Лабораторная работа 508

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра “Экспериментальная физика”
Лабораторная работа №508
ЛАЗЕР
Методические указания
Волгоград 2003
УДК 53 (075.5)
Лазер: лабораторная работа № 508:
Методические
указания
/Сост.
В.Е.
Аввакумов,
Свежинцев
Е.Н.;
Волгоградский государственный технический университет. - Волгоград,
2003. - 18 с.
Методические указания содержат основные сведения и рекомендации по
выполнению лабораторной работы №508, представленной в практикуме
кафедры “Экспериментальная физика” Волгоградского государственного
технического университета. Предназначены для студентов всех форм
обучения.
Табл. 3.
Библиогр.- 4 назв.
Ил. 8.
Рецензент: Барашков Б.И.
© Волгоградский
государственный
технический
университет, 2003
508. ЛАЗЕР
508.1. Цель работы
Ознакомление с принципом действия гелий-неонового оптического
квантового генератора (ОКГ) и изучение некоторых характеристик лазерного
излучения.
508.2. Содержание работы
Принцип действия лазеров основан на явлении
(индуцированного) излучения атомами вещества /1,3/.
вынужденного
Атомы вещества могут находится только в квантовых состояниях с
дискретными значениями энергии E1, E2, … . Переходы между этими
энергетическими
состояниями
сопровождаются
испусканием
или
поглощением энергии. При этом эти переходы могут быть как спонтанными
(самопроизвольными), так и вынужденными.
Спонтанное
излучение
обусловлено
внутренними
свойствами
возбужденного атома и не зависит от внешнего воздействия. При переходе из
состояния с большей энергией E2 в состояние с меньшей энергией E1
испускается фотон с энергией hν= E2-E1 (рис. 508.1а). Спонтанные переходы
являются случайными, хаотическими.
Рис. 508.1
Если атом находится в невозбужденном состоянии с энергией E1, то под
воздействием внешнего излучения возможен вынужденный переход его в
возбужденное состояние с большей энергией E2. при этом поглощается фотон
энергия которого удовлетворяет условию hν = E2-E1 (рис. 508.1б).
Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии с энергией E2,
действует внешнее излучение с частотой ν = (E2-E1)/h, то может произойти
вынужденный переход атома в невозбужденное состояние с меньшей
энергией E1. При этом происходит излучение фотона той же энергии hν = E2-E1
(рис. 508.1в). Возникающее
называется вынужденным.
в
результате
таких
переходов
излучение
Вынужденное излучение обладает рядом важных свойств. Во первых,
направление его распространения в точности совпадает с направлением
распространения вынуждающего излучения, т. е. излучения вызвавшего
переход. Во вторых, для вынужденного излучения и вынуждающего излучения
точно совпадают такие характеристики как частота, фаза и плоскость
поляризации. Следовательно, вынужденное и вынуждающее излучения строго
когерентны. Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе
принципа работы усилителей и генераторов света, называемых лазерами.
Как было отмечено ранее, воздействующий на вещество свет с частотой
ν, совпадающей с частотой, соответствующей переходу E2→E1, будет вызывать
два процесса: 1) вынужденный переход 1→2; 2) вынужденный переход 2→1.
Первый процесс приводит к поглощению света и ослаблению падающего
светового пучка, второй – к увеличению интенсивности падающего светового
пучка. Результирующее изменение интенсивности падающего светового пучка
зависит от того, какой из этих процессов преобладает.
В случае термодинамического равновесия распределение атомов по
различным энергетическим состояниям определяется законом Больцмана
Ni 
Ne Ei
e
kT
 E j kT
 Ce Ei
kT
,
(508.1)
j
где N - полное число атомов, Ni - число атомов, находящихся при
температуре Т в состоянии с энергией Ei. Отсюда следует, что с увеличением
энергии состояния населенность уровня, т. е. количество атомов в данном
состоянии, уменьшается (рис. 508.2а).
Рис. 508.2
Число переходов между двумя уровнями пропорционально
населенности исходного уровня. Следовательно, в системе атомов,
находящихся в термодинамическом равновесии, поглощение падающей
световой волны будет преобладать над вынужденный излучением, в
результате чего падающая волна при прохождении через вещество будет
ослабляться.
