Порядок выполнения работы. Цель работы: ознакомиться с устройством и научится пользоваться оптическим квантовым генератором, а также научиться исследовать основные свойства лазерного

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомиться с устройством и научится пользоваться оптическим квантовым генератором, а также научиться исследовать основные свойства лазерного излучения и определять основные технические характеристики газового лазера–длину волны излучения и энергию кванта.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Рассмотрим два из этих состояний Е₁– основное и Е₂– первое возбужденное. Если атом находится в основном состоянии Е₁, то под действием внешнего излучения может осуществляться вынужденный переход в возбужденное состояние Е₂, приводящий к поглощению излучения (Рис.1а). Вероятность подобных переходов пропорциональна плотности внешнего излучения.

 

а) Поглощение б) Спонтанное излучение в) Вынужденное излучение

Рис.1. Схема спонтанного и вынужденного излучения атомов

Атом, находясь в состоянии Е₂, может спонтанно (самопроизвольно) перейти в состояние Е₁, испуская фотон с энергией (Рис.1б). Это спонтанное излучение, вероятность его зависит от строения атома. При этом чем меньше вероятность излучения, тем больше среднее время жизни атома в возбужденном состоянии.

В 1916 году А.Эйнштейн, для объяснения термодинамического равновесия между веществом и излучением, постулировал новый тип перехода. Если на атом, находящийся в состоянии Е₂, действует внешнее излучение с частотой , то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние (Рис.1в). При таком переходе происходит излучение атомов фотона дополнительно к тому фотону, под влиянием которого произошел переход. Это вынужденное (индуцированное) излучение.

Вынужденно излученные фотоны тождественны по отношению к фотонам способствующих излучению, т.е. они имеют одинаковые:

1) частоту (энергию )

2) фазу,

3) направление распространения,

4) поляризацию.

Свет, проходя через среду с инверсной населенностью уровней, будет не ослабляться, а усиливаться. Впервые на возможность усиления света, так называемого индуцированного излучения, было указано советским физиком В.А. Фабрикантом в 1939г.

Приборы, в которых реализуются указанные процессы, получили название квантовых усилителей и квантовых генераторов. За создание этих приборов в 1964г. советские физики Н.Г. Басов и А.М.Прохоров, и американский физик Ч.Таунс были удостоены Нобелевской премии.

Оптические квантовые генераторы, излучающие в диапазоне видимого света, получили название лазера (усиление света за счет индуцированного излучения). Лазеры бывают твердотельные, газовые, гидродинамические, работающие как в импульсном, так и в непрерывном режимах.

Рассмотрим устройств и принцип действия гелий-неонового лазера непрерывного действия типа ЛГ- 72.

 

Рис 3. Схема устройства гелий-неонового лазера. 1–газоразрядная трубка, 2–катод, 3–анод, 4–стеклянные пластинки, 5–сферическое зеркало, 6–плоское зеркало.

 

Основным элементом лазера является газоразрядная трубка 1, наполненная смесью гелия и неона. Парциальное давление гелия 133,32 Па, неона–66,66 Па. Трубка имеет накаливаемый катод 2 и анод 3. При накаленном катоде трубки и поданным на неё высоким напряжением в трубке возникает светящийся электрический заряд.

Разрядная трубка замкнута с торцов плоско параллельными стеклянными пластинками 4, расположенными под углом Брюстера к оси трубки, поэтому излучение лазера является линейно поляризованным. Трубка помещена в зеркальный оптический резонатор, образованный двумя зеркалами, сферическим 5 и плоским 6. Излучение лазера выходит со стороны плоского зеркала, имеющего коэффициент пропускания около 2%.

Рабочим веществом, дающим видимое излучение разряда, является неон. Но необходимое для этого возбуждение атомов неона осуществляется через посредство атомов гелия. В электрическом разряде ударами электронов возбуждаются атомы гелия. Атомы гели сталкиваются с атомами неона, сообщают им энергию, необходимую для перевода их в возбужденное состояние.

Таким образом, в трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона, обладающих инверсной заселенностью энергетических уровней. Вынужденное излучение может превысить поглощение света атома, вследствие чего свет, проходя через вещество, будет усиливаться.

Приборы и принадлежности:

 

1) Лазер ЛГ-72 с блоком питания СБП-5.

2) Оптическая скамья с рейтерами (держателями).

3) Рассеивающая линза.

4) Поляроид.

5) Экран.

6) Дифракционная решетка

СХЕМА установки

 

 

Рис. 5. Общий вид установки для изучения работы гелий–неонового лазера

непрерывного действия.

1–лазер, 2–поляроид, 3–раздвижная щель, 4–дифракционная решетка, 5–экран, 6–оптическая скамья.

В состав установки входят: газовый лазер непрерывного действия типа ЛГ–72, поляроид 2, раздвижная щель 3, дифракционная решетка 4 и экран 5. Все детали установки смонтированы на оптической скамье 6.

Питание и управление лазером осуществляется от стабилизированного блока питания типа СБП–5.

В ходе выполнения работы поляроид, щель, дифракционная решетка могут сниматься со скамьи вместе с рейтерами, на которых они закреплены.

Технические характеристики лазера, применяемого в данной работе, таковы:

1. Длина волны излучения 0,63 мкм.
2. Мощность излучения 1 мВт.

Порядок выполнения работы.

Задание Исследование малой расходимости лазерного излучения. лазерного излучения.

d=0.01 м =1 м

=1 м

=2 мм

=11.77 м

=1.7 cм

 

Задание Сравнение плотности потока лазерного излучения с излучением лампы накаливания.

=1 м

=1.7 cм

=0,001 Вт

=100 Вт

=1 м =

плотность потока излучения лазера:

 

плотность потока изотропного излучения лампы накаливания:

 

=

 

Плотность потока излучения лазера в817 раз больше чем лампы.

Задание Определение длины световой волны лазерного излучения помощью дифракционной решетки.

Порядок максимума	R, см	L, см	, см		, нм	, нм	ε, %
	35,5		2,5	0,0704	633,8		0,6
	,5,5			0,1408	63,8		0,6

Из условия дифракционного максимума: , определите длину волны лазерного излучения:

 

=0,6 %

Точность полученного значения очень высокая.

Задание Расчет энергии фотона, излучаемого лазером.

Дж

 

Выводы по работе:

1. Измеряли диаметр светового пятна по линейке, расстояние R от дифракционной решетки до экрана.
2. Вычислили угол расходимости лазерного излучения, рассчитали плотность потока излучения лазера, плотность потока изотропного излучения лампы накаливания, значения и погрешность измерения.
3. Исследовали основные свойства лазерного, научились определять основные технические характеристики газового лазера–длину волны излучения и энергию кванта. Полученое значение длины волны лазерного излучения совпало с табличным с погрешностью 0,6%.