лабы физика / Лабораторная работа № 65

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Карагандинский государственный технический университет

Кафедра ФИЗИКИ

Методические указания к лабораторной работе № 65

« Изучение устройства и принципа работы He–Ne лазера»

Караганда 2004

Печатается по: Ясинский В. Б.

Лабораторный физический практикум: волновая и квантовая оптика, физика атома и ядра.

Учебное пособие.

Караганда: КарГТУ, 2002, 90с., ил. С.20-26

Лабораторная работа № 65

Изучение устройства и принципа работы He–Ne лазера

Введение

Оптический квантовый генератор (лазер) — это источник света со свойствами, резко отличающимися от всех других источников (ламп накаливания, люминесцентных ламп, пламени, естественных светил и т. д.).

Название «ЛАЗЕР»¹ — это аббревиатура английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) – усиление света посредством вынужденного излучения.

В настоящее время созданы лазеры, генерирующие излучение в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн.

Важнейшими типами лазеров являются твёрдотельные, полупроводниковые, жидкостные и газовые. Более точная классификация ориентирована на способ накачки (оптический, тепловой, химический, электрический, газодинамический и т.д.) и режим работы (непрерывный или импульсный).

• Лазерное излучение характеризуется очень высокой направленностью. Угол расходимости луча газового лазера составляет несколько угловых минут. Он в тысячи раз меньше угла расходимости лучших прожекторов.

• Излучение газовых и многих твердотельных квантовых генераторов монохроматично. Спектральная ширина линии такого излучения во много раз меньше спектральной ширины всех обычных источников света. К настоящему времени созданы уникальные лазеры с шириной линии всего несколько герц. Для сравнения заметим, что естественная ширина желтых линий паров натрия равна примерно 210⁷ Гц = 10 МГц.

• Лазеры излучают свет высокой степенью когерентности. Это означает, что фазы электромагнитных волн, испускаемых различными атомами активного элемента, или одинаковы, или взаимосогласованы. Излучение всех других стандартных источников некогерентно. Кроме того, у излучения лазера большая длина когерентности, то есть наибольшее расстояние вдоль направления распространения волны, на котором колебания можно считать еще когерентными между собой.

Для многих лабораторных и практических целей удобны гелий-неоновые (He–Ne) лазеры. Они работают в непрерывном режиме и в видимой области спектра. Длина волны основного излучения He–Ne лазера 0,6328 мкм.

Принцип работы лазера

Когда среда поглощает энергию (доставленную любым способом, например, фотонами), то ее часть запасается (поглощается) в виде энергии возбужденных атомов или молекул (рис. 1, а). Молекула, атом или ион из возбужденного состояния может перейти на более низкий энергетический уровень (рис. 1, б) самопроизвольно (спонтанно) или под действием внешнего электромагнитного излучения (рис. 1, в) с частотой  (вынужденно). Эти переходы могут сопровождаться излучением, называемым соответственно спонтанным или вынужденным, причем частота излучения определяется соотношением:

h = E_j – E_i, (1)

где E_j и E_i — энергетические уровни, между которыми осуществляется переход, сопровождающийся излучением кванта энергии, дополнительного к кванту внешнего электромагнитного излучения, его вызвавшему.

Если кванты спонтанного излучения испускаются в случайных направлениях, то квант вынужденного излучения испускается в том же направлении, что и квант внешнего электромагнитного поля. Причем частота, фаза и поляризация вынужденного и внешнего излучений совпадают, то есть оба кванта полностью тождественны (рис. 1, в).

Под действием электромагнитного излучения могут происходить переходы не только с более высокого энергетического уровня на более низкий, но и в обратном направлении, что соответствует акту поглощения.

Для того чтобы преобладали переходы, при которых происходит излучение энергии, необходимо создать инверсную населенность возбужденного уровня E_j, то есть создать повышенную концентрацию атомов или молекул на этом уровне.

При термодинамическом равновесии распределение молекул по энергетическим состояниям определяется законом Больцмана:

, (2)

где N – число молекул, находящихся при температуре Т в состоянии с энергией E; N₀ – число молекул в основном состоянии при той же температуре.

Если каким-либо способом создать населенность верхнего уровня больше, чем нижнего, то говорят, что данное вещество будет иметь инверсную населенность, то есть обратную той, которая следует из распределения Больцмана. При облучении вещества в этом случае будут преобладать переходы с верхнего уровня на нижний. Это приведет к усилению падающего на вещество света.

