Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений. 1. Ознакомиться с физическими основами действия лазеров, устройством газового гелий-неонового лазера и свойствами его излучения.

Лабораторная работа № 52

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР

Цель работы:

1. Ознакомиться с физическими основами действия лазеров, устройством газового гелий-неонового лазера и свойствами его излучения.

2. Практически проверить основные свойства лазерного излучения (узкая направленность, монохроматичность, поляризованность, когерентность).

Теоретическое введение

Лазеры или оптические квантовые генераторы (ОКГ) - это источники электромагнитного излучения (видимого света, ультрафиолетового, инфра­красного), отличающиеся от обычных источников (тепловых и люминесцентных) чрезвычайно высокими когерентностью и монохроматичностью своего излучения. Такое отличие свойств лазерного излучения вызвано отличием в способе его получения: если в обычных источниках оно возникает в результате спонтанных (самопроизвольных) переходов атомов (молекул) из состояний с большой энергией в состояния с меньшей энергией, то в лазерах - в результате вынужденных (индуцированных) переходов. Кроме того, излучение лазеров отличается высокой направленностью, поляризованностью, а у некоторых типов лазеров – также чрезвычайно высокой мощностью.

Рассмотрим вначале понятие когерентности излучения. Накладывающисяе в пространстве волны называются взаимно когерентными, если разность их фаз в каждой точке постоянна во времени. При наложении взаимно когерентных волн возникает устойчивая интерференционная картина. Наряду с понятием взаимной когерентности волн используется понятие просто когерентности излучения. Различают когерентность временнýю и пространственную.

Для объяснения временнóй когерентности рассмотрим опыт, схема ко­торого показана на рисунке 1а). Поверхность S источника испускает монохроматическое излучение. Луч, идущий из точки A, разделяется полупрозрачным зеркалом M₁ на два луча - 1 и 2, которые с помощью зеркала M₂ вновь совмещаются в точке B экрана N. Следовательно, в точке B складываются колебания электромагнитного поля, возбужденные одной и той же точкой A излучателя, но прошедшие до точки наложения различные оптические пути l_I = l₀ + l₁ и l_II = l₀ + l₂ + l₃

и затратившие на прохождение этих путей различное время

t_I = l_I/c и t_II = l_II/c,

где c - скорость света.

То есть в точке B складываются колебания поля, возбужденные одной точкой A источника, но в различные моменты времени с задержкой

Δt = t_II – t_I = (l_II - l_I)/c.

Если накладывающиеся на экране волны дают устойчивую интерференционную картину даже при большой оптической разности хода Δl = l_II – l_I, то есть при большой временной задержке Δt, то говорят, что излучение источника S имеет большую временнýю когерентность. Наибольшая оптическая разность хода Δl волн, испущенных одной точкой излучателя, при которой еще возможна их устойчивая интерференция, называется длиной когерентности излучения. Соответствующий временной интервал Δt = Δl/c называется временем когерентности. Временная когерентность снижается, если излучение немонохроматично, то есть содержит волны разных частот или если начальная фаза волны хаотически меняется со временем. Для белого света длина когерентности мала - порядка 1 мкм, для лазерного излучения может достигать нескольких километров.

Под пространственной когерентностью излучения понимают способность к интерференции волн, испущенных различными точками излучающей поверхности. Радиусом когерентности Δr (рисунок 1б) называется наибольшее расстояние между точками C и D излучателя, дающими в равноудаленной от них точке E экрана N устойчивую интерференционную картину. Как правило, у лазеров радиус когерентности равен поперечному размеру пучка, в то время как у обычных источников составляет лишь доли микрометра.

Рассмотрим принцип действия источников когерентного электромаг­нитного излучения - лазеров. В соответствии с основными положениями квантовой механики энергия структурных единиц вещества: атомов, ионов, молекул, (далее будем называть их атомами), - может принимать только не­которые разрешенные значения. Совокупность этих разрешенных значений (энергетических уровней) образует энергетический спектр атома и изображается с помощью энергетической диаграммы (рисунок 2).

