Лабораторный практикум по физике для вечернего фак 2007

Этот процесс называется спонтанным излучением. Спонтанное излучение вещества является некогерентным, т.е. атомы испускают свет несогласованно.

Свет с частотой ν21 при прохождении через вещество будет вызывать два процесса. Один из них заключается в том, что некоторый атом, находящийся на нижнем уровне E1 , поглотит фотон и перейдет на уровень E2 (рис. 20.1,б). Этот процесс приводит к ослаблению светового потока. При другом процессе атом под действием фотона частоты ν21 может перейти с уровня E2 на E1 , испуская вторичный фотон с частотой ν21 (рис. 20.1,в). Переходы,

происходящие под действием внешнего электромагнитного поля, называются вынужденными (или индуцированными). Особенность вынужденного излучения состоит в том, что возникающий при вынужденном переходе фотон имеет те же частоту и фазу, что и вызвавший переход первичный фотон, то же направление распространения и ту же поляризацию. Процесс вынужденного излучения приводит к увеличению интенсивности пучка, проходящего через вещество.

Рассмотрим вещество, в котором имеется достаточное число возбужденных атомов с энергией E2 . Число таких атомов N2 называется населенностью уровня E2 . Аналогично населенность уровня N1 равна числу атомов с энергией E1 . В обычных условиях в веществе уровни с меньшей энергией населены больше, чем уровни с более высокой энергией ( N1 > N2 ), и при прохождении

электромагнитного излучения наряду с усилением излучения за счет вынужденных переходов «вниз» происходит ослабление этого излучения за счет переходов «вверх». В итоге в естественных условиях энергия волны будет уменьшаться. Для того чтобы волна при ее прохождении через вещество усиливалась, необходимо искусственно изменить населенности уровней в веществе, а именно увели-

чить населенность N2 верхнего уровня атомов и уменьшить населенность N1 нижнего уровня. В рабочем веществе квантового усилителя N2 должно быть больше, чем N1 . Такое активное состоя-

181

ние вещества называется состоянием с инверсией (обращением) населенностей.

Существуют различные методы получения состояния среды с инверсией населенностей. В газовых лазерах подобное состояние создается в плазме газового разряда.

Один из наиболее распространенных газоразрядных лазеров на атомных переходах−лазер непрерывного действия, в котором в качестве активной среды используется смесь двух газов: гелия He и неона Ne. Генерация происходит на переходах между уровнями атомов неона (они являются активными центрами). Кроме неона, в состав активной среды входит буферный газ – гелий; давление газовой смеси порядка 1 мм рт. ст.; парциальное давление гелия в 5 − 10 раз больше давления неона. В гелий-неоновом лазере используется стационарный тлеющий разряд, возбуждаемый постоянным током.

В электрическом разряде часть атомов Ne переходит с основного уровня E1 на возбужденные уровни E5 , E4 , E3 и т.д. (рис. 20.2).

Рис.20.2

182

Время жизни атомов Ne на уровнях E5 и E4 значительно больше, чем на уровне E3 , поэтому населенность уровней E5 и E4 даже в чистом неоне превышает населенность уровня E3 .

Значительное повышение населенности уровней E5 и E4 достигается введением в неон примеси гелия. Энергии двух возбужденных долгоживущих уровней E2′ и E3′ атомов He совпадают с энергиями уровней E4 и E5 атомов Ne. При столкновениях возбужден-

ных атомов He с невозбужденными атомами Ne возможна так называемая резонансная передача возбуждения, в результате которой

атомы Ne окажутся в возбужденных состояниях E4 и E5 , а атомы He - в основном. Таким образом происходит дополнительное заселение уровней E4 и E5 атомов Ne. Экспериментально показано,

что оптимальное соотношение концентраций Ne и He составляет

1÷10 .

Таким образом, инверсия населенностей на уровнях	E5 , E4 и
E3 делает возможным усиление на переходах E4 → E3	( λ =1,15
мкм - инфракрасное излучение) и E5 → E3	( λ = 0,63

мкм−красный свет) (см. рис. 20.2). Наибольшее практическое значение имеет генерация при переходах E5 → E3 .

Эффект усиления можно увеличить путем многократного прохождения света через один и тот же слой «усиливающей» среды. В простейшем случае рабочая He-Ne смесь помещается между двумя полупрозрачными зеркалами ПЗ, которые пропускает около 8% падающей на них энергии (рис. 20.3).

