Излучения гелийнеонового лазера
 Скачать 450.21 Kb.
|
|
1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ И СВОЙСТВ ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА Методические указания к лабораторной работе по дисциплине Физика Составитель Э. Н. Старов Ульяновск УлГТУ 2013 2 УДК 530.1 (076) ББК я И 39 Рецензент доцент кафедры Общенаучные дисциплины самолетостроительного факультета Ульяновского государственного технического университета доцент, канд. техн. наук В. И. Кочергин Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета Изучение принципов работы и свойств излучения гелий- неонового лазера : методические указания к лабораторной работе по дисциплине Физика / сост. Э. Н. Старов. – Ульяновск : УлГТУ, 2013. – 22 с. Составлены в соответствии с программой курса Физика. Предназначены для студентов всех форм обучения специальности 16010065 «Самолето- и вертолетостроение, направлений 16010062 Авиастроение, 23040062 Информационные системы и технологии и обеспечивают возможность подготовки к выполнению работ, проверки результатов подготовки перед выполнением работы, дают возможность систематизировать и проанализировать результаты ее выполнения. Подготовлены на кафедре Общенаучные дисциплины. УДК 530.1 (076) ББК я © Старов Э. Н, составление, 2013 © Оформление. УлГТУ, И 39 3 СОДЕРЖАНИЕ Лабораторная работа. ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ И СВОЙСТВ ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА ............................................. 4 1. Физические основы работы квантовых генераторов ................................. 4 2. Устройство и принцип действия гелий – неонового лазера .................... 11 3. Экспериментальная часть ........................................................................... 14 ВОПРОСЫ ПРИ ДОПУСКЕ К РАБОТЕ ...................................................... 21 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПРИ СДАЧЕ ................................................. 21 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................ 22 4 Лабораторная работа ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ И СВОЙСТВ ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА Цель работы Изучить физические основы работы квантовых генераторов. Изучить принцип действия и устройство гелий-неонового лазера. Исследовать свойства излучения газового лазера. § 1. Физические основы работы квантовых генераторов Квантовые системы (например атомы, молекулы) обладают дискретным энергетическим спектром, те. их возможные состояния характеризуются индивидуальным набором значений энергии ЕЕ, Е, …., Е n ,… Состояние с наименьшей энергией – основное, все остальные – возбужденные, время нахождения в которых ограничено. Возбужденные состояния возникают при передаче атому строго определенных порций энергии в результате столкновений с другими частицами или поглощения квантов энергии электромагнитного излучения. В газовой среде, состоящей из N одинаковых атомов, имеет место распределение частиц по энергиям. Число частиц N i в единице объема среды с одинаковыми значениями энергии Е называется населенностью i-го энергетического уровня. В состоянии термодинамического равновесия распределение частиц по энергиям (рис. 1) подчиняется статистике Больцмана 0 0 T k E E i i e N N (1) 5 E E i E 2 E 1 где N 0 – населенность основного состояния с энергией E 0 , N i – населенность уровня с энергией E i. . Рассмотрим как может изменяться населенность уровней в результате оптических переходов. Под оптическими переходами между энергетическими состояниями E i и E k понимаются переходы с излучением или поглощением кванта электромагнитного излучения. При таких переходах должны соблюдаться определенные правила отбора [1, § 5.1]. Наряду с оптическими, существуют безызлучательные переходы [2, сна которые эти правила не распространяются. Типы оптических переходов. Спонтанные переходы – самопроизвольные (без внешнего воздействия) из состояния с большей в состояние с меньшей энергией рис. 2), которые сопровождаются испусканием кванта k i ik E E hv (2) E i hv Рис. 2 Рис. 1 6 Символически это можно описать следующим выражением где А − атом в возбужденном состоянии, А – атом в состоянии с меньшей энергией. Такие переходы носят вероятностный характер ив системе из N атомов никак не согласованы между собой. Поэтому спонтанное излучение некогерентно и равновероятно по всем направлениям. Для таких переходов изменение населенности го уровняв единицу времени скорость процесса ) пропорционально населенности уровня N i : , i ik i N A dt dN (3) где A ik − вероятность перехода в единицу времени. 