Чтобы получить усиление падающей волны, нужно "обратить"
населенность энергетических уровней, т. е. сделать так, чтобы в состоянии с
большей энергией E2 находилось большее число атомов, чем в состоянии с
меньшей энергией Е1 (рис. 508.2б). Такие состояния называются состояниями
с инверсией населенности. Среды, в которых создана инверсия населенности,
обладают рядом необычных свойств. Рассмотрим некоторые из них.
Согласно формуле (508.1)
N2
(508.2)
 e  ( E 2  E1 ) / kT .
N1
N
В случае с инверсией населенности 2  1 при E2-E1 > 0. Распространяя
N1
формально на этот случай распределение Больцмана (508.1), мы получим для
Т отрицательное значение. Поэтому, состояния с инверсной населенностью
называют состояниями с отрицательной температурой.
Изменение интенсивности света при прохождении через поглощающую
среду описывается законом Бугера:
I  I 0 e  æ .
(508.3)
В веществе с инверсной населенностью энергетических уровней
вынужденное излучение может превысить поглощение света атомами,
вследствие чего падающий пучок света при прохождении через вещество
будет усиливаться. В этом, случае, явление протекает так, как если бы
коэффициент поглощения æ в формуле (508.3) стал отрицательным.
Соответственно совокупность атомов с инверсной населенностью можно
рассматривать как среду с отрицательным показателем поглощения.
Итак, мы установили, что в средах с инверсной населенностью
вынужденное излучение может превышать поглощение, поэтому падающий
пучок света при прохождении через такую среду будет усиливаться.
Процесс создания такого состояния вещества называют накачкой,
которую можно осуществить оптическим, электрическим и другими
способами. Среды, в которых создана инверсная населенность, называют
активными.
Источники света, работающие на основе эффекта вынужденного излучения
в активной среде с инверсной населенностью энергетических уровней, называют
оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) или лазерами /1-3/.
В конструкцию любого лазера обязательно входят следующие элементы:
1) активная среда, в которой создается состояния с инверсной населенностью;
2) система накачки (устройство необходимое для создания инверсной
населенности в активной среде); оптический резонатор (устройство, выделяющее
в пространстве избирательное направление пучка фотонов и формирующее
выходящий световой поток). Принципиальная схема устройства лазера
изображена на рис. 508.3.
Состояние с инверсией населенностей в активной среде 1 создается
источником энергии 2. Усиление возникшего светового пучка нарастает по
мера увеличения длины пути луча в активное среде. Для этого активную
среду помещают между двумя зеркалами 3 и 4, образующими резонатор.
Рис. 508.3.
Световой пучок, распространяясь между зеркалами, вовлекает в
процесс вынужденного излучения всё большее число атомов активной среды.
Часть его выходит через полупрозрачное зеркало 4 и используется в качестве
рабочего луча лазера.
Излучение лазеров отличается рядом особенностей. Для него
характерны : I) строгая монохроматичность {Δλ<10-11 м); высокая временная
и пространственная когерентность; 3) большая интенсивность (мощность) и
4) высокая направленность излучения.
Так как вынужденное излучение атомов активной среды лазера
тождественно вынуждающей электромагнитной волне в резонаторе, то, в
конечном счете, в резонаторе сохраняется лишь волна определенной частоты
с высокой степенью монохроматичности.
Рис. 508.4
Увеличение монохроматичности также связано с неравномерностью
усиления в пределах контура спектральной линии (см. рис. 508.4). На
рисунке проведена горизонтальная прямая АА, фиксирующая уровень
потерь. Часть кривой, оказывающаяся над прямой АА, определяет так
называемую линию усиления (на рисунке она заштрихована). Более
интенсивное излучение в максимуме линии, вследствие резонансного
характера процесса, вызывает большее число вынужденных переходов, т.е.
излучение в центре усиливается в большей степени, чем у её краев. В данной
работе для изучения монохроматичности (определения длины волны)
лазерного излечения используют явление дифракции /2,4/.