Состояние вещества, в котором создана инверсная населенность энергетических уровней, называется активным, а среда, состоящая из такого вещества — активной средой.

Сам процесс создания инверсной населенности уровней называется накачкой.

Методы накачки разнообразны и зависят от типа лазера: твердотельного, жидкостного, газового, полупроводникового и т.п. Основная задача процесса накачки может быть рассмотрена на примере трехуровневого лазера (рис. 2).

Для создания инверсной населенности на уровне II по отношению к уровню I молекулы (атома или иона) электроны внешним излучением сначала переводятся с энергетического уровня I на уровень III. Уровень III должен быть таким, чтобы время жизни электронов на нем, то есть время возможного пребывания их в этом состоянии, было очень малым (например, 10^-8 с). Если время жизни электронов на уровне II будет значительно больше, скажем 10^-3с, то электроны, спонтанно без излучения переходя с уровня III, будут накапливаться на уровне II (который называется метастабильным) и при достаточно мощной накачке их число значительно превысит число электронов на уровне I. Созданная таким образом инверсная населенность обеспечит условия для усиления излучения. Однако генерация оптических колебаний может возникнуть только в том случае, если вынужденное излучение, раз возникнув, будет вызывать новые акты вынужденного излучения. Для создания такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор.

Оптический резонатор представляет собой систему двух зеркал, между которыми располагается активная среда (рис. 3). Зеркала могут быть плоскими, выпуклыми или вогнутыми. Важнейшее их свойство — высокие значения коэффициента отражения. Используются зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием, обладающие сильным отражением и почти не поглощающие света. Коэффициент отражения одного зеркала составляет обычно около 0,5 (то есть 50%), другого не менее 0,98 (то есть почти 100%). Оптические поверхности зеркал обрабатываются с точностью до сотых долей рабочей длины волны света и устанавливаются строго параллельно друг другу — непараллельность не должна превышать 5 угловых секунд.

Для выяснения роли системы зеркал вернемся к рис. 2. Между зеркалами располагается активная среда, состоящая из огромного числа одинаковых молекул. С уровня II на уровень I могут происходить и спонтанные и вынужденные переходы. При спонтанном переходе одного из электронов испускается фотон, который вызывает вынужденные переходы электронов других молекул, тоже сопровождающиеся излучением фотонов. Эти фотоны вызывают вынужденный переход следующих встретившихся на их пути молекулах и т.д. Развивается лавинообразный процесс, причем каждый следующий фотон летит в том же направлении, что и фотон, его вызвавший. Теперь уже эти фотоны вызывают вынужденный переход встретившихся на их пути молекулах и т.д. Развивается лавинообразный процесс, причем каждый следующий фотон движется в том же направлении, что и фотон, его вызвавший.

Система зеркал (резонатор) позволяет выбрать преимущественное направление движения фотонов — вдоль оси, или точнее, под очень малыми углами к ней. Эти фотоны отражаются от зеркал и опять возвращаются в активную среду, провоцируя другие атомы метастабильного уровня к вынужденному переходу в основное состояние. Следовательно, фотоны в этом направлении размножаются. Фотоны, летящие в других направлениях, покидают активную среду без образование каскадов фотонов.

Таким образом,

оптический резонатор обеспечивает многократное происхождение световых волн, распространяющихся вдоль его оси по усиливающей среде, вследствие чего достигается высокая мощность излучения.

Для возникновения генерации лазерного излучения необходимо, чтобы на длине резонатора укладывалось целое число n полуволн, то есть

, (n = 1, 2, 3, …).

При достижении определённой мощности (она должна превышать потери при отражении от зеркал) излучение выходит через зеркала (в основном через полупрозрачное зеркало).

Из-за участия в развитии генерации только той части квантов, которые параллельны оси резонатора, к.п.д. лазеров обычно не превышает 1%. В некоторых случаях, жертвуя теми или иными характеристиками, к.п.д. можно довести до 30%.

Устройство He–Ne лазера

He–Ne лазеры относятся к классу газовых непрерывных лазеров. Они имеют невысокую мощность излучения (не более 100 мВт), но отличаются крайней простотой в эксплуатации, относительно дешевы, излучают в видимой области спектра и обладают достаточно высокой стабильностью излучения. Все это вместе взятое сделало He–Ne лазеры очень доступными и популярными. Разберемся подробнее с устройством He–Ne лазера.

Накачка в этом лазере, как и во многих других газовых, осуществляется с помощью электрического разряда и происходит в два этапа:

1. He служит носителем энергии возбуждения и передает энергию атомам Ne,

2. Возбужденные атомы Ne, переходя в основное состояние, дают лазерное излучение.