2. Вынужденные переходы с поглощением – переходы из состояния с меньшей в состояние с большей энергией под воздействием внешнего излучения. Такие переходы имеют место только при условии, что частота внешнего излучения совпадает с частотой перехода, те (рис. 3). Е h E k (а) (б) Символически это описывается выражением Скорость процесса заселения го уровня зависит от объемной плотности энергии внешнего излучения на частоте и населенности уровня с меньшей энергией – N k : , k ki i N B dt dN (4) Рис. 3 7 те. населенность возбужденного состояния возрастает за счет процессов поглощения. B ki – коэффициент Эйнштейна для перехода k i. 3. Вынужденные переходы с излучением – это переходы из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией под воздействием внешнего излучения на частоте соответствующей частоте спонтанного перехода, те. они имеют место только при условии, что рис. 4). Е hv h 2 E k (а) (б) Символически этот процесс можно описать выражением Таким образом, внешнее излучение как бы стимулирует, вынуждает возбужденный атом мгновенно испустить квант и перейти в состояние с меньшей энергией. Это вынужденное излучение по фазе и по направлению совпадает с внешним, те. стимулированное излучение полностью когерентно с проходящим излучением и увеличивает его интенсивность. Скорость индуцированных переходов i k: i ik i N B dt dN (5) Коэффициенты Эйнштейна для вынужденных переходов одинаковы, те. Прохождение излучения через инверсную среду Рассмотрим упрощенный вариант задачи о прохождении электромагнитного излучения через среду с показателем преломления n, в которой атомы имеют только два энергетических состояния Е и Е 2 Рис. 4 8 двухуровневая квантовая система, а частота проходящего излучения совпадает с частотой перехода 21 : 1 2 21 h E E (6) Среда имеет форму цилиндра, вытянутого вдоль оси с площадью поперечного сечения S рис. 5). W 0 dt dz Z Z=0 Z Z=l Рис. 5 Пусть W 0 – энергия плоской монохроматической волны на входе в среду (z = 0), а W z – энергия проходящей волны в точке среды с координатой z. За время dt волна распространяющаяся со скоростью n c пройдет расстояние dz, и это приведет к изменению энергии волны на dW за счет процессов вынужденного излучения и поглощения погл изл dW dW dW (7) Для расчета погл dW нужно число актов поглощения в единицу времени в единице объема среды (см. формулу 4) умножить на время dt, на объем слоя Sdz и на энергию поглощенного кванта h , 1 12 погл h Sdz dt N B dW (8) где − объемная плотность энергии излучения в слое dz. Аналогично, на основе формулы (5) рассчитаем увеличение мощности в результате стимулированных переходов с излучением квантов h : 2 21 изл h Sdz dt N B dW (9) 9 Вклад спонтанных переходов в изменение энергии в данной задаче не учитываем, так каких интенсивность не зависит от энергии проходящего излучения. Так как В 12 =В 21 , то общее изменение энергии составит 2 1 12 dz Sdt N N B h dW (10) Введем понятие поверхностной плотности мощности , S t w P которая связана с соотношением Тогда, с учетом того, что S dt dW dP и c n P , равенство (10) запишем в виде , 2 1 12 dz dz N N B c n h P dP (11) где через обозначено выражение , 2 1 12 N N B c n h (12) после интегрирования выражения (11) по координате Z от 0 дои по мощности от до P(l) имеем 0 l e P P (13) В обычной среде, находящейся в условиях термодинамического равновесия, и называется коэффициентом поглощения. Мощность излучения уменьшается с увеличением толщины среды l по экспоненциальному закону (рис. 6). Р N 2 >N 1 , α<0 Р N 1 >N 2 , α>0 Рис. 6 Однако равенство (13) указывает на возможность усиления мощности проходящего излучения, если среду вывести из состояния термодинамического равновесия и добиться так называемого инверсного 10 состояния, когда N 2 >N 1 . В этом случае 0 , и мощность излучения будет быстро возрастать за счет преобладания стимулированных переходов при прохождении через среду толщиной l: 0 l e P P (14) Коэффициент играет теперь роль коэффициента усиления мощности. Процессы, приводящие к инверсному состоянию среды (когда населенность хотя бы одного из уровней с большей энергией больше населенности уровня с меньшей энергией, называются накачкой. Как мы уже видели, среда в инверсном состоянии (ее еще называют активной средой) обладает способностью усиливать излучение определенной частоты, проходящее через нее. Чтобы среда обладала способностью сама вырабатывать и усиливать излучение, надо осуществить положительную обратную связь между выходящим излучением и активной средой. Смысл ее заключается в том, что часть выходящего из активной среды излучения вновь возвращается в нее для дальнейшего усиления и, тем самым, компенсируются потери энергии, обусловленные выходом энергии и другими причинами. Такая обратная связь в лазерах создается за счет помещения активной среды в открытый резонатор, который представляет из себя систему из двух зеркал, одно из которых полупрозрачно (рис. 7). 