Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
КФ №5.doc
Скачиваний:
12
Добавлен:
10.07.2015
Размер:
968.7 Кб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Рыбинская государственная авиационная технологическая

академия им. П.А. Соловьева

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

УТВЕРЖДЕНО

на заседании методического

семинара кафедры

Общей и технической физики

« » _________ 2007 г.

Зав.каф. Пиралишвили Ш.А.

Лаборатория «Квантовая физика»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№ КФ – 5

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ИЗЛУЧЕНИЯ

ОПТИЧЕСКОГО КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА

НА СМЕСИ ГЕЛИЯ И НЕОНА

Нормоконтролёр

Автор: к. ф–м. н., доцент Шалагина Е.В

______________

___________________

Рецензент: к. т. н., доцент Суворова З.В.

___________________

Рыбинск 2007

ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Работа выполняется в соответствии с общими требованиями техники безопасности, действующими в учебных лабораториях кафедры О и ТФ.

ВНИМАНИЕ!

  1. В процессе работы лазер (оптический квантовый генератор – ОКГ) должен быть установлен так, чтобы исключить попадание прямого и отраженного лазерного излучения в глаза.

  2. При эксплуатации ОКГ следует иметь в виду наличие внутри его корпуса высокого напряжения. Источник питания ОКГ должен быть заземлен.

  3. При работе с прибором ИМО-2Н необходимо соблюдать все правила безопасности работы с высоким напряжением.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение основных свойств излучения ОКГ, работающего на смеси гелия и неона. Определение мощности излучения, степени его поляризации, длины волны, расходимости луча.

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ: Газовый оптический квантовый генератор на смеси гелия и неона, измеритель средней мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н, поляроид, щель для получения дифракционной картины, зеркала для определения расходимости луча ОКГ, закрепленные на стойках, оптическая скамья.

  1. Теоретические сведения

Лазер или оптический квантовый генератор (ОКГ) является источником излучения когерентного, поляризованного, монохроматического с малой расходимостью луча, с большой мощностью на единицу площади.

Излучение любого источника света представляет собой суммарный эффект излучения громадной совокупности атомов и молекул, испускающих кванты независимо друг от друга с произвольными фазами, произвольной ориентацией спинов, распространяющиеся во всех направлениях от источника. В результате излучение обычных тепловых источников света некогерентно, неполяризованно, немонохроматично и заполняет телесный угол радиан.

В лазерах используется принципиально новый способ высвечивания возбужденных атомов, позволяющий, несмотря на некогерентный характер возбуждения отдельных атомов, получать когерентные пучки света с очень малой расходимостью. Оптический квантовый генератор обязательно содержит два принципиально важных элемента: активную среду А, являющуюся источником световой энергии, и оптический резонатор, внутри которого заключена эта среда (рис. 1.1). Активная среда может быть твердой, жидкой или газообразной, но обязательно должна обладать свойством усиливать свет на частоте генерации. Основное назначение резонатора – осуществление положительной обратной связи: его зеркала возвращают часть световой энергии, излученной активной средой, обратно. Если усиление на один проход превосходит полные потери, возникает оптическая генерация – направленное яркое когерентное излучение с определенной длиной волны.

Все свойства лазерного излучения зависят исключительно от совокупности действия активной среды Аи резонатора. Выбор активной среды определяет длину волны генерации, предельные мощности и КПД, выбор резонатора – пространственную и спектральную структуры излучения, реальную мощность и КПД.

А – плазма разряда, активная среда; М1, М2 – зеркала оптического резонатора;

, – напряжение на электродах.

Рис. 1.1

Для получения оптического усиления активной средой требуется реализация определенных условий. Прохождение света через любую материальную среду обычно сопровождается его поглощением по закону:

, (1.1)

где – интенсивность падающей волны с частотой;

– интенсивность прошедшей волны;

– длина пути к среде;

– коэффициент поглощения.

