3. Принцип метода измерения и рабочие формулы

Метод измерения длины волны основан на явлении дифракции. Дифракция световых волн – это нарушение прямолинейности распространения света в среде с оптическими неоднородностями. Для этой цели служит одномерная дифракционная решетка – система параллельных щелей равной величины, разделенных непрозрачными промежутками. Промежуток, включающий в себя щель и непрозрачный штрих, называется периодом или постоянной решетки, т.е.

d= a + b.

Здесь а – ширина щели, b – ширина непрозрачного промежутка между щелями.

В данной работе используется отражательная дифракционная решетка. Она представляет собой зеркальную поверхность, на которую на равных расстояниях нанесены штрихи. Пусть на отражательную дифракционную решетку падает параллельный пучок монохроматического лазерного излучения. Свет дифрагирует при отражении от зеркальных промежутков и на экране возникает спектр лазерного излучения. Условие максимума излучения для дифракционной решетки определяется из соотношения:

, (3)

где  – длина волны,

d – постоянная решетки,

m – порядок спектра (в данной работе m = 1,2),

_m – угол, под которым наблюдается соответствующий максимум излучения.

Рис.2.

Для заданного значения d длина волны излучения лазера определяется путем измерения sin_m. С этой целью производятся измерения расстояний L₁ и L₂ от решетки до экранов Э₁ и Э₂ и l_m и l_-m – координат по шкале симметричных максимумов одного порядка m (рис 2). По формуле

(4) определяется tg_m и затем, используя формулу перехода от tg к sin

(5) находят длину волны по формуле:

. (6)

Для измерения степени поляризации используется анализатор излучения, установленный на пути лазерного луча, и фотодиод, находящийся в положении максимума второго порядка спектра лазерного излучения. Степень поляризации излучения определяется по формуле

,

где – максимальная интенсивность света, прошедшего через поляризатор, – минимальная интенсивность излучения, прошедшего через поляризатор.

Т.к. сила фототока прямо пропорциональна интенсивности излучения, степень поляризации можно определить из соотношения:

, (7)

где i_фmax, i_фmin – соответственно максимальное и минимальное значения фототока, которые определяются с помощью цифрового ампервольтметра.

4. Измеряемый объект

Объектом исследования в данной работе служит гелий-неоновый (He-Ne) лазер ЛГН-207.

Рабочим веществом являются атомы неона. На рис. 3 показаны уровни энергии в атомах неона и гелия. Около уровней указано время жизни атома в возбужденном состоянии (порядок величины в секундах).

Рис. 3.

Сокращенные обозначения на рис. 3: н. с. – возбуждение неупругими столкновениями атомов гелия и неона, в. э. – возбуждение электронным ударом, КС – красный свет, ИК – инфракрасное излучение.

При электрическом разряде в разреженном газе населенности некоторых уровней могут превысить населенности нижележащих уровней, т.е. может возникнуть инверсия населенностей.

В электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня Е₁ на долгоживущие уровни Е₄ и Е₅. В чистом неоне возникающая инверсная населенность этих уровней по отношению к короткоживущем уровню Е₃ оказывается недостаточной. Накачку энергии на уровни Е₄ и Е₅ удалось осуществить в смеси гелия с неоном. Энергии двух возбужденных долгоживущих уровней Е₂ и Е₃ атомов гелия точно совпадают с энергиями уровней Е₄ и Е₅ атомов неона.

Значительное усиление интенсивности света можно получить при условии, что свет проходит через активную среду большое число раз. Для этого разрядную трубку Т (рис. 4), внутри которой создана активная среда, помещают между двумя зеркалами З₁ и З₂, образующими оптический резонатор. Основное требование, предъявленное к резонатору, состоит в том, чтобы энергия, выделившаяся вследствие стимулированного излучения в активной среде, превосходила потери энергии в резонаторе. Это достигается применением высококачественных зеркал, представляющих собой кварцевые пластины с диэлектрическим покрытием. Толщина диэлектрического слоя подбирается такой, чтобы получить максимальную интенсивность при интерференции лучей, отраженных от поверхности слоя для нужной длины волны . Поверхности зеркал обрабатываются с точностью до 0,01.

Рис.4.

Зеркало З₁ имеет слегка вогнутую поверхность и коэффициент отражения 99%, а плоское зеркало З₂ – 98% и служит для выпуска луча лазера. Зеркала укреплены в оправах, снабженных регулировочными винтами для юстировки.

Оптические окна, ограничивающие трубку, ориентированы так, что угол падения света на поверхность стекла равен углу Брюстера: tg= n, где n – показатель преломления стекла, из которого сделаны окна. При этом свет, поляризованный в плоскости падения, не дает отраженного луча. Для света другой поляризации потери на отражение будут велики. Так как свет в среднем проходит каждое окно ~ 10^-5 раз, прежде чем выйдет из лазера, то излучение лазера такой конструкции будет полностью поляризовано.