Розділ 4. Лабораторний практикум Лабораторна робота №1 Вивчення оптичних властивостей інверсного середовища

Обладнання: газовий лазер ЛГ-32, активний елемент лазера ЛГ-44, оптична лава з обладнанням, фотоелемент ФД-К-155, мікроамперметр М194, з’єднувальні провідники, екран.

Короткі теоретичні відомості

Проходження світла через будь-яке оптично прозоре середовище в природних умовах супроводжується зазвичай його поглинанням:

(4.1)

де - інтенсивність світла;- інтенсивність падаючого світла;- коефіцієнт поглинання середовища;- довжина шляху в середовищі. Індексвказує на залежність вказаних величин від частоти.

Підсилення – процес обернений поглинанню. У цьому випадку коефіцієнт від’ємний (<0) і таким чином відбувається експоненціальне наростання інтенсивності світла, що проходить через середовище.

При вивченні випромінювальних процесів на рівні мікропроцесів поглинання і підсилення електромагнітного випромінювання середовищем пов’язуються з процесами вимушеного поглинання і випромінювання кванта енергії.

Визначимо, коли можливе оптичне підсилення в газовому середовищі. Для цього розглянемо два довільних рівні ідеякої квантової системи, між якими можливий перехід.

Нехай і- число атомів, що знаходяться в одиниці об’єму речовини в станах 2 і 1. Через ділянку середовища віддопроходить пучок монохроматичного випромінювання.

Зміна інтенсивності пучка електромагнітних хвиль за рахунок квантових переходів в активному середовищі визначатиметься із виразу:

, (2)

де - коефіцієнт Ейнштейна для вимушеного випромінювання світла при переході атомів із станув стан;і- кратність виродження рівнів, тобто число різних станів системи на рівніі.

Поглинання і розсіювання електромагнітного випромінювання домішками і дефектами в структурі речовини, а також втрати за рахунок дифракції випромінювання в середовищі називають нерезонансними втратами. За рахунок таких втрат зменшення інтенсивності електромагнітного випромінювання при його проходженні через середовище буде визначатися таким чином

, (3)

де - коефіцієнт втрат на кожну одиницю довжини в активному середовищі.

Таким чином, загальна зміна інтенсивності світла, що обумовлена вимушеним випромінюванням в активному середовищі і його поглинальними і розсіювальними діями, буде:

. (4)

Тоді для електромагнітного випромінювача оптичного діапазону справедлива рівність

,

де - коефіцієнт підсилення активного середовища за рахунок вимушеного випромінювання;- коефіцієнт поглинання цього середовища. Результуючий коефіцієнт підсилення світла на всій довжинів активному середовищі буде визначатися:

,

де І, І₀ – інтенсивність пучка світла, що виходить із активного середовища і входить в активне середовище відповідно.

В активному і неактивному середовищі має спостерігатися різні поглинання світла. Тоді інтенсивність світла, що проходить через неактивне середовище:

. (5)

Інтенсивність світла, що проходить через активне середовище:

. (6)

Вважаючи, що поглинальні властивості середовища при його збудженні не змінюються (або змінюються в незначній мірі і ними можна знехтувати, тобто враховуючи, що , визначимо коефіцієнт підсилення активного середовища.

Із формул (6) і (7) маємо:

, (7)

Тоді коефіцієнт підсилення середовища буде рівним:

, (8)

а коефіцієнт поглинання середовища:

(9)