Теоретичні відомості

Метою роботи є ознайомлення з принципом дії, будовою і правилами експлуатації гелій-неонового лазера (ЛГН), а також вимірювання деяких важливих його параметрів - кута розбіжності лазерного пучка і розподілу енергії по його перетину.

ЛГН - принципово нове (в порівнянні з тепловим і люмінесцентним) джерело випромінювання, яке завдяки використанню явища стимулюючого (вимушеного, індукованого) випромінювання, дає потужні монохроматичні, когерентні, гостронаправлені, поляризовані світлові пучки. Дія ЛГН суттєво залежить від оптичних властивостей пристрою, так званого активного середовища (в лазері, що вивчається, це суміш гелію та неону).

Спонтанне і вимушене випромінювання. Відповідно до теорії Бора, атомна система може знаходитися тільки у визначених стаціонарних станах з енергією . Атом може спонтанно перейти з вищого енергетичного стану з енергією в нижчий стан з енергією з випромінюванням кванта світла. При цьому виконується співвідношення:

. (7.1)

Таке випромінювання називається спонтанним.

Якщо атом знаходиться під дією світлового опромінення, то останнє може викликати переходи як з вищого рівня на нижчий , так і зворотні переходи з нижчого рівня на більш високий - . Перші переходи супроводжуються випромінюванням світла. Таке випромінювання називається вимушеним чи індукованим. Зворотні переходи супроводжуються поглинанням світлового кванта.

Спонтанне випромінювання є некогерентним. У цьому випадку атоми джерела випромінюють світло незалежно один від одного. Фази хвиль, що випромінюються різними атомами, їхня поляризація і напрямки поширення ніяк не зв'язані між собою. Звичайні джерела світла випромінюють некогерентно. У них світіння викликається або зіткненнями між атомами, що здійснюють тепловий рух, або зіткненнями з електронами. Правда, у таких джерелах поряд зі спонтанним відбувається й індуковане випромінювання. Однак воно збуджується некогерентним спонтанним випромінюванням, а тому і саме є некогерентним. Однак можна створити і когерентно випромінюючі джерела світла, у яких би різні атоми випромінювали хвилі узгоджено, тобто з однаковими частотами, фазами, поляризацією і напрямком поширення.

Такі джерела одержали назву оптичних квантових генераторів (ОКГ) чи лазерів.

Принцип дії лазера. Інверсна заселеність енергетичних рівней. Активне середовище. Лазер працює на принципі індукованого випромінювання. Припустимо, що на атом падає фотон з енергією , де і - будь-які два енергетичних рівні атома. Якщо атом знаходиться на нижньому рівні , то падаючий фотон може поглинутися, а атом перейде в стан з енергією . Якщо ж атом знаходиться на рівні , то може відбутися вимушений перехід його з верхнього рівня на нижній - з випромінюванням другого фотона. Індуковано випромінений фотон характеризується не тільки тією ж частотою ν, але також тими ж фазою, поляризацією і напрямком поширення, що і падаючий фотон. Замість одного падаючого фотона отримаємо вже два тотожних фотони. Ця особливість індукованого випромінювання і використовується в лазерах.

Розглянемо тепер не одиничний атом, а середовище з атомів. Для того, щоб при поширенні в середовищі хвиля підсилювалася, необхідно, щоб заселеність атомами рівня (концентрація n ₂атомів на рівні ) була більше заселеності рівня (концентрації атомів на рівні ), тобто повинна виконуватись умова: . Таке середовище називається активним чи середовищем з інверсною заселеністю рівнів.

Якщо невироджений газ знаходиться в умовах термодинамічної рівноваги, то розподіл атомів на різних енергетичних рівнях визначається законом Больцмана:

, (7.2)

- де n – число атомів, що знаходяться в стані з енергією Е;

n ₀ – стала, що залежить від властивостей газу;

k – стала Больцмана;

Т – температура.

З формули (7.2) видно, що чим більше енергія рівня, тим менше його заселеність, тобто на кожному більш верхньому рівні знаходиться менше атомів, чим на більш нижньому . Отже, для посилення світлової хвилі необхідно створити активне середовище, тобто середовище з інверсною заселеністю енергетичних рівнів.

