Завдання

1. За рекомендованою літературою вивчити теорію, ознайомитися з інструкцією і установкою для виконання роботи, підготувати відповіді на контрольні запитання.

2. Згідно описаної методики вивчити розподіл енергії в перерізах лазерного випромінювання і визначити кут його розходження.

3. Використовуючи газорозрядну трубку ГЛ-56, визначити гранично досяжний мінімальний кут розходження лазерного випромінювання для резонатора з плоскими дзеркалами і порівняти одержані результати.

4. Зробити висновки щодо розбіжності лазерного випромінювання, оформити і здати звіт про виконану роботу.

Контрольні запитання

1. Якими факторами обумовлюється розбіжність пучка лазерного випромінювання?

2. Якими способами може бути визначений кут розбіжності пучка лазерного випромінювання?

3. На основі яких тверджень може бути отримана формула для визначення кута розбіжності пучка лазерного випромінювання в даній роботі?

4. Чому при визначенні кута розбіжності пучка лазерного випромінювання доречно використовувати значення діаметра на рівні половинної інтенсивності?

Лабораторна робота №3 Вивчення спектрального складу випромінювання газового лазера

Обладнання: прилад «Спектр-1», випрямляч ВСШ-6 (2 шт), спектроскоп, дифракційна гратка 500 лін/мм, набір спектральних трубок, з’єднувальні провідники, лазер гелій-неоновий, активний елемент ГЛ-56, штатив.

Короткі теоретичні відомості

Лазери широко застосовуються як джерела випромінювання, що працюють в оптичному діапазоні частот (від ультрафіолетової ділянки до інфрачервоної і навіть до субміліметрової). Великий інтерес до них обумовлений такими якостями лазерного випромінювання, як висока часова і просторова когерентність, монохроматичність і направленість.

У газових гелій-неонових лазерах активний елемент являє собою склянну або кварцову трубку довжиною від декількох сантиметрів до декількох метрів, діаметр якої може мати значення від 1 мм до декількох сантиметрів з нахилом торців трубки під кутом Брюстера. У трубці знаходиться газова суміш гелію і неону.

Механізм створення інверсної заселеності рівнів у гелій-неоновій суміші можна зрозуміти, розглянувши схему енергетичних рівнів для гелію і неону (рис.1.12). Збудженим станам атома гелію 2¹S₀ і 2³S₁ відповідає енергія 20,61 і 18,82 еВ. Рівень 2³S₁ розміщений нижче рівня 2¹S₀ (згідно з принципом Гунда). Ці стани (2¹S і 2³S) є метастабільними і мають великий час життя порядку 10^-3 с. Оптичні переходи з обох збуджених станів в основний заборонені: перехід 2¹S¹S₀ заборонений, оскільки в початковому і кінцевому станах повне внутрішнє квантове число дорівнює нулю, а перехід 2³S₁ ¹S₀ заборонений як інтеркомбінаційний – змінюється мультиплетність.

На рис. 1.12. добре представлена конфігурація основного ¹S₀ і збуджених S- і P- станів атомів неону. У створенні інверсної заселеності суттєво те, що рівні неону 3S₂ і 2S₂ енергетично близькі до метастабільних рівнів гелію 2¹S і 2³S. Стани 1S мають велику тривалість життя, бо випромінювання при переходах із цих станів в основний інтенсивно поглинається із-за великої заселеності основного стану ¹S₀. Крім того, стани 1S є метастабільними, оскільки переходи із цих станів в основний заборонені.

При розряді в такій газовій суміші відбувається збудження атомів гелію і неону за рахунок прямого електронного збудження; збуджені стани заселяються. Наявність метастабільних атомів гелію призводить до виникнення процесу передачі збудження від них до атомів неону. Оскільки цей процес носить резонансний характер, то він приводить до селективного заселення тих станів неону, які енергетично найбільш близькі до висхідних станів гелію. Таким чином, виникає додатковий механізм заселення станів 2S₂ і 3S₂ і заселеність цих станів при відповідному струмі розряду може перевищувати заселеність станів із груп 2р і 3S.

Тривалість життя S − станів неону більша, ніж р − станів, тому при рівних умовах збудження можлива інверсія в газовому розряді на переході Sр.

Історично першою була отримана генерація на групі переходів 2S2р. основна частина потужності генерації припадає на перехід 2S₂2р₄, якому відповідає довжина хвилі . Пізніше була отримана генерація на групі переходів 3S3р (основний перехід 3S₂3р₄) і на переході 3S₂2р₄ . Всі три види генерації спостерігаються приблизно в однакових умовах розряду. Ефект створення інверсії і генерації залежить від струму розряду, загального тиску суміші, співвідношення компонентів суміші і форми перерізу розрядної трубки. Із збільшенням розрядного струму зростає густина електронів і всі процеси електронного збудження інтенсифікуються. Заселеність всіх збуджених станів зростає. Інверсія заселеності при цьому збільшується. Коли інверсія перевищить порогове значення (при струмі розряду 2….20 мкА), виникає генерація. Подальше збільшення струму приводить до зростання потужності генерованого випромінювання.

В умовах великого розрядного струму починає відбуватися процес ступінчастого електронного збудження нижніх робочих станів неону 3р і 2р за рахунок рівнів 1S. В результаті заселеність нижніх рівнів збільшується, що знижує інверсію і тому потужність генерації падає, а при струмі порядку декількох сотень міліампер генерація припиняється.

Оптимальна потужність генерації відповідає загальному тиску гелій-неонової суміші порядка 1 мм рт ст.. при цьому співвідношення парціальних тисків неону і гелію знаходиться в межах від 1:5 до 1: 15.