Усиление – процесс, обратный поглощению. В этом случае коэффициент

в формуле (1.1) отрицателен, и происходит экспоненциальное нарастание интенсивности по закону:

. (1.2)

При микроскопическом подходе процессы поглощения и усиления связываются с процессами вынужденного поглощения и испускания кванта. Если атом находится в возбужденном состоянии Е2и в области, его окружающей, отсутствует электромагнитное поле, то процесс перехода атома в нижнее состояниеЕ1, сопровождаемый излучением фотона, называется спонтанным излучением. Спонтанное излучение некогерентно, так как различные атомы излучают независимо друг от друга. Световые волны, излучаемые нагретыми телами, формируются в результате спонтанных переходов атомов и молекул.

Однако при распространении через среду световой волны частоты , соответствующей разности энергий каких-либо двух уровнейЕ2иЕ1атомов или молекул (=Е2Е1) к спонтанному излучению добавляются следующие радиационные процессы:

атомы, находящиеся на нижнем уровне Е1, в результате поглощения кванта энергиипереходят на уровеньЕ2(рис. 1.2);

Рис. 1.2

Число таких переходов пропорционально – концентрации атомов на уровнеЕ1. В результате переходовЕ1Е2волна теряет энергию. Этот процесс называется резонансным поглощением.

Атомы, находящиеся на верхнем энергетическом уровне Е2, переходят на уровеньЕ1, причем внешнее электромагнитное излучение частотыповышает вероятность такого перехода. Излучение атомов в этом случае имеет ту же частоту, направление распространения, фазу, поляризацию, что и внешнее излучение, т.е. излучение будет когерентным. Такой процесс излучения называется индуцированным и характеризуется вероятностью перехода тем большей, чем больше плотность энергии внешнего электромагнитного излучения. В результате переходовЕ2Е1в световую волну добавляется энергия. Число таких переходов пропорционально– концентрации атомов на уровнеЕ2.

В условиях термодинамического равновесия уровни заселяются в соответствии с распределением Больцмана:

, (1.3)

где и– число атомов с энергиейЕ0и– соответственно;k– постоянная Больцмана.

Таким образом, на более высоких энергетических уровнях (Е0), концентрация атомов ниже (). В результате волна теряет энергии больше, чем приобретает, и имеет место поглощение света согласно (1.1).

Для получения оптического усиления () требуется осуществить инверсию в заселенностях уровней, когда. При этом вынужденные переходыЕ2Е1поставляют в световую волну больше энергии, чем теряется в результате переходовЕ1Е2, и световая волна усиливается. Среда с инверсной заселенностью, способная усиливать излучение, называется активной или средой с отрицательной температурой. Последнее определение связано с тем, что распределение по данной паре уровней энергии в таких неравновесных системах можно описать функцией распределения Больцмана (1.3), справедливой для равновесной системы, если формально считать температуру отрицательной. Отрицательная температура физического смысла не имеет, а является удобной математической величиной, характеризующей неравновесность системы.

Состояние с инверсной населенностью является неравновесным, и для его создания требуются затраты энергии в том или ином виде, которые осуществляются системой накачки из внешнего источника. Методы накачки вещества с целью получения в нем инверсной населенности весьма разнообразны (оптическая накачка, электрический разряд, газодинамические методы, химические реакции и др.)

Инверсная населенность не может быть получена, если в процессе накачки и генерации принимают участие только два энергетических уровня. В этом случае после достижения равенства населенностей коэффициент поглощенияокажется равным нулю, а вещество станет прозрачным. Обычно используются трех- и четырех- уровневые системы расположения уровней атомов (рис. 1.3).