1 2 Рис. 7 Здесь 1 − активная среда, 2 – полупрозрачное зеркало. 11 § 2. Устройство и принцип действия гелий-неонового лазера Основными элементами лазера являются газоразрядная трубка и резонатор в виде двух параллельных зеркал, расположенных перпендикулярно оси трубки (рис. 13). Трубка заполнена смесью гелия и неона. Для получения генерации на красной длине волны (нм) парциальное давление гелия больше чем неона приблизительно враз при общем давлении смеси в несколько торр. Между катодом и анодом создается напряжение порядка 1,5 кВ, и возбуждение атомов происходит в тлеющем разряде. Такой способ получения инверсной населенности за счет пропускания тока через газ называется электрической накачкой. Е 1 =20,61 эв 3 Е 2'S 0 3S мкм Р 2 Е е е 1S ЕЕ Не Ne Рис. 8 На рис. 8 изображена упрощенная энергетическая диаграмма атомов He и Ne. Здесь указаны только те энергетические уровни, которые используются для создания генерации на 8 нм. Стрелки, направленные вверх, изображают возбуждение атомов за счет электронных ударов. Время жизни атомов He в состоянии с энергией порядка 10 -3 с (метастабильный уровень. Это очень большое по атомным масштабам время жизни вызвано тем, что переход с излучением в основное состояние Е запрещен правилами отбора. Энергия возбужденного состояния Е атома Ne совпадает с энергией Е для гелия. Именно поэтому возможна передача энергии при неупругом Соударения Hе * +Ne Электронный удар 12 столкновении возбужденных атомов He c невозбужденными атомами Ne по схеме Такие неупругие удары переводят атомы Ne сразу в состояние с энергией Е, где время жизни с 3 10 , что почтив раз больше, чем в состоянии с энергией Е 8 Таким образом, за счет двух механизмов заселения уровня Е' 3 и сравнительно большого время жизни на нем удается создать инверсию между уровнями Е и Е те. В результате спонтанных переходов 2 3 возникает (см. рис. 8) излучение внутри активной среды на частоте 32 . Те кванты спонтанного излучения, которые распространяются вдоль оси резонатора, отражаются от зеркал и вновь возвращаются в активную среду, вызывая индуцированные переходы в ней с излучением квантов в том же направлении. Таким образом резонатор поддерживает только излучение, возникающее параллельно его оси, и его мощность на частоте 32 за счет многократных прохождений активной среды экспоненциально растет. Для поддержания стационарной инверсии необходимо, чтобы , 2 2 3 3 dt dN dt dN (15) те. произведение скорости накачки на время релаксации для верхнего уровня должно быть больше, чем для нижнего. Следовательно, кроме заселения верхнего уровня 3s требуется высокая скорость очистки нижнего уровня р. Очистка уровня р с энергией Е' 2 осуществляется за счет спонтанных переходов р 2 , но происходят и процессы заселения уровня р за счет столкновения электронов разряда с возбужденными атомами Ne в состоянии 1s, те. имеют место процессы , 2 которые уменьшают инверсию. Для их ослабления необходимо непрерывно уменьшать населенность метастабильного уровня 1s. 13 Перевести атомы Ne из состояния 1s в основное можно за счет передачи избытка энергии при их неупругих столкновениях со стенками трубки. Поэтому, чтобы облегчить этот процесс, диаметр газоразрядной трубки не превышает несколько миллиметров. 14 § 3. Экспериментальная часть Задание № 1. Исследование зависимости мощности излучения оттока накачки В газовом разряде изменение населенности энергетических уровней атомов He и Ne происходит за счет электронных ударов, поэтому изменение электрического тока, создаваемого потоком электронов, должно приводить к изменению мощности излучения. Задачей эксперимента является исследование зависимости мощности излучения оттока накачки Р(I н ) и обсуждение характера этой зависимости на основе анализа тех процессов, которые происходят в активной среде (§ 2). Схема экспериментальной установки показана на рис. 9: ВВ Рис. 9 Здесь БП – блок питания лазера Л – с встроенным миллиамперметром, 1 – кнопка пуска, 2 – ручка регулятора тока накачки, 3 – лазерный луч, Д – диафрагма, 4 – фотодиод, 5 – микроамперметр. Фототок ф возникающий при освещении фотодиода (4) пропорционален мощности излучения лазера , Р I ф (16) где коэффициент мкВт мкА 04 , 0 Порядок проведения эксперимента. Ручку 2 повернуть в среднее положение и включить блок питания лазера переключателем В. 1 2 К I н БП I н А Л 3 Д 4 ф в 15 Нажать кнопку 1, при этом должен появиться лазерный луч 3. Перекрыть лазерный луч непрозрачным экраном и замерить фототок I 0 , соответствующий фоновой засветке фотодиода. Данные занести в отчет и убрать экран. Поворачивая ручку 2, установить ток накачки 6 ми, начиная с этого значения, снять зависимость показаний прибора (5) пр оттока накачки н, изменяя ток накачки через каждые 1 мА до 15 мА. Результаты измерений занести в таблицу и построить график зависимости Р(I н ) № н мА пр I ф =I пр –I 0 Р, мкВт 1 2 Проанализировать полученную зависимость. Дальнейшие эксперименты проводить притоке н, соответствующем максимальному значению мощности излучения. Задание № 2. Определение угла расходимости лазерного пучка Расхождение лазерного излучения в основном обусловлено следующими факторами Дифракцией на торцах активного элемента и на апертурах зеркал. Типом и размерами резонатора. Точностью юстировки зеркал и активного элемента. Из-за дифракции угол расходимости не может быть меньше, чем d , где d – внутренний диаметр газоразрядной трубки. Можно экспериментально сделать оценку расходимости излучения, измерив диаметр лазерного пучка в двух сечениях, отстоящих на расстоянии l порядкам Рис. 10 Из рис. 10 следует, что угол расходимости 1 2 l d d (17) Измерения повторите не менее трех рази определите среднее значение . Сравните полученное значение с паспортными данными лазера. Задание № 3. Определение длины волны лазерного излучения Оценить длину волны можно с помощью дифракционной решетки с известным периодом d. Схема эксперимента показана на рис. 11. Лазер – 1, дифракционная решетка – 2 и экран – 3 с миллиметровой бумагой расположены на оптической скамье. Расстояние l изменяется перемещением экрана относительно решетки. Рис. 11 Положение главных дифракционных максимумов определяется из формулы , sin k d k 3 , 2 , 1 , 0 k (18) где k – порядок главного максимума, – длина волны, к – угол дифракции, определяющий положение максимума с номером k. φ 1 0 2 -2 -1 ∆x 1 1 2 l 3 17 При малых углах k справедливо выражение , sin l x tg k k k (19) где k x – расстояние на экране между центральным максимумом (k = 0) и максимумом с порядком k. Тогда длину волны можно оценить по формуле k l x d k (20) Порядок выполнения Согласуйте с преподавателем число измерений, порядок максимума, значение доверительной вероятности. Установите решетку на расстоянии около 10 см от лазера и экран. Изменяя расстояние l в пределах от 20 до 60 см, проделайте не менее пяти измерений и запишите результаты в таблицу. Рассчитайте среднее значение и оцените погрешность, применив к серии полученных значений i методику расчета погрешностей прямых измерений. № l x i i S S t , % 1 ….. …… N Задание № 4. Оценка пространственной когерентности лазерного излучения. Под пространственной когерентностью понимается согласованность фаз световых колебаний в плоскости, перпендикулярной направлению распространения светового пучка. Так как лазерное излучение рождается в результате индуцированных переходов, то оно обладает высокой пространственной когерентностью. Можно проверить этот факт, поместив диапозитив с двумя щелями непосредственно в лазерный пучок если излучение когерентно на экране 18 см. рис. 12) возникнет интерференционная картина (см. опыт Юнга [3, § 119]). Измерив x − расстояние между интерференционными полосами, можно по формуле (21) определить расстояние , x L d (21) между щелями d и, тем самым, оценить радиус когерентности лазерного излучения, те. радиус площадки, в пределах которой разность фаз световых колебаний постоянна. Порядок выполнения. На оптической скамье соберите схему Юнга для наблюдения интерференции по рис. 12. Установите экран на расстоянии не менее 2 мот лазера. Передвигая рейтер с диапозитивом вдоль оптической скамьи, установите его на таком минимальном расстоянии от лазера, чтобы обе щели еще перекрывались лазерным пучком (см. рис. 12 б, тогда k r d Осторожно передвигая диапозитив вдоль направляющих перпендикулярно пучку, добейтесь одинаковой освещенности щелей, смотря сверху на щели со стороны экрана. При этом на экране должна появиться контрастная интерференционная картина. Замерьте расстояние между интерференционными