Задача 16. Лазер на смеси гелия и неона. (Задачи атомного практикума), страница 5

Из (55) следует, что для того, чтобы при данных условиях эксперимента (разряда, длины трубки)имела место генерация на переходе 2 → 1 , необходимо, чтобы инверсная населенность превышала пороговую (55), зависящую от R.Таким образом, применяя зеркала с различными диэлектрическимипокрытиями ( различными R ), можно на одной и той же трубке сосмесью гелия и неона наблюдать генерацию на различных длинахволн. Зеркала резонатора могут быть либо плоскими (как в интерферометре Фабри-Перо), либо сферическими, с радиусом кривизны,значительно превышающим длину резонатора, либо комбинациейтого и другого. Для газовых лазеров часто используют сферическиезеркала. Они имеют некоторые преимущества, в основном связанные с более простой их юстировкой по сравнению с плоскими. Приюстировке зеркала выставляются соосно, что увеличивает эффек-2В настоящее время генерация получена более, чем на 30 линияхнеона, лежащих в диапазоне 0,7 – 5,4 мкм.30тивный коэффициент отражения зеркал и, следовательно, уменьшаетпороговую инверсию.Выше отмечали, что в гелий - неоновом лазере протекает рядсложных процессов возбуждения и релаксации (переходы возбужденных атомов на более низкие энергетические уровни).

В силу этого гелий - неоновый лазер эффективно работает только при вполнеопределенных условиях - внутреннем диаметре газоразрядной трубки ( ≈ 2 мм), плотности тока разряда, давления неона ( P ≈ 0,1 ммNeрт.ст.) и отношении давления гелия к давлению неона( P / P ≈ 5 − 10 ).Требование оптимального внутреннего диаHe Ne5метра газоразрядной трубки возникает из-за того, что нижние 2p 3sсостояния атома неона метастабильны; из этих состояний атом неона6 1может перейти в основное 2p S0 состояние только при столкновении со стенкой трубки, на которую он попадает в результатедиффузии.

При увеличении диаметра трубки растет время диффу5зии (уменьшается вероятность распада 2p 3s уровня), что может5привести к резкому увеличению населенности 2p 3s уровней и, следовательно, к росту населенности (вследствие радиационного захва55та излучения 2p 3s → 2p 3p ) нижних рабочих лазерных уровней2p53p. Это, в свою очередь, может привести к уменьшению инверсной населенности.При очень маленьких диаметрах трубки возникают значительные потери из-за дифракции и существенно усложняется процедураюстировки лазера. Необходимость в оптимальной плотности токаразряда связана с тем, что при больших плотностях тока уменьшается инверсная населенность из-за того, что начинают сказыватьсяпроцессы ступенчатого возбужденияe + Ne(2 p 5 3s) → Ne(2 p 5 3 p) + e,e + Ne(2 p 5 4s) → Ne(2 p 5 5 p) + e.В настоящей работе исследуются :1.

Коэффициент усиления инверсной среды.2. Методы настройки оптического резонатора.3. Расходимость лазерного пучка.4. Поляризация лазерного пучка.311. Экспериментальная установка.В работе используются гелий-неоновые лазеры ЛГ-55. Схема установки представлена на рис.9, расположение элементов установкина оптической скамье - на рис.10.Установка включает в себя:а) юстировочный лазер 1, с помощью которого все элементы установки выставляются соосно, а также выполняется упражнение поопределению коэффициента усиления в инверсной среде;б) юстировочную диафрагму 2;в) исследуемый He - Ne лазер, состоящий из разрядной трубки 3 исъемных зеркал 4;г) модулятор-диск с отверстиями 5, вращаемый электромотором.Это устройство позволяет получить переменный сигнал приемникаизлучения - фотосопротивления с тем, чтобы в дальнейшем наблюдать его на осциллографе (амплитуда этого сигнала пропорциональна интенсивности лазерного излучения);д) приемник излучения 6, состоящий из фотосопротивления, усилителя 13 и стрелочного прибора 14, регистрирующего ток фотосопротивления;е) блоки питания лазеров 7;ж) осциллограф 11 для наблюдения сигнала с фотосопротивления.Рис.

9. Схема установки (обозначения – см. рис. 10).32Рис. 10. Расположение элементов установки на оптической скамье:обозначения к рис. 9 и 10;1 – юстировочный лазер; 2 – диафрагма; 3 – разрядная трубка; 4 –съемные зеркала; 5 – модулятор; 6 – приемник излучения; 7 - блокипитания лазеров; 8 – оптическая скамья; 9 – зеркала для исследования расходимости пучка; 10 – экран ; 11 – осциллограф ; 12 – выпрямитель ; 13 – усилитель ; 14 – миллиамперметр.ЗАДАНИЯУпражнение 1.Измерение коэффициента усиления инверснойсреды.При измерении коэффициента усиления χ сравниваются две величины: интенсивности входящего и выходящего излучения.

