| ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА | LEP2.6.07-01 |
Цель работы. Изучение работы гелий – неонового лазера и исследование физических свойств лазерного излучения.
Оборудование. В комплект экспериментальной установки (рис.1) входят: гелий-неоновый лазер; поляризатор; дифракционная решетка; фотоэлемент с щелевой диафрагмой, установленный на платформе и перемещаемый микрометром; мультиметр; экран.
Рис.1. Внешний вид экспериментальной установки.
Краткая теория
Лазеры или оптические квантовые генераторы (ОКГ) – это современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств.
-3 -
Одним из самых распространенных в настоящее время является гелий – неоновый лазер, созданный в 1961 г. А. Джаваном (США). Чтобы понять принцип работы лазера, необходимо рассмотреть несколько ключевых вопросов.
Процессы поглощения и излучения атомами квантов света. Согласно теории Бора атом в стационарном состоянии может находиться бесконечно долго, при этом он не поглощает и не излучает энергию. В этом состоянии атом обладает минимальной энергией En. Под действием внешних возмущений (соударения, поглощение кванта энергии и т. д.) атом переходит в возбужденное состояние с энергией Em. Возбужденный атом пребывает в этом состоянии примерно 10–8 с, после этого он самопроизвольно переходит в стационарное состояние, испуская квант света, частоту которого можно определить из постулата Бора:
(1)
где Em и En – энергия атома в двух его состояниях, h-постоянная Планка.
Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10–3 с. Такие уровни назы-ваются метастабильными. При спонтанном переходе характе-ристики излученного фотона (направление распространения, поляризация, фаза) произвольные.
Однако переходы между энергетическими уровнями атома не всегда связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными.
- 4 -
В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода (1). Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным. Вынужденное излучение принципиально отличается от спонтанного излучения. При индуцированном переходе атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у волны, вызвавшей этот переход. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. Индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.
На рис. 2 схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта света.
Рис.2. Условное изображение процессов: (а) - поглощения; (b) - спонтанного излучения; (с) - индуцированного излучения кванта.
Чтобы создать активную среду, в которой были бы возможны индуцированные переходы необходимо создать условия, при которых на более высоких энергетических уровнях находилось больше атомов, чем на стационарных. Такое распределение
- 5 -
атомов по энергетическим состояниям называется инверсным. На возможность создания таких сред впервые в 1939 г. теоретически показал советский физик . В естественных условиях нижние энергетические уровни заселены более плотно, чем верхние, а число атомов N, находящихся в состоянии с энергией Е описывается распределением Больцмана:
, (2)
где k - постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, С – константа, зависящая от природы вещества.
С учетом (2) для инверсных сред должно выполнятся условие
,
где: En, Em – энергия атомов на энергетических уровнях n и m, причем En< Em; Nn, Nm – число атомов на уровнях n и m (Nn< Nm). Механизм создания инверсной населенности лазерного перехода в гелий-неоновом лазере можно рассмотреть с помощью упро-щенной схемы энергетических уровней гелия и неона (рис.3).
Активным газом, на котором в непрерывном режиме возникает генерация на длине волны l0= 632,8 нм, является неон. Гелий участвует в механизме создания инверсной населенности одного из верхних уровней неона.
Накачка лазерного перехода E4 → E3 в неоне осуществляется следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде вследствие соударений с электронами значительная часть атомов гелия переходит в верхнее метастабильное состояния E2.
- 6 -
Рис.3. Механизм накачки He–Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона
Возбужденные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию. Уровень E4 неона расположен на 0,05 эВ выше метастабильного уровня E2 гелия. Недостаток энергии компенси-руется за счет кинетической энергии соударяющихся атомов. На уровне E4 неона возникает инверсная населенность по отноше-нию к уровню E3, который сильно обедняется за счет спонтанных переходов на ниже расположенные уровни, в частности на уровень Е2. Опустошение уровня E2 неона, происходит при соударениях атомов со стенками газоразрядной трубки. При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов.
- 5 -
В гелий – неоновом лазере активная среда заключена в стеклянной трубке, торцы которой закрыты плоскопараллельны-ми пластинами под углом Брюстера (рис.4). Давление гелия в трубке примерно равно 1 мм рт. ст., а давление неона – 0,1 мм рт. ст. При подключении к катоду 2 и аноду 3 высокого напряжения в трубке возникает электрический тлеющий разряд, благодаря которому обеспечивается инверсия активной среды.
При индуцированных переходах среда усиливает излучение. При этом необходимо, чтобы свет прошел как можно больший путь через активную среду и вызвал лавинообразное нарастание индуцированных переходов. Это достигается с помощью оптического резонатора, состоящего из двух высоко-отражающих зеркал, расположенных в параллельных плоскостях по обе стороны активной среды (на рис.4 зеркала 4 и 5).
Рис. 4. Схема гелий-неонового лазера: 1 – стеклянная трубка со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0,1 %; 5 – сферическое зеркало с пропуска-нием 1–2 % .
Расстояние между зеркалами L должно быть равно целому числу полуволн, т. е. 