Рис. 1.3

В этом случае различные энергетические состояния имеют разное время жизни: время жизни в возбужденном состоянии Е3обычнос, время жизни в так называемом метастабильном состоянииЕ2– больше. В результате после накачки квантом энергииуровень энергииЕ3быстро опустошается за счет переходаЕ3Е2. Большое время жизни в состоянииЕ2способствует накоплению в нем атомов и созданию инверсной населенности. Генерация в этом случае имеет место на переходеЕ2Е1=. Однако инверсная населенность является необходимым, но не недостаточным условием усиления. Излучение усиливается, если индуцированное излучение с избытком компенсирует все добавочные потери электромагнитной энергии в веществе. Для этого согласно закону (1.2) необходима достаточно большая величина пути, которое излучение проходит в активной среде (5 м). Усилитель такой длины осуществить трудно, поэтому при создании квантового генератора был использован принцип обратной связи. С этой целью вещество помещается внутри открытого резонатора (рис. 1.1), образованного двумя параллельными зеркаламиМ1иМ2, отстоящими друг от друга на расстоянии. В наиболее благоприятных условиях находится волна, распространяющаяся вдоль оси резонатора. Эта волна дойдет до одного из зеркал, отразится от него и пойдет в обратном направлении, продолжая усиливаться и т.д. с каждым ходом волна усиливается все больше, пока плотность энергии в волне не достигнет некоторого предельного значения, когда выделяемая в результате вынужденных переходов энергия сравняется с энергией, затрачиваемой на возбуждение атомов. В результате в резонаторе устанавливается стоячая волна, а сквозь полупрозрачное зеркало наружу выходит поток когерентного излучения. При спонтанных переходах кванты света излучаются равновероятно во всех направлениях. Под действием накачки заселенность возбужденных уровней увеличивается, поэтому растет по сравнению с равновесным и фон спонтанного излучения. Те кванты, которые распространяются в телесном угле вблизи оси резонатора, выполняют роль индуцирующего излучения, приводящего к генерации, так как они вызывают вынужденные переходы и являются родоначальниками размножения фотонов. Резонатор «выбирает» из всех излученных фотонов только те, которые имеют определенные частоты и направления распространения. Устойчивому усилению в резонаторах подлежит излучение таких длин волн, которые являются собственными колебаниями резонатора. Изменением положения зеркалМ1 иМ2достигается настройка резонатора на определенную длину волны.

Главное отличие газовых лазеров от лазеров на твердых веществах состоит в различных методах возбуждения и подвода энергии накачки. Метод оптической накачки практически непригоден для газовых лазеров, так как ширина линий поглощения в атомарных газах мала по сравнению с полосами поглощения в твердых телах. Оптическая накачка эффективна, если линии в спектре излучения лампы накачки точно соответствуют линиям поглощения газа в лазере. Это означает, что для возбуждения газов обычные лампы накачки использовать нельзя, так как они дают излучение, близкое по спектру к излучению черного тела. Спектральная плотность энергии излучения таких источников недостаточна для того, чтобы создать инверсную населенность. Для создания инверсной населенности в газах можно воспользоваться методом возбуждения газов электронным ударом. Это осуществляется в газовом разряде, в котором возникают свободные электроны и ионы (плазма).

В неон-гелиевом лазере активными частицами являются атомы неона, между уровнями которого осуществляется инверсия, а атомы гелия служат для создания эффективной накачки верхнего инверсного уровня атомов неона. На рис. 1.4 приведена схема энергетических уровней атомов гелия и неона, имеющих отношение к генерации.

Рис. 1.4

Роль гелия сводится к следующему. Состояния гелияиявляются метастабильными: радиационные переходы с этих уровней в основное состояние запрещены. Если в смеси газов создать газовый разряд, то под действием быстрых электронов атомы гелия переходят в различные возбужденные состояния, а затем скапливаются в метастабильных состоянияхи. Эти состояния случайно оказались совпадающими в энергетическом спектре с состояниями 2р54и 2р55атома неона. В результате при разрядке происходит интенсивный обмен энергией между атомами гелия и неона, носящий резонансный характер; метастабильные состояния гелия разрушаются, а атомы неона возбуждаются, переходя в состояние 2р54и 2р55. С этих уровней атомы неона спонтанно переходят в основном на группу уровней 2р53р1, излучая при этом инфракрасный (мкм) и красный (мкм) свет. После этого следует переход на нижележащие уровни. Время жизни на уровнях 2р54и 2р55с, что на порядок выше времени жизни на нижележащих уровнях. Это обстоятельство в сочетании с селективным возбуждением верхних атомных уровней неона обеспечивает инверсную населенность указанных уровней во время работы лазера.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]