Входнымсигналом служит излучение He - Ne лазера 1 (см.рис.9, 10), идентичного исследуемому 3. Согласно (42) и (25) (см. общее “Введение»), при прохождении в среде с инверсной населенностью интенсивность света возрастает по закону33J ( x) = J eχx0,(56)где коэффициент усиления равенχ =∆Nσ .(57)Однако, при малой оптической длине (χx << 1) экспоненту можноразложить в ряд и учесть лишь первый член :J ( x ) = J 0 (1 + χ x ) .(58)Сравнение интенсивности излучения J ( L) , прошедшего через возбужденную электрическим разрядом гелий - неоновую смесь, с интенсивностью излучения Jo , прошедшего через ту же газовую смесьбез электрического разряда, позволяет найти χ - коэффициент усиления He - Ne лазерной смеси.

Из (58) следует:χ=J ( L) − JLJ0,(59)0где L = 20 см - длина активной части разрядного промежутка.Трубка 3 должна быть выставлена соосно зондирующему лазерному пучку. Юстировка производится следующим образом.Включается юстировочный лазер 1 (см.рис.10). Его луч долженпройти через юстировочную диафрагму 2 с отверстием, диаметр которого заметно меньше внутреннего диаметра газоразрядной трубкиактивного элемента. На его пути устанавливается активный элемент- выключенная трубка 3 исследуемого лазера - таким образом, чтобылуч лазера 1 проходил вдоль оси трубки 3. Установка трубки 3 производится с помощью юстировочных винтов оптического столика,на котором укреплена трубка.

Винты позволяют осуществлять какгоризонтальное перемещение трубки, так и угловые перемещения вгоризонтальной и вертикальной плоскостях. Контроль за прохождением луча осуществляется визуально: на диске модулятора должнонаблюдаться четкое яркое круглое пятно. При неточной юстировкеэто пятно окружено ореолом в виде дуг окружностей, появляющихсявследствие отражений юстировочного луча от внутренних стенокразрядной трубки 3. Отъюстировав разрядную трубку, следует установить приемник излучения 6 так, чтобы юстировочный луч попадалв его центр. Затем, включив трубку 3, осциллограф и выпрямитель,34питающий схему фотосопротивления, следует провести дополнительный контроль юстировки системы.

Для этого включается электромотор модулятора 5 и сигнал с фотосопротивления 6 подаетсячерез усилитель на осциллограф или стрелочный прибор. Вращением юстировочных винтов оптического столика следует добитьсямаксимальной амплитуды сигнала на экране осциллографа.После того, как система отъюстирована, нужно:а) включить усилитель и подать на него сигнал с приемника излучения;б) выход усилителя подключить к стрелочному прибору;в) измерить величину сигнала с приемника излучения при выключенном ( J ) и включенном ( J ( L) ) разряде в трубке 3 - активном0элементе ОКГ на смеси He - Ne (измерения провести не менее пятираз).ЗАДАНИЕ1. Вычислить при помощи формулы (59) величину коэффициентаусиления χ .2.

Сравнить величину коэффициента усиления χ , определенную в1− Rэксперименте, с пороговой χ=; R = r1 + r2 − 1 - знапорог2Lчение эффективного коэффициента отражения зеркал резонатора ;r , r - коэффициенты отражения зеркал резонатора (см. в паспорте12задачи).3. Убедиться в том, что χ > χ.порогУпражнение 2. Настройка резонаторадлину волны λ = 63281He – NeA° .лазера наУпражнения 2 и 5, имеющие целью убедиться в том, что в лазерной He – Ne смеси возможна генерация на различных длинахволн, в частности на λ = 63281A° и λ = 11523 A° , методиче2ски идентичны. Разница состоит лишь в том, что для этого используются зеркала с диэлектрическим покрытием, имеющим макси35мальное отражение на длинах волн, близких к длинам волн генерации.Так как коэффициент усиления в He – Ne смеси, возбуждаемойэлектрическим разрядом , мал, то стационарный режим воспроизведения фотонов возможен лишь тогда, когда каждый фотон многократно проходит лазерный объем, что, в свою очередь, возможнолишь при исключительно точно выставленной соосности зеркал.Методика юстировки зеркал следующая.

Не сбивая юстировкигазоразрядной трубки 3 (см.рис.10), достигнутой в упражнении 1,установить рейтер с оправой, в которой закреплено сферическоезеркало ( R = 1 м ) на оптической скамье со стороны трубки 3,кробращенной к приемнику излучения таким образом, чтобы рабочая(напыленная) сторона зеркала была обращена к газоразрядной трубке (напыленная сторона отмечена красной точкой на оправе зеркала). Юстировочный луч от лазера 1 при этом должен попадать вцентр зеркала. При помощи трех юстировочных винтов на оправезеркала добиться того, чтобы луч лазера 1, отраженный от зеркала,пройдя трубку 3 в обратном направлении, шел по направлению падающего, то есть попадал точно в отверстие диафрагмы 2, из которого выходит падающий луч.

Затем взять рейтер с плоским зеркаломи закрепить его на оптической скамье с противоположной сторонытрубки 3 так, чтобы рабочая сторона зеркала была обращена к газоразрядной трубке, а луч юстировочного лазера попадал примерно вцентр зеркала. После этого следует включить трубку 3. Далее, слегкавращая юстировочные винты на оправе плоского зеркала около этого положения, добиться возникновения генерации. Возникновениегенерации на длине волны λ = 6328 A° фиксируется визуально попоявлению красного пятна на диске модулятора 5 и на диафрагме.Затем, выключив лазер 1 и включив осциллограф, выпрямитель имодулятор, провести доводку юстировки резонатора лазера.