Задача 17. Лазер на рубине. (Задачи атомного практикума), страница 5

Одновременночасть излучения лазера сквозь плоскопараллельную пластинку17 попадает на датчик 12 измерителя мощности и регистрируется прибором ИНИ-2 (или ИКТ-1м).Остальные узлы установки описаны в соответствующихупражнениях.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫПомните - Вы работаете на высоковольтной установке - строго соблюдайте правила техники безопасности.Будьте внимательны! Лазер - мощный источник света: попадание в глаза как прямого, так и отраженного лазерного луча недопустимо.Установка отъюстирована сотрудником лаборатории ине требует от студента дополнительной настройки.3Такое расположение пластины позволяет направлять лазерныйимпульс одновременно на эталон Фабри-Перо 15, ФЭУ 8 и датчикизмерителя мощности 12 (см.рис.14).30Порядок работы на установке следующий:1.

Включить тумблер “накал” на панели лазерного блока(загорается сигнальная лампочка на торцевой панели блокапитания);2. через 10-15 минут включить тумблеры “анод” и “излучение”;3. с помощью ЛАТРа установить на лазере нужное напряжение (см. паспорт установки) и затем вывести ЛАТР в нулевое положение;4. кнопкой “пуск” произвести запуск лазера.Лазер выключается в обратной последовательности:“пуск” “излучение” - “анод” - “накал”.Не оставляйте установку включенной без присмотра.Упражнение 1.

Определение порога генерации, длительности иформы генерируемого импульса.Для выполнения упражнения используются следующиеприборыустановки: лазер “Арзни-206”, ФЭУ-16 и осциллографическаяплата компьютера.Поскольку на установках 1, 2 в компьютерах установлены разные осциллографические платы, описания работы с ними находится на установках.Упражнение выполняется в следующей последовательности:1. включить блок питания ФЭУ;2.

по заданию и под непосредственным наблюдением преподавателя (или сотрудника лаборатории) определить порог генерации лазера, то есть установить, начиная с каких напряжений на батарее конденсаторов лампы накачки ОКГ генерируется импульс излучения. Напряжение на лампе накачки регулируется ЛАТР’ом 6 (рис.14) и измеряется вольтметром, расположенным на лицевой панели данного блока;3. зарисовать типичные картины генерируемого импульсана экране монитора.31Задание.1. Определить порог генерации. Идеальной является осциллограмма с единственным импульсом .2.

Оценить при помощи картинки на экране монитора длительность генерируемого ОКГ пакета импульсов излученияпри различных напряжениях питания лампы накачки; объяснить временную зависимость его формы.Упражнение 2. Определение энергии импульсов ОКГ.Для определения энергии одиночных импульсов ОКГ взадаче используются приборы : измеритель калориметрический твердотельный ИКТ - 1М или измеритель средней мощности и энергии импульсов ИМО-2. Принцип работы обоихприборов заключается в сравнении теплового действия излучения ОКГ, поглощенного приемным элементом (поглощающей нагрузкой) с тепловым действием постоянного тока, рассеиваемого в той же поглощающей нагрузке.

Регистрация нагрева нагрузки поглощенной энергией производится в ИКТ1М медным проволочным термометром сопротивления, включенным в мостовую схему, в ИМО - 2 термобатареей, сигнал скоторой попадает на усилитель (ФГУ), а затем регистрируетсяиндикаторным прибором. Приборы состоят из следующих основных частей измерительной головки, юстировочного механизма, блока индикации (см рис. 15).Рис.15. Основные части приборов ИМО-2 и ИКТ - 1М; 1 - блок индикации; 2 - столик с юстировочным механизмом; 3 - измерительная головка;4 – визир; 5 – кабель; 6 - индикаторный прибор.Измерительная (см.рис.16) головка состоит из двух одинаковых приемных элементов (ТЭС)1, помещенных в конических выемках массивного медного тела 2, расположенного32внутри массивного термостата, образованного медным корпусом 3 и кожухом измерительной головки 4.Каждая из ТЭС содержит тонкостенный полый медный конус5, на наружной поверхности которого размещена медноконстантановая термобатарея 6, состоящая из ≈ 2000 термопар, равномерно распределенных по поверхности конуса 5 4.Внутри конуса 5 на стеклянных держателях 7 расположен резистор 8, выполненный из нихромовой проволоки, намотаннойна конус 9.

В резисторе 8 поглощается и преобразуется в теплоэнергия пучка излучения ОКГ, в нем же выделяется энергияпостоянного тока при калибровке прибора. Измерительная головка закрепляется на юстировочном механизме, позволяющем совмещать оптическую ось измерительной головки (ТЭС)с осью пучка ОКГ. Для облегчения юстировки прибора предусмотрен визир 12 (видимого или ИК-диапазона). Измерительные головки ИМО-2 или ИКТ-1М расположены за плоскопараллельной пластинкой. Перед включением прибора (ИМО-2или ИКТ-1М) необходимо запустить лазер и проверить юстировку измерительной головки. Лазерный луч должен попадатьна перекрестье крышки, одетой на вход измерительной головки.

В случае, если юстировка сбита, следует обратиться к преподавателю или к дежурному в данном помещении практикума сотруднику учебной лаборатории. После проверки того, чтоизмерительная головка отъюстирована, нужно снять крышку свходного отверстия ТЭС. Далее следует включить тумблер“сеть” на передней панели блока индикации, при этом загорается сигнальная лампочка. Дать прибору прогреться в течении20-25 минут. Переключатель “калибр-выкл.” должен находиться в положении “выкл”, а переключатель “мощностьэнергия” - в положении “энергия”. После прогрева прибораустановить указатель индикаторного прибора на нулевую отметку шкалы, а переключатель “ватты-джоули” поставить вположение 3 Дж.