полосами х с помощью штангенциркуля не менее трех раз. Используя среднее х, оцените радиус когерентности по формуле x L d r k 2 Рис. 12 19 Сравните полученное значение с радиусом когерентности солнечного излучения, которое не превышает 30 мкм. Задание № 5. Исследование поляризации лазерного излучения Торцевые пластинки газоразрядной трубки (см. рис. 13) располагают не перпендикулярно оси трубки, атак, чтобы луч, отраженный от зеркала, падал на пластинку под углом Брюстера Б. α 2 б б б 1 к А 3 Рис. 13 Здесь 1, 3 – зеркала, 2 – газоразрядная трубка, а, б – торцы трубки. Делается это из следующих соображений. При падении света на пластину коэффициент отражения зависит от угла падения , показателя преломления пластинки n и типа поляризации излучения [4, § 2.3]. Если излучение поляризовано в плоскости падения, то при угле падения, определяемом из закона Брюстера [3, § 135]: Б (22) коэффициент отражения равен 0. Тогда при многократных прохождениях активной среды потери на отражение волн с такой поляризацией практически отсутствуют. Это особенно важно при генерации на длине волны 632,8 нм, так как коэффициент усиления активной среды на этой длине волны составляет всего около 6 % на метр. При перпендикулярном расположении торцевых пластинок потери на отражение только от одной пластинки были бы не менее 8 %. Таким образом, благодаря ориентации выходных окон под углом Б, свойствам вынужденного излучения и наличию резонатора, среди волн, возникающих в активной среде, выживают только те, которые распространяются вдоль оси трубки и поляризованы в плоскости падения луча. 20 Степень поляризации плоскополяризованного лазерного излучения К можно оценить по формуле , min max min max I I I I K (23) где I max и I min – значения интенсивности света, прошедшего через поляризатор при ориентации оси поляризатора соответственно параллельно и перпендикулярно плоскости поляризации света рис. 14). Е ось РФ Р – плоскость поляризации излучения, 1 – поляризатор, 2 – фотодиод Рис. 14 Так как ток фотодиода ф пропорционален интенсивности света, тов формулу (23) можно непосредственно подставить значения тока, соответствующие указанным ориентациям оси поляризатора. Порядок проведения эксперимента. Между лазером и фотодиодом согласно рис. 14 установить рейтер с поляризатором и, поворачивая ось поляризатора, определить угол, при котором фототок максимален Начиная с этого положения через, каждые 10 ° снимать показания фототока в зависимости от угла поворота оси поляризатора, сделав один оборот оси. Построить график зависимости фи пояснить полученную зависимость. Рассчитать коэффициент К и сделать вывод о степени поляризации излучения лазера. 21 ВОПРОСЫ ПРИ ДОПУСКЕ К РАБОТЕ Назовите типы оптических переходов и поясните их свойства. Какая среда называется активной Поясните устройство и назначение лазерного резонатора. Поясните принцип действия квантового генератора. Опишите свойства лазерного излучения и методику их исследования. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПРИ СДАЧЕ Какие процессы благоприятствуют и какие препятствуют созданию инверсии в газоразрядном неоне Почему при больших токах накачки происходит уменьшение мощности излучения Поясните устройство и принцип действия He-Ne лазера. Чем объясняется высокая степень направленности лазерного излучения Чем объясняется высокая степень когерентности лазерного излучения Объясните, почему излучение He-Ne лазера поляризовано 22 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Калитеевский, НИ. Волновая оптика / НИ. Калитеевский. − М. : Высшая школа, 1978. − 383 с. Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия / отв. ред. М. Е. Жабатинский. − М. : Сов. энциклопедия, 1969. − 422 с. 3. Савельев, ИВ. Курс общей физики. Вт. Т 2 / ИВ. Савельев. − СПб. : Изд-во Лань. – 2008. 4. Савельев, ИВ. Курс общей физики. Вт. Т 3 / ИВ. Савельев. – СПб. : Изд-во Лань. – 2008. Учебное электронное издание ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ И СВОЙСТВ ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА Методические указания Составитель СТАРОВ Эдуард Наркизович Редактор НА. Евдокимова Объем данных 0, 44 Мб. ЭИ № 235. Печатное издание Подписано в печать 20.05.2013. Формат 60×84 1/16. Усл. печ. л. 1,29. Тираж 100 экз. Заказ 540. Ульяновский государственный технический университет 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32. ИПК Венец, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32. Тел (8422) 778-113. E-mail: venec@ulstu.ru http://www.venec.ulstu.ru |