При абсолютном нуле (Т = 0 К) все атомы вещества находятся в так называемом основном состоянии с наименьшей возможной энергией E₀. При T > 0 К часть атомов переходит в различные возбужденные состояния с энергиями E₁, E₂, E₃,.. Насёленностью N_i уровня E_i называется количество атомов в единице объема вещества, находящихся в состоянии с энергией E_i. В условиях термодинамического равновесия населённость уровней в соответствии с распределением Больцмана экспоненциально уменьшается с увеличением энергии:

, (1)

где N₀ - населённость уровня E₀,

k - постоянная Больцмана.

Испускание и поглощение света в среде обусловлено переходами атомов среды из состояния с энергией E_n в состояние с другой энергией E_m. Такие переходы называются излучательными, так как они есть результат взаимодействия излучения и атомов. Если начальная энергия E_n больше конечной E_m (переход "сверху вниз"), то при излучательном переходе испускается квант электромагнитного излучения с энергией hν = E_n - E _m. Излучательный переход "снизу вверх" (E_n < E _m) происходит при поглощении кванта с энергией hν = E_m - E_n.

По Эйнштейну возможны два типа излучательных переходов. Во-первых, это спонтанные (самопроизвольные) переходы "сверху вниз" (рисунок 3а). Поскольку возможно множество различных спонтанных переходов (E₁ → E₀, E₂ → E₁, E₂ → E₀и другие), а каждому из них соответствует своя частота испущенной волны, то возникающее в результате спонтанных переходов излучение немонохроматично. При этом фаза, направление распространения и поляризация волн, соответствующих излучаемым квантам, различны. Именно спонтанными переходами обусловлены немонохроматичность, ненаправленность, неполяризованность и чрезвычайно низкая когерентность излучения обычных источников.

Во-вторых, между каждой парой уровней E_n и E_m (E_n > E_m) возможны вынужденные (индуцированные) переходы, вызываемые идущим сквозь вещество электромагнитным излучением, у которого энергия квантов удовлетворяет условию

hν = E_n - E _m. (2)

Если атом находился в состоянии с меньшей энергией E_m, то его выну­жденный переход в состояние с энергией E_n сопровождается поглощением кванта (рисунок 3б). Такие переходы "снизу вверх" являются причиной ослаб­ления (поглощения) излучения в веществе.

Если же атом находился на верхнем уровне E_n, то при вынужденном пере­ходе на более низкий уровень E_m он отдает высвобождающуюся энергию в виде кванта hν = E_n - E _m (рисунок 3в). Замечательной особенностью таких вынужденных переходов "сверху вниз" является то, что частота, фаза, на­правление распространения и поляризация испускаемой при этом волны такие же, как и у волны, вызвавшей этот переход. То есть при таких переходах происходит когерентное усиление излучения.

Для одной частицы вероятности вынужденных переходов E_n → E _m и E_m → E_n равны, но при термодинамическом равновесии населенность нижнего из уровней E_n и E_m больше, поэтому при прохождении сквозь вещество излучения с частотой, удовлетворяющей условию (2), вынужденные переходы "снизу вверх" происходят чаще, чем "сверху вниз", и поглощение излучения преобладает над усилением.

Однако если среду привести в состояние инверсии (инверсной населенности), когда населенность хотя бы одного из верхних уровней (E_n) будет больше населенности хотя бы одного из нижних уровней (E_m), то усиление излучения с частотой ν = (E_n - E_m)/h будет преобладать над поглощением. Среду с инверсной населенностью называют также активной. Такая среда представляет собой оптический квантовый усилитель (ОКУ), усиливающий свет указанной частоты, но не вырабатывающий его сам.

