Лабораторная работа №4: по дисциплине «Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства». ЛапотковАА_ЛР. Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства
 Скачать 226.76 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетного общеобразовательное учреждение высшего образования ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники (СВЧиКР) НОЦ "Нелинейная оптика, нанофотоника и лазерные технологии" (НОНЛТ) ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА Лабораторная работа №4: по дисциплине «Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства» Выполнили: студенты гр. З-19 Лапотков А.А. Бехбудов Р. Р. Шубина А. А. «___» _________2022 г. Проверил: Старший преподаватель _______ Безпалый А.Д. «___» _________ 2022 г. Томск 2022 ЦельОзнакомление с методикой измерения, со схемой экспериментальной установки, с конструкцией лазера. Ознакомление с принципом действия и исследование основных параметров газового лазера. Снять зависимость мощности генерации лазера от тока разряда (накачки), используя необходимые для этого элементы. Определить пороговый ток генерации. Определить рабочую моду лазера. Определить величину расходимости плоского угла лазерного луча. Измерить длину волны излучения лазера. Определить плоскость поляризации лазерного излучения. Устройство и принцип действия лазера.Гелий-неоновый лазер является одним из первых построенных квантовых приборов оптического диапазона. Устройство гелий-неонового лазер поясняется рисунком 1.  Рисунок 1. Устройство гелий-неонового лазера Основным элементом генератора является газоразрядная трубка 1, заполненная смесью He и Ne. Ее торцы 3 скошены под углом Брюстера, так что отражение от них излучения с вертикальной поляризацией сведено к нулю. Трубка помещается в оптический резонатор Фабри-Перо, образованный зеркалами 2. Для того чтобы иметь возможность уменьшать диаметр генерируемого пучка, в резонатор (иногда) вводится регулируемая диафрагма 5. Питание трубки и поддержание в ней разряда осуществляется генератором накачки, представляющим источник постоянного напряжения до 3 кВ. Для получения состояния с инверсией населенностей в лазере используется метод неупругих соударений в двухкомпонентной газовой среде. Примесный газ имеет два энергетических уровня, а рабочий-три (рис.2). Необходимым условием получения инверсии населенностей является равенство  Рисунок 2. Энергетические уровни смеси двух газов. Примесный газ 10:1- He Рабочий газ -Ne Согласно закону Больцмана, в состоянии теплового равновесия для энергетических уровней, разделенных частотами оптического диапазона, все атомы рабочего и примесного газов находятся на первых энергетических уровнях. Когда в трубке возбуждается разряд, часть атомов обоих газов переводится в возбужденные состояния. Уровень E2n примесного газа является метастабильным и поэтому на нем происходит постепенное накопление возбужденных атомов. Эти последние, сталкиваясь с невозбужденными атомами рабочего газа, передают им свою энергию, совершая одновременно переход на основной уровень Em. Невозбужденный атом рабочего газа, получив при столкновении энергию перейдет на третий уровень. Таким образом, происходит резонансное заселение уровня E3p, уровень E2p остается практически пустым и на переходе E3p →E2p возникает инверсия заселенностей. Для того, чтобы процесс резонансного заселения был эффективней, число атомов примесного газа в смеси делают больше, чем у рабочего. Упрощенная энергетическая диаграмма атомов He и Ne приведена на рисунке 3. Атомы гелия являются примесными и имеют диаграмму уровней, изображенную на рисунке 3 слева.  Рисунок 3. Энергетическая диаграмма атомов He и Ne На этой диаграмме энергии метастабильных Е2 и Е3 уровней нe точно совпадают с энергиями уровней Е4 и Е5 Ne. Поэтому при столкновении возбужденных атомов He с невозбужденными атомами Ne одновременно происходит резонансное заселение уровней Е4 и Е5. Типы колебаний, расходимость, поляризация излученияПоглощение и усиление поля в квантовом генераторе возможно не на одной частоте, а в некоторой полосе частот, которая для перехода Е5 → Е3 составляет около 1000 МГц. Контур линии поглощения (усиления) имеет вид гауссовой кривой (рис. 4). На этом же рисунке на оси частот нанесены резонансные частоты резонатора и т.д.  Рисунок 4. Зависимость коэффициента усиления от частоты. Как и в “обычных” закрытых резонаторах тип колебаний задается тремя индексами m, n, q. Индекс q указывает число полуволн, укладывающихся вдоль оси резонатора от зеркала до зеркала. Индексы m,n указывают число вариантов поля укладывающихся вдоль поперечных координат. В случае прямоугольных зеркал, и при малых потерях в резонаторе, распределение поля моды с индексами m, n, q может быть описано формулой г  де L-расстояние между зеркалами; 2a и 2b-размеры светового пучка в поперечном сечении, начало координат находится в центре зеркала и функция cos берется для m, n – четного; а sin –для m,n –нечетного. Схематически структура поля в поперечной плоскости для простейших типов колебаний изображена на рисунке 5.  