Лазерное излучение образуется в результате согласованного
вынужденного излучения света во всем объёме активного вещества. Поэтому
разность фаз колебаний световой волны для любой пары точек в сечении
пучка остается постоянной во времени и излучение лазера оказывается
когерентным.
При многократном отражении от зеркал в резонаторе устанавливается
достаточно мощная волна, направленная перпендикулярно зеркалам. Волны
других направлений, после нескольких отражений выходят из резонатора
через боковую поверхность активной среды /3/. В данной работе узкая
направленность оценивается углом расхождения лазерного луча.
Излучение
лазера
в
большинстве
случаев
оказывается
плоскополяризованным. Поляризация обусловлена выделением в резонаторе
преимущественного направления колебаний электрического вектора волны.
Для уменьшения потерь при отражениях граничные поверхности активной
среды выполняются под углом Брюстера к ее оси. Это сводит к минимуму
потери при отражениях для волн, электрический вектор которых лежит в
плоскости падения, что приводит к линейной поляризации излучения на
выходе из лазера.
В настоящей работе изучается газовый лазер с активной излучающей
средой на смеси неона (Ne) и гелия (He) {He:Ne=10:1}. . Давление газовой
смеси порядка 1 мм рт. ст.; парциальное давление гелия в 10 раз больше
давления неона. Для возбуждения активной среды в гелий-неоновом лазере
используется стационарный тлеющий разряд, возбуждаемый постоянным
током. Рабочим веществом являются нейтральные атомы неона.
Энергетическая схема рабочих уровней He-Ne лазера представлена на
рис. 508.5а. В левой половине рисунка представлены переходы в атомах
гелия, а в правой - в атомах неона. Состояния атома неона представлены
энергетическими полосами, которые условно обозначают как 1s
(электронная конфигурация 2p53s), 2s
(конфигурация 2p54s), 3s
(конфигурация 2p55s), 2р (конфигурация 2р53р), 3р (конфигурация 2р54р).
Каждая s-полоса состоит из четырех уровней (четыре терма), а каждая
р-полоса - из десяти уровней. Роль верхних рабочих ровней играют
полосы 3s и 2s, а роль нижних рабочих уровней - полосы 3р и 2р. Основные
рабочие переходы: 3s→3p (3,39 мкм),2s→2р (1,15 мкм), 3s→2p (0,63 мкм красная линия).
Упрощенная энергетическая схема рабочих уровней – на рис. 508.5б.
При прохождении электрического разряда через газовую смесь часть атомов
Ne переходит с основного уровня энергии Е1 на возбужденный верхний
уровень энергии Е3 (рис. 508.5б). В чистом Ne время жизни на уровне E3
мало, атомы быстро переходят с него на уровни E1 и E2, что препятствует
созданию достаточно высокой инверсии населенностей для пары уровней E2
и E3. примесь He все изменяет.
Первый возбуждений уровень атома Не совпадает с верхним уровнем
E3 неона. Поэтому при столкновении возбужденных электронным ударом
атомов Не с невозбужденными атомами Ne (с энергией E1) происходит
передача энергии, в результате чего атомы Ne будут переходить на уровень
E3, а атомы Ηе возвратятся в основное состояние. При достаточно большом
числе атомов Не в газовой смеси можно добиться преимущественного
заселения уровня E3 неона. Этому же способствует опустошение
Рис.508.5
уровня E2 неона, происходящее при соударениях со стенками газоразрядной
трубки, при которых атомы теряют энергию и переходят на уровень E1.
Уровни неона E2 и E3 обладают сложной структурой, т.е. состоят из
множества подуровней (см. рис. 508.4а). Поэтому гелий-неоновый лазер
может работать на 30 длинах волн в области видимого света у инфракрасного
излучения. Мощность генерации гелий-неонового лазера невелика (порядка
десятых долей ватта), но высокая монохроматичность и направленность
излучения, простота устройства обусловили их широкое применение / 1,2/.
508.3. Описание лабораторной установки.