Чтобы превратить ОКУ в лазер, то есть источник (генератор) излучения, активную среду помещают в оптический резонатор - систему отражателей, возвращающих в активную среду прошедшее сквозь нее излучение. Простейший резонатор - два плоских или слегка искривленных зеркала, параллельных друг другу, между которыми размещена активная среда. Затравкой излучения являются кванты, энергия которых удовлетворяет условию (2), возникающие в активной среде при спонтанных переходах E_n → E _m.

Пусть один из таких квантов движется вдоль оптической оси лазера. Проходя сквозь активную среду, он порождает несколько новых идентичных квантов, которые отражаются от зеркала, вновь проходят через активную среду, вызывая появление новых квантов, и опять отражаются от противоположного зеркала в активную среду. Одно из зеркал (выходное) делают частично прозрачным, и через него выходит когерентное лазерное излучение. Если усиление света в активной среде превысит потери из-за пропускания и поглощения света зеркалами и выхода квантов из светового пучка в результате дифракции, то система перейдет в режим генерации, длящийся до тех пор, пока поддерживается достаточный уровень инверсии.

Внутри резонатора из-за наложения волн, распространяющихся между зеркалами во встречных направлениях, возникает стоячая электромагнитная волна, для чего необходимо, чтобы на длине L резонатора укладывалось це­лое число длин полуволн:

L = nλ/2, (3)

где n - целое число (обычно на длине оптического резонатора могут уло­житься многие тысячи или миллионы длин полуволн).

Так как λ = c/ν, то из (3) следует, что в резонаторе могут существо­вать стоячие волны, частоты которых удовлетворяют условию

ν_n = nc/2L. (4)

Лазер генерирует волну с частотой ν_n, которая наиболее близка к частоте

ν = (E_n - E _m)/h (5)

(смотри формулу (2)), на которой активная среда дает максимальное усиление.

В качестве активных сред используется множество веществ в различных агрегатных состояниях; для них разработан ряд методов получения инверсии: сортировка возбужденных и невозбужденных атомов, оптическая накачка и другие. Наиболее распространены газовые лазеры, а из них лазер на смеси гелия и неона. При электрическом разряде в этой смеси многие атомы гелия возбуждаются, причем один из возбужденных уровней гелия совпадает с одним из уровней неона. При столкновении возбужденных атомов гелия с атомами неона атомы гелия возвращаются в основное состояние, а атомы неона возбуждаются. При правильном подборе соотношения между гелием и неоном в результате описанного выше процесса большинство атомов неона оказываются возбужденными и образуют активную среду. Гелий-неоновый лазер может генерировать излучение на нескольких длинах волн. Наиболее часто оптический резонатор гелий-неонового лазера делают из зеркал, хорошо отражающих только красный свет, и в этом случае лазер генерирует красный свет с длиной волны l = 0,63 мкм.

Газовые лазеры отличаются наивысшей монохроматичностью и коге­рентностью, в силу чего они широко используются для оптических измерений, в голографии, для передачи информации. Но их мощность, как правило, сравнительно невелика. Так, выходная мощность большинства гелий-неоновых лазеров составляет несколько милливатт.

Большую мощность имеют твердотельные лазеры (на стекле, рубине, гранате и др.), что позволяет применять их в технологических установках для обработки материалов и изделий: сверления, резки, сварки, упрочнения по­верхности и т.д.

В оптоэлектронике используются маломощные миниатюрные полу­проводниковые лазеры, имеющие высокий к.п.д. Для воздействия на вещество когерентным излучением с требуемой частотой применяют жидкостные лазеры, частоту излучения которых можно перестраивать в некоторых пределах. Свои области применения имеют мощные химические и еще более мощные газодинамические лазеры.

По режиму генерации лазеры подразделяются на импульсные и непре­рывного действия, по конструкции резонатора - на линейные и кольцевые.