Рисунок 5. Схематическая структура поля. Моды ТЕМ00q, как следует из рисунка 5, являются аксиальными модами, все остальные- поперечные. Распределение мод по частоте имеет следующий характер. Аксиальные моды приблизительно равноотстоят друг от друга. Расстояние между соседними аксиальными модами равно П  оперечные моды расположены вблизи аксиальных типов. Важным параметром газового ОКГ является угловая расходимость его луча. Высокая степень пространственной когерентности излучения лазера определяет его малую расходимость. Излучение лазера представляет собой почти параллельный пучок с очень небольшой расходимостью, характеризуемой плоским углом расхождения Ө. Минимально достижимый угол расхождения пучка лазера ограничивается явлениями дифракции и вычисляется по формуле  Ход работыМощность излучения существенным образом зависит от мощности накачки. Увеличение тока разряда сопровождается повышением электронной концентрации и, следовательно, эффективности возбуждения компонентов газа. При этом происходит интенсивное заселение энергетических уровней. При некоторых значениях тока разряда интенсивность заселения уровня Е2 Ne и соответственно Е3 становится преобладающей, что вызывает уменьшение инверсной населенности лазерных переходов и снижение мощности излучения ОКГ. Таким образом, имеется оптимальное значение тока разряда, при котором мощность излучения максимальна. Исследование выше указанной зависимости проводится по следующей структурной схеме.  Рисунок 6. 1-лазер, 2- блок питания лазера, 3- линза, 4- приемник лучистой энергии (фотодиод), 5- измерительный прибор. Мощность излучения (в относительных единицах) измеряется фотодиодом. Измерение следует начинать с наибольшего (номинального) для данной трубки значения разрядного тока. Уменьшая значение разрядного тока до срыва генерации измерить мощность излучения для 4-5 значений разрядного тока. Полная угловая ширина луча Өm целиком определяется длиной волны излучения λ, размером и формой луча.  Расходимость угла можно определить и как телесный угол, в пределах которого распространяется большая часть излучения. Величина этого угла, определяемая при заданном уровне интенсивности (например, на уровне 0,5 макс) может быть вычислена по формуле:где S – площадь источника, за которую принимают не весь торец активного элемента, а только генерирующую часть, определяющую область возбуждения моды. Плоский угол Ө и телесный угол Ω, если пучок излучения представляет собой конус, связаны простым соотношением. При малых углах Ө (<600) это выражение приводится к виду:   где Ө выражается в радианах.Определить величину расходимости плоского угла лазерного луча.Мощность излучения существенным образом зависит от мощности накачки. Увеличение тока разряда сопровождается  Рисунок 7. Расходимость лазерного луча. Нам известны следующие величины d=1мм D=5мм L=1.65м Угол расходимости луча определить из выражения  Измерить длину волны излучения лазераИспользуя схему рисунка 7, измерить длину волны излучения лазера  Рисунок 8. Дифракция на решётке Зная постоянную решетки d=16 мкм, расстояние от дифракционной решётки до экрана L=50см. И расстояния от центрального максимума до следующих можно вычислить по формуле длину волны  Гдe  , где l — расстояние между дифр. максимумом и центральнымРезультат представлен в таблице
λ=0,63 мкм Определить плоскость поляризации лазерного излученияПоляризационный характер излучения ОКГ измеряют, устанавливая на пути луча вращаемый поляризатор. В данном параграфе снимают график зависимости интенсивности прошедшего излучения от угла поворота поляризатора (см. рис. 9).  Рисунок 9 - Структурная схема для исследования поляризации излучения лазера: 1-лазер, 2-поляризатор, 3-линза, 4-измерительная схема Вращая поляризатор вокруг оси до момента, когда ток I через фотодиод достигает наибольшей величины, снимите показания тока через каждые 10-150 поворота поляризатора. Отсчеты брать от 0 до 1800
Видно, что интенсивность максимальна I=I0 при угле поляроида 330 градусов На основании данных опытов построить графики зависимости I(θ) и зависимостиI0(θ).   Результаты и выводВ данной работе мы ознакомились с методикой измерения, со схемой экспериментальной установки, с конструкцией лазера. Ознакомились с принципом действия и исследование основных параметров газового лазера. Сняли зависимость мощности генерации лазера от тока разряда (накачки), используя необходимые для этого элементы. Определили пороговый ток генерации. Определили рабочую моду лазера. А также, мы научились определять величину расходимости плоского угла лазерного луча, и находить длину волны лазерного излучения при помощи дифракционной решетки и выяснять поляризацию лазерного излучения. |