие красные фотоны (λ =632,8 нм), На рис. 4 приведена упрощенная схема уровней атомов неона и гелия.

В чистом неоне заселение состояний 3S при накачке малоэффективно, поскольку этот уровень имеет малое время жизни, и атом неона спонтанно переходит в состояние 2Р.

Ситуация меняется, когда к неону добавляют гелий. Энер­гия уровня 2S гелия равна энергии уровня 3S неона. Уровень же энергии 2S гелия является долгоживущим и эффективно засе­ляется при накачке. При столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона энергия передается атомам неона. В результате создается инверсная заселенность рабочего уровня 3S неона.

После этого в активной среде происходят многочисленные
акты спонтанных переходов 3S→2P, появляющиеся фотоны (λ =632,8 нм) приводят к вынужденным переходам. Те фотоны, которые движутся под некоторым углом к оси трубки, не участвуют в получении луча лазера. Формирование луча лазера идет только за счет фотонов, испускаемых вдоль оси трубки.

Усиление луча идет значи­тельно быстрее, если свет возвращать обратно в активную сре­ду, где он снова будет усиливаться за счет вынужденных пере­ходов. О такой ситуации говорят как об обратной связи. Для создания положительной обратной связи в лазерах используют оптический резонатор, который представляет собой два зеркала 1 (рис.3).

Нарастание интенсивности вынужденного излучения происхо­дит лавинообразно, и она становится существенно больше интен­сивности спонтанного излучения, которое в дальнейшем можно не учитывать.

Генерация луча лазера начинается в тот момент, когда увеличение энергии излучения за счет вынужденных переходов превосходит потери энергии за каждый проход резонатора. Для вывода луча из резонатора одно из зеркал 1 делается полупрозрачным. Поверхности обоих зеркал покрыты пленками, толщина которых подбирается таким образом, чтобы отражались волны нужной длины волны, а все другие гасились.

Прозрачность зеркал резонатора обычно меньше 1%.

Характеристики лазерного излучения.