Описание установки

Основная часть установки – гелий-неоновый лазер с блоком питания (рисунок 5). Длина волны его излучения l = 0,63 мкм, выходная мощность – до 1 мВт. Смесь He и Ne находится в стеклянной трубке 1 с впаянными электродами 2, к которым от блока питания прикладывается напряжение для зажигания и поддержания газового разряда. Трубка помещена между двумя зеркалами 3 и 4. Заднее зеркало 3 - хорошо отражающее, слегка вогнутое, переднее (выходное) зеркало 4 – плоское, частично прозрачное. Трубки и зеркала укреплены на каркасе внутри защитного кожуха 5, установленного на штативе 6. На оправах зеркал имеются винты для их юстировки, то есть пра­вильной установки. Трогать эти винты категорически запрещается!В боковой стенке кожуха проделано прямоугольное отверстие, через которое выходит люминесцентное излучение газового разряда. Луч лазера направляется вдоль оптической скамьи, на которую для проведения опытов ус­танавливаются на штативах различные оптические устройства из имеющегося на стенде комплекта.

Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений

Упражнение 1. Оценка угла расходимости лазерного пучка.

Установить на оптическую скамью экран с миллиметровой сеткой. Для двух положений экрана на скамье измерить диаметр пучка, для чего на экране карандашом обвести наиболее яркую часть пятна, создаваемого лучом лазера (исключая более слабый ореол, окаймляющий пятно). Угол расходимости j (рисунок 6) рассчитать по формуле

, (6)

где Δl - расстояние между двумя положениями экрана (не менее 0,5 м),

Δd - изменение диаметра пучка, Δd = d₂– d₁.

Упражнение 2. Сравнение монохроматичности люминесцентного излучения газового разряда и выходного излучения лазера

Установить на оптической скамье дифракционную решетку с собирающей линзой, а за ней - экран. Эта система позволяет наблюдать на экране спектр падающего на решетку излучения.

Вначале повернуть лазер к оптической скамье боком с отверстием для выхода люминесцентного излучения газового разряда и получить на экране спектр этого излучения. Затем направить лазер вдоль скамьи и получить на экране спектр выходного излучения лазера. Сравнить эти спектры и сделать вывод о монохроматичности исследованных излучений.

Упражнение 3. Оценка длины волны лазерного излучения

Наблюдая на экране, как в упражнении 2, спектр выходного лазерного излучения, измерить расстояние Δh от нулевого до первого дифракционного максимума и расстояние Δs от дифракционной решетки до экрана. Оценить длину волны лазерного излучения по формуле

, (7)

где d = 10 мкм - период решетки.

Упражнение 4. Анализ поляризации выходного излучения лазера

Поместить на пути луча поляризатор, пропускающий только свет с определенным направлением плоскости колебаний электрического поля, а за ним - экран. Вращая поляризатор вокруг оси, совпадающей с лучом лазера, наблюдать на экране изменение интенсивности прошедшего сквозь поляризатор света. Определить угол, на который необходимо повернуть поляризатор, чтобы интенсивность прошедшего пучка изменилась от максимального значения до минимального. Сделать вывод о характере поляризации лазерного излучения.

Упражнение 5. Анализ временной когерентности лазерного излучения

Поместить на скамью перпендикулярно лучу лазера 1 (рисунок 7) экран 2 с отверстием так, чтобы луч проходил сквозь отверстие. Далее за экраном поместить толстую стеклянную пластинку 4 с плоскопараллельными гранями перпендикулярно лучу, так чтобы отраженные от ее передней и задней поверхностей световые пучки падали на обратную сторону экрана как можно ближе к отверстию. Эти пучки, накладываясь, дают на обратной стороне экрана интерференционную картину. Для увеличения размеров этой картины поместить между экраном и отражающей стеклянной пластиной рассеивающую линзу 3. Получить на обратной стороне экрана интерференционную картину в виде чередующихся темных и светлых колец.

Зная толщину отражающей стеклянной пластины d и показатель преломления n стекла (они указаны на стенде), по формуле (8) определить оптическую разность хода 5 интерферирующих лучей

. (8)

Сделать вывод о временной когерентности лазерного излучения.