Рис. 20.3

183

Зеркала устанавливаются так, чтобы нормали к ним совпадали с осью трубки. Испущенный в каком-либо месте в результате спонтанного перехода атома фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов, летящих в том же направлении, которые, в свою очередь, вызовут вынужденное излучение и т.д. Так образуется каскад фотонов. Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью трубки, испытывают многократные отражения от зеркал. Поэтому путь их в трубке будет очень большим, так что каскады фотонов в направлении оси получают особенное развитие. При этом интенсивность света выходящего через полупрозрачное зеркало, может оказаться во много раз больше интенсивности света, испускаемого газоразрядной трубкой в других направлениях, в которых наблюдается преимущественно спонтанное излучение. Световые волны лазера являются когерентными, так как все атомы излучают согласованно, угловая ширина генерируемого лазером светового пучка чрезвычайно мала.

На рис. 20.3 показана газоразрядная трубка лазера. Когда разность потенциалов между анодом А и катодом К достигает пример-

но 103 В (рабочее напряжение), в рабочем капилляре газоразрядной трубки, имеющем диаметр в несколько миллиметров, зажигается тлеющий разряд.

Плоскости выходных окон ВО газоразрядной трубки ориентированы не перпендикулярно к оси резонатора, а наклонно−так, чтобы перпендикуляр к плоскости окна составлял с осью резонатора угол Брюстера, соответствующий показателю преломления вещества, из которого изготовлено выходное окно трубки.

Углом Брюстера называют такой угол падения α светового луча на поверхность вещества, для которого выполняется условие tg α = n , где n −показатель преломления вещества. В этом случае

отраженный от поверхности световой луч оказывается поляризованным перпендикулярно к плоскости падения, а преломленный луч - преимущественно поляризованным в плоскости падения. Данная ситуация выделена в правой части рис. 20.3. Короткие стрелки показывают, что колебания электрического вектора происходят в плоскости рисунка (в плоскости падения), а кружочки указывают на колебания в плоскости, перпендикулярной к плоскости рисунка. Заметим, что при угле падения, равном углу Брюстера,

184

отраженный и преломленный лучи составляют друг с другом прямой угол.

Ориентация выходных окон газоразрядной трубки под углом Брюстера к оси резонатора позволяет выделить определенную поляризацию генерируемого излучения. Предположим, что на плоскопараллельную пластинку, являющуюся выходным окном трубки, падает вдоль оси резонатора неполяризованная световая волна. Ее можно представить как комбинацию двух поляризованных волн, одна из которых поляризована в плоскости падения, а другая перпендикулярно. Первая волна, испытав преломление, пройдет внутрь пластинки, вторично преломится, выходя из нее, и будет попрежнему распространяться вдоль оси резонатора. Вторая волна отразится от пластинки и сразу покинет резонатор. Лазер будет генерировать световую волну, проходящую сквозь пластинку, т.е. волну, поляризованную в плоскости, проходящей через ось резонатора и перпендикуляр к плоскости пластинки. Таким образом, изготавливая окна трубки, срезанные под углом Брюстера, достигаются сразу две цели: во-первых, получается поляризованное лазерное излучение; во-вторых, исключаются потери на отражении от поверхностей выходных окон газоразрядной трубки.

Методика выполнения работы

Схема установки представлена на рис. 20.4.

Рис.20.4

185

Длина волны излучения лазера определяется с помощью монохроматора УМ-2 и неоновой лампы НЛ с известным спектром излучения. Устройство монохроматора детально описано в работе 19. К монохроматору крепится оптическая скамья, на которой установлен газовый лазер Л. На входную щель монохроматора надета насадка, делящая поле зрения на две части. Одна часть насадки освещена светом от неоновой лампы. В другой части насадки укреплена

небольшая стеклянная призма, поворачивающая луч лазера на 90o . Таким образом, в разных частях поля зрения монохроматора можно одновременно наблюдать спектр излучения лазера (внизу) и эталонный спектр неона, с помощью которого определяется длина волны лазерного излучения (вверху).

Порядок выполнения работы

Задание. Определить длину волны основной линии излучения лазера.

1.Поворачивая барабан монохроматора, выведите в середину поля зрения красно-желтый спектр неоновой лампы и одиночную линию лазерного излучения. Сфокусируйте объектив коллиматора так, чтобы линии спектра были резкими.