Лабораторная установка (рис,508.6) представляет собой газовый Не-Ne
лазер 1, который установлен на оптической скамье 2. Блок питания 3 лазера
расположен отдельно. Рейтер 4 несет горизонтальный столик 5, на который в
ходе выполнения работы устанавливают следующие детали: дифракционную
решетку 6; экран 7; поляроид 8, вращение которого осуществляется рычагом
9; фотодиод 10. Микроамперметром 11 измеряется ток в цепи фотодиода.
Стационарный экран 12 должен быть расположен на расстоянии не менее
1,2 м от лазера.
Рис. 508.6
508.4. Методика проведения эксперимента и обработка результатов
измерений
508.4.1. Методика эксперимента
508.4.1.1. Отделение длины волны излучения лазера.
После прохождения через дифракционную решетку лазерного луча на
экране возникает дифракционная картина /2,4/, которая представляет собой
совокупность световых (красных) пятен, соответствующих главным
дифракционным максимумам нулевого, первого, второго и т.д. порядков
(рис. 508.7).
Длина волны излучения определяется из условия главных дифракционных
максимумов
d sin   k .
(508.4)
d - постоянная дифракционной решетки,
φ - угол дифракции,
к - порядок дифракционного спектра,
λ – длина волны.
Рис. 508.7
Угол дифракции вычисляется по формуле
h
(508.5)
  arctg ,
l
где l - расстояние между экраном и дифракционной решеткой,
hi - расстояние между нулевым и i-ым максимумами (i=1,2,…).
508.4.1.2. Оценка направленности излучения лазера.
Малое угловое расхождение лазерного луча можно оценить, помещая экраны
на разных расстояниях от лазера (рис. 508.8).
Рис. 508.8
Измерив расстояние l между экранами и диаметры D световых пятен экранах,
можно определить угловое расхождение светового на по формуле
D  D2
.
(508.6)
  arctg 1
2l
508.4.1.3. Наблюдение и подтверждение линейной поляризации
излучение лазера.
Помещая в пучке излучения лазера поляроид и вращая его вокруг оси
пучка, можно полностью погасить или полностью пропустить свет. Это
говорит о том, что излучение лазера линейно поляризовано. Поместив, за
поляроидом фотоэлемент, можно измерить силу фототока i для каждой
ориентации поляроида и построить график i = f(φ). Этот график дает
зависимость интенсивности света J, прошедшего через поляроид, от угла
поворота поляроида, т.к. J~i. Доказательством линейной поляризации
излучения лазера служит соответствие полученного графика закону
Малюса /2,4/
J  J 0 cos 2  .
(508.7)
508.4.2. Порядок выполнения работы.
ВНИМАНИЕ!!! При работе с лазером помните, что попадание в
глаза прямого лазерного излучения опасно для зрения. Перед включением
установки ознакомьтесь с информацией на лабораторном столе. Включение
лазера производите только в присутствии преподавателя или лаборанта.
Включите в сеть блок питания 3 (см. рис.508.6). Тумблер "сеть" на
блоке питания поставьте в положение "вкл.". Дождитесь появления яркого
пятна на экране 12. Через 3-5 минут лазер готов к работе.
508.4.2.1. Определение длины волны излучения лазера.
1) Установите рейтер 4 на расстояние 0,9-1,1 м от экрана 12 (см. рис. 508.6).
Для этого, отпустив зажимной винт рейтера, плавно переместите рейтер
вдоль оптической скамьи и установите по указателю нужное положение.
Закрепите рейтер винтом.
2) На столик 5 установите дифракционную решетку 6. Выведите световое
пятно в центр дифракционной решетки. На экране 12 возникнет
дифракционная картина с ярким нулевым максимумом.
3) Измерьте расстояние между дифракционными максимумами первого и
второго порядков 2h1 и 2h2 (cм. рис. 508.7).
4) Переместите рейтер на 0,15-0,2 м ближе к экрану 12.
5) Измерьте 2h1 и 2h2 при новом положении дифракционной решетки.
6) Запишите результаты измерений и постоянную дифракционной решетки
d = 0,01 мм в таблицу 508.1.
7) Снимите со столика дифракционную решетку.
508.4.2.2. Оценка направленности излучения лазера.
1) Установите рейтер на расстоянии l =(0,8-0,9) м от экрана 12 (см.