Будова лазера. У гелій-неоновому лазері таким активним середовищем є суміш гелію і неону при парціальному тиску 1мм рт. ст. і 0,1 мм рт. ст відповідно, яка заповнює газорозрядну трубку 1 (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Будова газового лазера

Між катодом 2 і анодом 3 трубки прикладається висока напруга 1-2 кВ, так що на електродах може підтримуватися тліючий електричний розряд.

Розглянемо тепер, як виникає інверсна заселеність енергетичних рівнів атома неону. На рис. 7.2 приведена схема деяких енергетичних рівнів атомів гелію і неону, що безпосередньо беруть участь у формуванні активного середовища.

Рис. 7.2. Схема деяких енергетичних рівней атомів гелію та неону

Електричне поле в газорозрядній трубці прискорює електрони, які при зіткненні з атомами гелію збуджують їх у стан . Це метастабільний стан, час життя в якому складає 10^-3 с, тобто значно більше, ніж час життя атома в збудженому неметастабільному стані (10^-8с). У таких станах атоми перебувають доти, поки якийсь зовнішній вплив не змусить їх вийти з цього стану.

У результаті взаємодії з електронами на цьому метастабільному рівні накопичується дуже багато атомів гелію. Але рівень гелію енергетично дуже близький до збудженого рівня неону (цим і пояснюється вибір суміші гелію саме з неоном). Завдяки цьому, метастабільні атоми гелію при зіткненнях з незбудженими атомами неону передають останнім енергію, необхідну для переведення їх у збуджений стан , а самі атоми гелію здійснюють безвипромінювальні переходи в незбуджений стан (). Цей процес збудження атомів неону на рис. 7.2 символічно зображений горизонтальною стрілкою. У результаті таких переходів концентрація атомів неону на рівні сильно зростає і виникає інверсна заселеність стосовно рівня , що є необхідним для генерації лазерного випромінювання.

Таким чином, у даному лазері генерується випромінювання з довжиною хвилі λ= 6328 Å, що відповідає переходу атомів неону з рівня на рівень (перехід 3s®2р).

Цікаво розглянути також вплив зіткнень атомів неону зі стінками трубки. Такі зіткнення практично не впливають на заселеність рівнів і , тому що ці рівні є короткочасними. За час життя в збуджених станах на цих рівнях атоми неону практично не встигають доходити до стінок трубки. Навпроти, на рівні , що є метастабільним, збуджені атоми живуть довго, підкоряючись в цих станах численним зіткненням зі стінками трубки. У результаті цих зіткнень атоми неону переходять з рівня на рівень , а відповідно, атоми з рівня - на рівень , що ще більше збільшує різницю заселеності рівнів і , а отже, підвищує ефективність роботи лазера. Процес звільнення рівня відбувається найбільш ефективно при деякому оптимальному діаметрі трубки. Досліди показали, що максимальна потужність гелій-неонового лазера досягається при діаметрі трубки ~7 мм. При більших діаметрах потужність лазера падає, незважаючи на сильне збільшення об’єму робочого газу. Це зв'язано з тим, що ефективне звільнення рівня відбувається в атомів, що знаходяться поблизу стінок трубки, а атоми, що перебувають поблизу її центра, практично виключаються з процесу генерації.

За яких же умов вказане посилення світлової хвилі приведе до утворення могутнього лазерного променя? Масове (лавиноподібне) зростання числа фотонів hν забезпечується тим, що розрядна трубка поміщається в дзеркальний резонатор, створений дзеркалами 4, 5 (див. рис. 7.1). Дзеркала мають коефіцієнт віддзеркалення для випромінювання, на якому працює лазер, 98...99 %, коефіцієнт пропускання світла одним дзеркалом складає 0,1 %, іншим (через яке виходить назовні лазерний промінь) - близько 2 %. Цього достатньо для виходу з лазера могутнього пучка. Відстань між дзеркалами підбирається рівною цілому числу напівхвиль, тоді в проміжку між дзеркалами утворюється стояча хвиля (резонанс).

