_{МИНОБРНАУКИ РОССИИ}

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

отчет

по лабораторной работе №1

по дисциплине «КОЭ»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА

Студент гр. 4209		Строганов К.А. Колесникович В.А. Доброславин А.А.
Преподаватель		Киселев А.С.

Санкт-Петербург

2017

Цель работы.

Ознакомление с принципом действия и устройством газоразрядного атомарного лазера на основе гелий-неоновой смеси; изучение энергетических, временных и пространственных характеристик излучения He-Ne-лазера.

Теоретические данные.

Активная газовая смесь He-Ne-лазера состоит из рабочего излучающего газа – неона и буферного газа – гелия. Возбуждение активной среды (АС) происходит по трехуровневой схеме в плазме положительного столба (ПС) разряда. При столкновениях электронов ПС с атомами эффективно заселяются метастабильные уровни гелия He + e^–(W₁) = He^* + e^–(W₂ < W₁). Энергии возбуждения метастабильного уровня гелия W(He^*) и возбужденного состояния неона W(Ne^*), выполняющего функции верхнего лазерного уровня, близки. Благодаря этому при неупругих столкновениях реализуются условия для резонансной передачи энергии атомам неона от возбужденных частиц гелия He^* + Ne = He + Ne^*. Максимальная эффективность такого обменного процесса достигается при оптимальном соотношении парциальных давлений газов p(He): p(Ne) = (5:1) ... (15:1).

В дальнейшем возбужденный атом неона формирует квант индуцированного излучения: Ne^* = Ne + hν. Из трех возможных каналов генерации чаще используется самый слабый, но удобный для практики видимый переход с λ = 633 нм. Для обеспечения генерации лазера требуется создание инверсии населенностей, когда концентрация возбужденных атомов на верхнем лазерном уровне (n₂) становится больше, чем на нижнем (n₁): Δn = n₂ – n₁> 0. Поддержание инверсии населенностей в АС достигается за счет эффективного заселения верхнего уровня и быстрого опустошения нижнего. Девозбуждение нижних лазерных уровней всех трех возможных излучательных переходов происходит через общее метастабильное состояние неона, расселяемое преимущественно при столкновениях Ne со стенками разрядного капилляра. В результате имеет место обратно пропорциональная зависимость усиления АС от диаметра d разрядного канала. Обычно d не превышает 1 ... 3 мм, а объемы АС He-Ne-лазеров оказываются весьма незначительными.

Эффективное возбуждение высоко расположенного верхнего лазерного уровня с энергией порядка 20 эВ возможно только при достаточно высоких энергиях W_e электронов, которые реализуются в ПС высоковольтного тлеющего разряда с низкой плотностью разрядного тока I. Вероятность возбуждения атомов, а значит и n₂, пропорциональна произведению концентраций возбуждаемых атомов n_а и возбуждающих электронов n_е: n₂ ~ n_а · n_е. Величину n_а определяет давление газовой смеси р, а n_е – разрядный ток. Для He-Ne-лазеров существует оптимальное значение произведения суммарного давления на диаметр разрядного канала (рd)_opt = 0,44...0,53 Па·м, которому соответствует электронная температура T_e = 10⁵ К, оптимальная с точки зрения выхода генерации Р ~ n₂ – n₁ . При фиксированных значениях d и I уменьшение р снижает n_а и, соответственно, n₂. Обратно пропорциональный изменению р рост T_e увеличивает вероятность ионизации газа и сокращает долю энергии электронов, расходуемой на возбуждение. В итоге выходная мощность лазера Р ~ n₂ – n₁ падает. Рост р сверх оптимального значения снижает T_e, уменьшая эффективность возбуждения верхнего лазерного уровня. Одновременно увеличиваются потери W_e в объеме газа, возрастает роль «тушащих» соударений возбужденных атомов, что также уменьшает Р. При прочих равных условиях, оптимальное суммарное давление газовой смеси зависит и от разрядного тока. Чем больше ток, тем при меньших давлениях выполняются оптимальные условия генерации.

Генерация в любом лазере возникает, если усиление в АС компенсирует все виды потерь: паразитные и "полезные". Паразитные потери возникают из-за поглощения и рассеяния квантов на оптических элементах, "полезные" – обусловлены выходом рабочего пучка из оптического резонатора (ОР). Энергетическая характеристика He-Ne-лазера – зависимость мощности генерации от тока разряда P = f(I) носит нелинейный характер. В газоразрядном лазере величина I определяет в первом приближении концентрацию электронов. – первичных возбуждающих частиц. Рост I сопровождается увеличением n_e и соответствующим повышением n₂. При достижении порогового значения тока I_пор населенности верхнего и нижнего лазерных уровней выравниваются: n₂ = n₁. При I > I_пор возрастание тока на начальном участке зависимости P = f(I) сопровождается повышением уровня генерации лазера. Дальнейшее увеличение I приводит к активизации процесса прямого электронного заселения нижнего лазерного уровня неона – росту n₁. Одновременно с ростом I повышается температура газа, усиливается тепловое заселение нижнего уровня и стимулируется рост спонтанного излучения с верхнего лазерного уровня. В результате уменьшается Δn, и при определенном предельном токе происходит срыв генерации. Как итог, зависимость P = f(I) имеет вид кривой с максимумом при оптимальном токе.

Энергия кванта излучения с λ = 633 нм составляет всего 5% от энергии W(Ne^*), затрачиваемой на возбуждение атома. Итог – низкий КПД АС. При типичных для He-Ne-лазеров значениях T_e максимум распределения электронов по энергиям приходится на область W_e = kT_e = 8 … 9 эВ и зона возбуждения АС с энергиями на уровне 20…21 эВ оказывается в «хвосте» распределения. В результате электронный КПД – доля энергии электронов, затрачиваемая на возбуждение верхнего лазерного уровня, не превышает единиц процентов. Слабое усиление АС даже при относительно невысоком уровне потерь лимитирует допустимое пропускание рабочих зеркал значениями 2 … 3 %, что заметно уменьшает КПД оптического резонатора.

Рассмотренные выше физические особенности He-Ne-лазеров ограничивают предельную мощность излучения уровнем около 100 мВт при КПД порядка сотых долей процента.

Важнейшей характеристикой лазерного пучка является его расходимость. Теоретический минимальный угол расходимости определяется дифракцией на торце АС с поперечным размером d: Θ_min ~ d /L. На практике величина расходимости лазерного излучения определяется многими факторами: радиусами кривизны зеркал и длиной ОР, диаметром активной среды, структурой генерируемых мод. Типичные значения угла расходимости Θ для He-Ne-лазеров составляют от долей до единиц миллирадиан, Определить угол расходимости лазерного пучка можно по изменению диаметра пучка ΔD = D₂ – D₁ в двух сечениях, удаленных друг от друга на расстояние ΔL:

Классические He-Ne-лазеры выполняются в виде узких протяженных разрядных трубок, торцы которых снабжены выходными окнами. Для уменьшения паразитного отражения выходные окна располагаются под углом Брюстера. Излучение лазеров, имеющих окна Брюстера, линейно поляризовано. Современные He-Ne-лазеры с протяженностью АС до 1м часто имеют коаксиальную конструкцию, когда цилиндрический катод расположен соосно с разрядным капилляром, а зеркала ОР являются торцевыми частями наружной стеклянной оболочки, выполняющей одновременно функции несущей конструкции ОР. Катод изготавливается, обычно, из алюминия, стойкого к ионной бомбардировке в условиях плазме He-Ne-разряда.