рис. 508.6).
2) На столик 5 установите экран 7.
3) Приложите к экрану 7 листок бумаги и зарисуйте сечение пятна.
4) Уберите экран 7 и получите яркое пятно на экране 12. Приложите к экрану
12 листок бумаги и зарисуйте сечение пятна.
5) Измерьте диаметры пятен по своим рисункам по разным направлениям не
менее трех раз.
6) Занесите результаты измерений диаметров пятен D1 и D2 и расстояние l в
таблицу 508.2.
7) Снимите со столика экран 7.
508.4.2.3. Наблюдение и подтверждение линейной поляризации
излучение лазера.
1) Установите на столик 5 поляроид 8. За поляроидом на столик поместите
фотоэлемент 10 и подключите к нему микроамперметр 11. Убедитесь, что
лазерный луч после прохождения поляроида попадает на фотоэлемент.
2) Включите микроамперметр 11. Вращая поляроид рычагом 9, убедитесь,
что показание микроамперметра зависит от угла поворота поляроида вокруг
оси светового лучка.
3) Вращая поляроид рычагом 9, добейтесь минимального показания
микроамперметра Iф. Ток Iф возникает в результате фоновой засветки
фотоэлемента внешними источниками света (окна, лампы). Запишите
показание Iф в протокол.
4) Установите рычагом 9 поляроида в положение 0º. Определите ток
фотоэлемента I и занесите его в таблицу 508.3.
5) Повернув рычаг 9 на 5º, снимите новое показание тока. Производите
измерение тока через каждые 5º на интервале от 0º до 180º. Отсчёт угла φ
производите по шкале на диске крепления поляроида. Результаты измерений
занесите в таблицу 508.3.
.
6) Поставьте тумблер микроамперметра и тумблер "сеть" блока питания
лазера в положение “выкл”. Отключите блок питания от сети.
7) Снимите со столика поляроид и фотоэлемент.
508.4.3. Обработка результатов измерений.
1) Вычислите по формуле 508.5 углы дифракции для максимумов первого и
второго порядков.
2) По формуле 508.4 вычислите длину волны излучения лазера для тех же
максимумов.
3) Рассчитайте среднее значение длины волны.
4) Вычислите по формуле 508.6 угловое расхождение лазерного луча.
5) По значениям тока I и Iф рассчитайте величину тока I1 = I - Iф.
6) Постройте график зависимости силы фототока I1 от угла поворота φ
поляризатора вокруг оси лазерного пучка.
7) Сделайте вывод о характере поляризации лазерного излучения.
d, мм
l, мм
k
h, мм
φ, град
sin φ
Таблица 508.1
λ, мм <λ>, мм
Таблица 508.2
l, мм
D1, мм
D2, мм
D3, мм
<D>, мм
α
1
2
Таблица 508.3
φ
0
5
10
15
…
180
I
I1
508.5. Перечень контрольных вопросов.
1) Что такое вынужденное излучение?
2) Объясните, что такое инверсная заселенность энергетических уровней и
как она достигается в смеси Не – Ne.
3) Почему для усиления проходящего через среду светового пучка
необходима инверсная заселенность энергетических уровней.
4) нарисуйте принципиальную схему лазера и расскажите принцип его
действия.
5) Нарисуйте схему энергетических уровней лазера на смеси Не – Ne,
расскажите о возможных переходах между уровнями.
6) Нарисуйте схему энергетических уровней рубинового лазера и расскажите
о возможных переходах между уровнями.
7) Объясните монохроматичность излучения лазера.
8) Объясните высокую направленность излучения лазера.
9) Объясните пространственную когерентность излучения лазера.
10) Объясните поляризацию излучения лазера.
11) Перечислите основные свойства лазерного излучения и укажите причины
их возникновения.
Список рекомендуемой литературы.
1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3.-М.: Наука, 1982, §42, 43.
2. Трофимов Т.И. Курс физики. Μ.: Высшая школа, 1985, § 232, 233.
3. 3игман Г.А., Тодес О.А. Курс общей физики. Т.З. И.: Наука, 1970, §53.
4. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2.-М.: Наука, 1982.