Багатократне проходження випромінювання уздовж осі розрядної трубки приводить до формування могутнього потоку індукованого направленого випромінювання. Дійсно, випромінювання, яке розповсюджується навіть під невеликим кутом до осі резонатора, після багатократного проходження розрядної трубки відхиляється все більше від її осі і вийде з трубки через бічні стінки (рис.7.3). Отже, посилюється тільки осьовий пучок.

Рис. 7.3 Дзеркальний резонатор

Розрядна трубка замкнута з торців плоскопаралельними скляними пластинами (вікнами) 6 (див. рис. 7.1), розташованими під кутом Брюстера до вісі трубки. Тому випромінювання неону, поляризоване в площині падіння на вікна, проходить через ці вікна без втрат на віддзеркалення (оскільки відбитим під кутом Брюстера може бути тільки світло, поляризоване перпендикулярно до площини падіння). З іншої сторони, використання скляних вікон, розташованих під кутом Брюстера до вісі трубки, призводить до лінійної поляризації лазерного випромінювання.

Одне з дзеркал 4 резонатора є увігнутим сферичним, причому центр кривизни дзеркала лежить на поверхні іншого, плоского дзеркала 5, що при значній відстані між дзеркалами забезпечує гостронаправленість індукованого випромінювання уздовж вісі розрядної трубки.

В даній лабораторній роботі пропонується виміряти кут розбіжності і розподіл енергії в пучку, який генерується гелій-неоновим лазером типу ЛГН-109. За кут розбіжності приймається тілесний кут w, в якому розповсюджується найбільша частка випромінювання. Якщо пучок має форму конуса, а відповідний плоский кут q менше 60°, то з достатньою точністю можна записати:

, (7.3)

- де q - вимірюється в радіанах; w - в стерадіанах.

Кут розбіжності лазерного променя визначається дифракцією його випромінювання на вихідному отворі резонатора. Кут розбіжності можна визначити фотоелектричним способом (рис. 7.4) або (більш грубо) візуально.

Рис.7.4. Геометрична схема для визначення кута розходження пучка

Якщо розмістити екран перпендикулярно до вісі пучка спочатку на відстані L ₁, а потім на відстані L ₂ і визначити діаметри d₁ і d₂ пучка на рівні половинної інтенсивності, то, як видно з рис. 7. 4:

. (7.4)

Візуальне визначення рівня половинної інтенсивності пучка є неточним, тому доцільно виміряти діаметри d₁ і d₂ фотометричним способом, який дозволяє одночасно дослідити і розподіл енергії в пучку.

Вимірювання та обробка результатів.

Принципова схема вимірювальної установки представлена на рис. 7.5. На цій схемі С - стабілізатор струму, призначений для живлення лазеру типу ЛГН-109; Ф - фотоприймач у вигляді фотоелемента, підключеного до індикатора I. Перед фотоприймачем розташовується діафрагма Д з отвором, діаметр якого не перевищує 1 мм. Фотоприймач з діафрагмою закріплений на пристрої, який за допомогою двох мікроскопічних гвинтів М може переміщатися у вертикальному і горизонтальному напрямах.

Розрядна трубка і її дзеркала оптичного резонатора, зображені на рис. 7.1, знаходяться в газовому лазері ЛГН-109 в захисному металевому кожусі, який має отвір для вентиляції. Вихід лазерного пучка здійснюється із сторони частково прозорого плоского дзеркала 5.

Електронний стабілізатор струму призначений для живлення розрядної трубки. На передній планці цього приладу розміщений: кіловольтметр, міліамперметр, які виміряють відповідно високу напругу і розрядний струм на розрядній трубці; регулятор напруги; кнопка "Поджиг"; два тумблери "СЕТЬ" і "высокое напряжение"; дві неонові лампочки.

Д

І

М

С

Рис. 7.5. Схема розміщення лазеру і приймача світла

ЛГН-109 характеризується наступними параметрами: потужність випромінювання 25 мВт, кутова розбіжність променя (на рівні половинної інтенсивності) не більше 10.

При виконанні лабораторної роботи необхідно звернути увагу на те, що попадання в око прямого лазерного випромінювання небезпечно для зору! Будь-яке переміщення лазера у включеному стані категорично забороняється.