где n=1,2,3…
С волновой точки зрения, действие резонатора сводится к тому, что индуцированное излучение, распространяющееся в противоположных направлениях в виде падающих и отраженных
- 6 -
волн, интерферируют в нем, образуя стоячие волны с непрерывно возрастающей амплитудой. Рост амплитуды продолжается до значения, при котором полупрозрачное зеркало 5 начнет пропускать излучение. С точки зрения квантовой теории между зеркалами наблюдается лавинообразное нарастание идентичных фотонов, имеющих одинаковую поляризацию (благодаря торцевым пластинам, установленных под углом Брюстера) и распространяющихся вдоль осевой линии трубки (рис.5).
Рис.5. Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере.
Фотоны, распространяющиеся под некоторым углом к осевой линии или имеющие произвольную поляризацию, отсеиваются и не участвуют в усилении света.
Таким образом, оптический резонатор выделяет излучение строго определенной длины волны, имеющее определенную поляризацию и узкую направленность.
Гелий-неоновый лазер используется при юстировочных и нивелировочных работах (шахтные работы, кораблестроение, строительство больших сооружений). Гелий-неоновый лазер широко применяется в оптической связи и локации, в голографии и в квантовых гироскопах.
- 7 -
Выполнение работы
Задание 1. Определение зависимости мощности излучения ОКГ от тока разряда.
1. Включите лазер.
2. Установите на оптической скамье фотодиод так, чтобы лазерное излучение попадало на фотоприемную часть фотоэлемента.
3. Изменяя ток разряда от 4,5 до 7,0 мА через 0,2 мА снимите зависимость мощности излучения от тока разряда Ризл= f(I).
4. Постройте график зависимости Ризл= f(I).
5. По графику определите ток накачки, соответствующий максимальной мощности излучения.
Задание 2. Определение степени поляризации ОКГ.
1. Между лазером и фотодиодом установите на оптическую скамью поляризатор. Запишите величину темнового фототока Iт. 2. Вращая поляризатор вокруг луча, запишите величину фототока, соответствующую максимальной 
и минимальной
интен-сивности света. С учетом темнового фототока эти значения соответственно равны:
3. Вычислите степень поляризации лазерного излучения по формуле 
. . 4. Установите плоскость поляризации лазерного луча.
Задание 3. Определение угла расхождения луча ОКГ.
1. Установите на оптическую скамью фотоэлемент, а на фотоэлемент – щелевую диафрагму. . 2. Перемещая фотоэлемент с помощью микрометра поперек луча, снимите зависимость фототока от числа делений микро-метра I=f(n).
- 8-
3. Постройте график зависимости I=f(n) и по уровню половинной интенсивности определите диаметр луча Д1.
4. Установите фотоэлемент на расстоянии L=50 см. от первоначального положения и повторив пункты 2,3 определите диаметр луча Д2.
5. По формуле 
определите угол расхождения лазерного луча.
Задание 4. Определение длины волны лазерного излучения.
1. Вместо фотоэлемента установите на оптической скамье экран, а на расстоянии L » 30 см от экрана дифракционную решетку. 2. Измерьте расстояние Dх между максимумами нулевого и первого порядков. . 3. Повторите пункт 2 минимум для пяти расстояний L. Расстояние L уменьшать на ~5 см. . 4. Результаты измерений занесите в таблицу.
L, мм | |||||||||
Dх, мм |
4. Постройте зависимость Dх(L). По графику определите угол j, соответствующий направлению на первый максимум j=arctg(Dх/L). 5. Определите длину света лазерного излучения по формуле
6. Сравните вычисленное значение l с табличным l0 и оцените погрешность по формуле ε = |l0 – l|/l0.
- 9 -
Контрольные вопросы
1. Каков механизм возбуждения атома и спонтанного излучения?
2. Каков механизм вынужденных (индуцированных) переходов в атомных системах?
3. Чем отличаются характеристики фотонов при индуцирован-ных и спонтанных излучениях?
4. Как в гелий-неоновом лазере создается инверсная населен-ность уровней?
5. Какую роль в гелий-неоновом лазере выполняет оптический резонатор?
6. Перечислите характерные свойства лазерного излучения
Рекомендуемая литература
1. Савельев физики. Т3. М.: Наука.1989. §§ 32, 33.
2. Трофимова физики. М.: Высшая школа. 2003.
§§ 232, 233.
3. сновы современной физики. М.: Просвещение, 1981.
4. Инструкция по эксплуатации оборудования фирмы “PHYWE”.
Техника безопасности
Категорически запрещается: касаться поверхностей зеркал оптического резонатора и выходных окон лазерной трубки; прямого попадания лазерного излучения в глаза.
- 10 -
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ФИЗИКИ
Лаборатория
«Инновационные технологии обучения физике и КСЕ»
Изучение работы гелий-неонового лазера
Методические указания к лабораторной работе № О-5
Ростов-на-Дону
2011
Составители: , ,
УДК 530.1
Изучение работы гелий-неонового лазера. Метод. указания / Издательский центр ДГТУ. Ростов-на-Дону. 2011. 12с
Методические указания предназначены для организации самостоятельной работы студентов при подготовке к лабораторному практикуму на оборудовании фирмы «PHYWE» и рейтинговому контролю.
Печатается по решению методической комиссии факультета
«Нанотехнологии и композиционные материалы»
Научный редактор: проф., д. т.н.
© Издательский центр ДГТУ, 2011