Электроны, образующиеся в результате электрического разряда, при столкновениях возбуждают атомы гелия, которые переходят с основного энергетического уровня 1 в возбужденное состояние на уровень 3 (рис. 4). При столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит их возбуждение и атомы неона забрасываются (переходят) на один из своих верхних метастабильных энергетических уровней, который расположен вблизи соответствующего уровня гелия. В результате на этом уровне создается инверсная населенность возбужденных атомов неона, а их последующий переход с метастабильного уровня 3 на один из нижних уровней 2 сопровождается испусканием кванта с длиной волны = 0.6328 мкм.

На практике описанное реализовано следующим образом. Активный элемент излучателя (рис. 5) представляет собой толстостенную стеклянную трубку, торцы которой закрыты плоскопараллельными окошками из оптического стекла. Стенки трубки делаются толстыми из-за высокой проникающей способности гелия. Торцевые окна ориентированы под углом Брюстера – _Б к оси трубки.

Использование такой ориентации окон позволяет получить плоскополяри­зованное излучение с ориентацией светового вектора в плоскости рисунка, что немаловажно для многих случаев применения лазера. В трубку впаяны электроды, а сама она заполнена смесью He (р = 1 мм рт. ст.) и Ne (р = 2 мм рт. ст).

Активный элемент помещен в резонатор из плоского полупрозрачного зеркала и сферического вогнутого зеркала с коэффициентом отражения ~ 0.98. Радиус кривизны сферического зеркала выбирается равным длине резонатора для увеличения к.п.д. и улучшения качества (монохроматичности, пространственной и временной когерентности) лазерного излучения.

Рис. 5. Устройство излучателя He–Ne лазера

При подаче высокого напряжения между анодом и катодом внутри активного элемента зажигается электрический разряд, которым производится накачка. В зависимости от способа возбуждения разряда активные элементы бывают с горячим и холодным катодом. При использовании схем с горячим катодом разряд зажигается коротким высоковольтным импульсом и поддерживается постоянным высоким (но более низким, чем при поджиге) напряжением. В схемах с холодным катодом применяется высокочастотный электрический разряд. Активные элементы с холодным катодом более долговечны (срок службы более 20000 часов) и обладают лучшими характеристиками излучения. Однако активные элементы с горячим катодом позволяют получить лазеры с большей выходной мощностью излучения.

He–Ne лазер был первым газовым лазером непрерывного действия. Он появился в 1961 году и стал родоначальником огромного семейства газовых лазеров. В разрядной трубке возникает сложное по спектральному составу излучение гелия и неона, которое распространяется по всем направлениям от трубки. Однако усиливается в лазере лишь свет строго определенной длины волны и распространяется он вдоль оси трубки (это направление совпадает с осью зеркального резонатора). Чтобы убедиться в этом, понаблюдайте цвет сечения разряда, видимого под небольшим углом к оси трубки, и сравните его с цветом свечения экрана, на который падает лазерный луч. Для определения длины волны  излучения He–Ne лазера используется дифракционный монохроматор МУМ (рис. 6). Поскольку лазерное излучение в высокой степени когерентно, то луч лазера будет дифрагировать на входной щели монохроматора. В результате после прохождения щелевых диафрагм Д₁ и Д₂ наблюдается дифракционная картина, подобная показанной на рис. 2 лабораторной работы № 72. Поэтому, для повышения точности измерений и регистрации излучения в нулевом порядке дифракции, в работе используется фотоэлектрическая регистрирующая приставка.

Определение длины волны лазерного излучения

Рис. 6. Схема экспериментальной установки

Порядок выполнения работы

Порядок выполнения работы приведен в инструкции в лаборатории.

Контрольные вопросы

1. В чем особенность лазерного излучения? Какие бывают типы лазеров?

2. Чем отличаются кванты, испущенные спонтанно, от квантов вынужденного излучения?

3. Объясните принцип работы лазера на примере 3-уровневой энергетической системы.

4. Какой уровень называется метастабильным и что такое инверсия населенности?

5. Что такое оптический резонатор, как выбирается его длина и какова его роль в развитии генерации?

6. Какая среда называется активной? Объясните на примере He–Ne лазера.

7. Опишите устройство излучателя He–Ne лазера.

1 За создание лазеров советские физики Н.Г.Басов и А.М.Прохоров вместе с американским физиком Ч.Таунсом в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике.

9