2.Совмещая наблюдаемые линии спектра неона с указателем, производите отсчет показаний по шкале барабана наиболее ярких видимых линий. Длины волн линий определяйте по спектрограмме, находящейся на рабочем столе. В таблице указаны табличные зна-

чения длин волн спектра неона. Измерения ϕi выполните три раза, результаты запишите в табл.20.1. Рассчитайте среднее значение ϕ для каждой линии.

3.Постройте градуировочный график монохроматора, используя результаты таблицы.

4.По шкале барабана найдите угол ϕЛ , соответствующий линии

лазерного излучения. Используя градуировочный график, определите длину волны излучения лазера. Сравните полученный результат с табличным λЛ = 632,8 нм.

186

Таблица 20.1

Наблюдаемая				Синяя					Зеленая
линия (цвет)
	435,8
λ, нм			457,6		470,9	471,5	478,9	533,1	534,1	535,8	540,1
Показания
шкалы
барабана ϕi
ϕ

Наблюдаемая линия (цвет)

λ, нм

Показания

шкалы барабана ϕi

ϕ

	Желтая					Красная
586,2		586,5	594,3	616,6	622,8	630,3	638,2	640,6	657,4

Контрольные вопросы

1.Что называют спонтанным излучением и каковы его особенности?

2.Что называют вынужденным излучением и каковы его особенности?

3.Каков механизм образования инверсии населенностей в He-Ne смеси?

4.Какова роль зеркал, устанавливаемых на торцах газоразрядной трубки He-Ne лазера?

5.Каковы свойства лазерного излучения и с чем они связаны?

187

6.Почему ориентация выходных окон под углом Брюстера уменьшает потери на отражении от поверхности?

7.Докажите, что угол между отраженным и преломленным лу-

чами на выходном окне лазера равен 90o .

188

Работа 21 МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА

Цель работы: наблюдение действия электрооптического эффекта Поккельса; изучение способа модуляции света; определение полуволнового напряжения электрооптического модулятора.

Введение

Показатель преломления n является основной оптической характеристикой среды. Он определяется отношением скорости света c в вакууме к фазовой скорости света V в среде ( n = cV ). Поскольку свет распространяется в любой среде медленнее, чем в вакууме ( n >1), то длина волны λ в среде уменьшается в n раз по сравнению с длиной волны λ0 в вакууме. По этой же причине све-

товые колебания, прошедшие среду длиной l (рис. 21.1,а), в отличие от колебаний, распространяющихся в вакууме (рис. 21.1,б), приобретают оптическую фазовую задержку:

Рис.21.1

189

Δϕ =	2πl (n −1).	(21.1)
	λ
	0

В иллюстрациях к данной работе, для удобства, световая волна представляется как колебания вектора электрического поля.

Среда, в которой скорость света (следовательно, и показатель преломления) не зависит от направления распространения или состояния поляризации излучения, называется оптически изотропной. В противном случае среда называется оптически анизотропной. К изотропным средам относятся газы, жидкости, аморфные тела, некоторые кристаллы. Большинство же кристаллов являются анизотропными. О таких кристаллах говорят, что они обладают естественной анизотропией. При произвольном направлении распространения световой волны в анизотропной среде можно выделить два взаимно перпендикулярных направления ( OX и OY на рис. 21.2)

и представить распространение колебаний вектора E в виде суммы двух волн:

2πl

2πl

Ex

= EOX sin

ωt +

nx

и

Ey

= EOY sin

ωt +

ny

,

λ0

λ0

где

ω−частота колебаний; nx

и

ny −показатели преломления для

волн Ex и Ey , распространяющихся в одном направлении вдоль l . Поскольку показатели преломления nx и ny для этих волн различны, то одна волна будет обгонять другую и возникнет разность фаз:

Δϕ =	2πl	(nx − ny ).	(21.2)
	λ
	0

Таким образом, после прохождения анизотропной среды изме-

нится характер поляризации света. Поэтому, изменяя		ϕ можно
изменять поляризацию света, в частности при	ϕ = π	поворачи-
вать плоскость, в которой колеблется вектор	E . Из выражения

(21.2) видно, что изменение величины Δϕ при постоянной λ0 мо-

жет быть достигнуто изменением l , либо показателей преломления nx и ny .

190