Затем подать пучок ОКГ в измерительнуюголовку и произвести отсчет (максимальное отклонение указателя индикаторного прибора.) После каждого импульса необходимо выждать время 8 - 10 минут для остывание ТЭС и кристалла рубина.4В ИКТ-1М вместо термобатареи используется медный проволочный термометр.33Следует помнить, что при работе с прибором ИМО-2 илиИКТ-1М необходимо соблюдать все правила безопасной работы с высоким напряжением. Кроме того, при юстировке прибора и измерениях нельзя допускать поглощения бликов, отраженных от входного окна, в глаза человека.Рис.16. Схема конструкции измерительной головки ИМО-2: 1 –приемный элемент (ТЭС); 2 - массивное медное тело; 3 - медный корпус;4 - кожух головки; 5 - медный конус; 6 – термобатарея; 7 – стеклянныедержатели; 8 – резистор; 9 - внутренний конус; 10 – крышка; 11 – кабель.Задание1.

Определить энергию импульса и среднюю мощность генерации при тех же величинах напряжения питания лампы накачки, при которых производились измерения длительностипакета импульсов излучения лазера в первом упражнении.2. Определить КПД лазера при тех же условиях.Упражнение 3. Определение спектральной шириныгенерируемой линии.Ширина линии определяется по интерференционнойкартине, получаемой с помощью эталона Фабри-Перо (см.рис.14, 17) расстояние между зеркалами интерферометра l = 0.4мм.34Рис.17. Эталон Фабри-Перо: 1 – эталон Фабри-Перо; 2 – конденсор; 3 –излучение от ОКГ; 4 – объектив; 5 – кассета; 6 – ручка фокусировки объектива; 7 – кожух камеры.Генерируемое излучение с помощью отклоняющей пластинки7 (рис.14) направляется через конденсор на эталон ФабриПеро и затем фокусируется объективом и регистрируется фотопластинкой “инфра”. Фотографирование производится сэкспозицией от одного запуска ОКГ. Вид интерференционнойкартины, получаемой на пластинке, показан на рис.

18.Задание.1. Построить контур генерируемой линии и определить егополуширину.Строго говоря, полученный профиль линии есть результат наложения истинного контура линии источника на так называемую аппаратную функцию 5 интерферометра Фабри-Перо.Полуширина, найденная из этого профиля, не равнасумме полуширин истинного контура и аппаратной функции, азависит от них сложным образом.

Характер этой зависимостиопределяется видом функции, описывающей истинный контурлинии и аппаратной функции.В данном случае полуширина аппаратной функции, экспериментально определенная с помощью газового лазера (ли5Понятие аппаратной функции вводится в связи с тем,что любой реальный спектральный прибор даже бесконечноузкую линию источника изображает в виде контура конечнойширины [1].35нию излучения которого можно считать бесконечно узкой, таккак ее ширина заведомо меньше аппаратной функции), по порядку величины много меньше полуширины линии генерациилазера.Рис.18. Вид интерференционной картины и распределениеинтенсивности по ее диаметру.Поскольку измерения в настоящем упражнении не претендуют на большую точность (мы не строим кривую почернения фотопластинки и не определяем коэффициент контрастности, что необходимо для точных вычислений (см., например,Прокофьев “Фотографические методы количественного спектрального анализа металлов и сплавов”)), то аппаратную полуширину можно не учитывать.Обработка интерферограмм производится на микрофотометреМФ-4 [3].Строится кривая зависимости почернения фотопластинки (пропорциональная интенсивности излучения J ) от расстояния от какой-либо точки вблизи края пластинки на прямой, проходящей через центр интерференционной картины(рис.18).

Отметим, что интенсивность интерференционных колец убывает с увеличением номера кольца. При фотографировании первые кольца на снимке могут попасть в область пере36держек, а удаленные - в область недодержек. Поэтому при обработке снимка следует выбрать тот его участок, который соответствует линейной части кривой почернения.Измеряются радиусы интерференционных колец и ихширины ∆r , соответствующие половинной интенсивности(см.рис.18) и по формуле [3]∆λ = λ r ∆rf 2определяется полуширина линии ∆λ в шкале длин волн, гдеλ - длина волны излучения в A° , а r - расстояние (мм) от цен-тра картины до внутреннего края измеряемого кольца на половине высоты; ∆r - ширина измеряемого кольца (мм) на половине высоты; а f - фокусное расстояние объектива ( f = 270мм).

Полуширину линии определить как среднюю из результатов измерений по трем кольцам.2. По формулам общего “Введения” (формулы (49), (50)), рассчитать число генерируемых мод и определить различие длинволн двух соседних мод (L = 80 мм , показатель преломлениярубина n = 1,77).3. Рассчитать доплеровскую ширину линии (общее “Введение”, формула (31)) и сравнить ее с измеренной ( температурукристалла принять равной Т=300 K ). Объяснить результатысравнения.4. Сравнить измеренную ширину линии генерации с ширинойлинии люминесценции Dn = 11 см -1 ; объяснить результат.Упражнение 4. Определение времени жизни верхнего лазерногоуровня рубина.Время жизни верхнего лазерного уровня 2 (см.рис.11,б) рубина определяется по зависимости интенсивности спонтанногоизлучения, возникающего при переходе 2 → 1 , от времени(см.общее «Введение»). Для выполнения упражнения № 4 собрана отдельная установка, схема которой изображена на рис.19.37Рубиновый кристалл , лишенный зеркал, освещается короткимимпульсом лампы накачки ; питание лампы накачки осуществляется от полупроводникового выпрямителя с конденсаторомемкостью С =120 мкФ.