1. Ознайомитися з пристроєм ЛГН-109: елементами управління, сигналізації і регулювання стабілізатора струму, встановленими на його передній і задній панелі.

2. Підготувати ЛГН-109 до роботи: перевірити, чи немає механічних пошкоджень високовольтного кабелю і мережного шнура стабілізатора струму, заземлити стабілізатор струму, підключити високовольтний кабель до роз'єднувача ЛГН-109 і стабілізатора струму, поставити ручку "регулятор тока нагрузки" в крайнє ліве положення.

3. Включення ЛГН-109 проводити в такій послідовності:

а) ручку "регулятор напряжения" поставити в крайнє ліве положення;

б)включити вилку мережного шнура стабілізатора струму в мережну

розетку;

в) перевести тумблер "СЕТЬ" у верхнє положення;

г) через 3 хвилини включити тумблер "высокое напряжение";

д) ручкою "регулятор напряжения" виставити напругу 2,5 кВ;

е) натиснути кнопку "поджиг" - лазер працює.

4. Ознайомитися з порядком вимкнення лазера:

а) вимкнути тумблер "высокое напряжение";

б) вимкнути тумблер "СЕТЬ".

5. Розмістити прилади і зібрати електричний ланцюг відповідно до схеми на рис. 7.5.

6. Включити лазер.

7. Розмістити екран на відстані 4...10 см, потім повторити дослід при L=500см від вихідного отвору лазера й візуально, користуючись лінійкою або штангенциркулем, визначити діаметри пучка для половинної інтенсивності в двох крайніх положеннях екрану.

8. По формулах (7.3), (7.4) обчислити кут розбіжності пучка q та w.

9. Домогтися того, щоб отвір діафрагми фотоприймача знаходився по центру світлової плями від лазерного пучка. Для цього мікрометричним пристроєм, який пересуває отвір діафрагми по горизонталі, пересунути отвір на край світлової плями (при цьому стрілка або зайчик індикатора встановиться на нуль). Потім пересунути отвір іншим мікрометричним пристроєм по вертикалі на декілька мм. Якщо при цьому з'являються показники індикатора, то знову звести їх до нуля першим мікрометром і т.д. Так можна виставити отвір на діаметр світлової плями, після чого пересувати отвір необхідно тільки одним мікрометричним пристроєм.

10. Виміряти розподіл енергії пучка по його перетину шляхом реєстрації показників індикатора I (гальванометра) при переміщенні фотоприймача Ф щодо вісі пучка одним з мікрометричних пристроїв.

11. Розподіл енергії пучка знайти для двох положень фотоприймача на відстані L ₁ = 10 см, L ₂ = 500 см.

12. Побудувати графіки розподілу енергії пучка по перетину: по вісі абсцис відкласти координату Х_k отвору діафрагми (вимірюється мікрометричним пристроєм), по осі ординат відповідні показники I_k гальванометра I, які пропорційні інтенсивності світла.

13. Вимкнути прилади.

Контрольні питання.

1. Дати поняття спонтанного і вимушеного випромінювання. Чим вони відрізняються?

2. Розкрити сутність понять: монохроматичні, когерентні, гостронаправлені, поляризовані світлові пучки.

3. Що називається активною середою чи середою з інверсною заселеністю енергетичних рівней?

4. Дати визначення виродженого і невиродженого електронного газу.

5. В якому випадку розподіл електронів по енергетичних рівнях за статистикою Фермі-Дірака переходить у розподіл Больцмана?

6. Яким чином утворюється активна середа у гелій-неоновому лазері?

7. Розповісти про будову гелій-неонового лазеру.

8. Чому дорівнює енергія світлових квантів, що генеруються гелій-неоновим лазером? До якого діапазону належить випромінювання, що генерується?

9. Яку роль в ефективності роботи лазера відіграють стінки газорозрядної трубки?+

10. Яким чином домагаються могутнього гостронаправленого, поляризованого лазерного променя?

11. Розкрити сутність методу визначення кута розбіжності та розподілу енергії лазерного пучка у даній роботі.