404 (810506)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Московский физико-технический институт(государственный университет)Цель работы: Изучение основных принципов работы газового лазераи свойств лазерного излучения.В работе используются: Юстировочный лазер, гелий-неоноваятрубка, компьютер со звуковой картой, модулятор (обтюратор), фотодиоды, зеркала, поляроид.ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕРЛабораторная работа № 404МОСКВА 2005Главными элементами практически любого лазера являются два параллельных друг другу зеркала и расположенная между ними среда,усиливающая свет. Параллельные зеркала образуют оптический резонатор и осуществляют положительную обратную связь, превращающуюусилитель в генератор.

В такой системе самопроизвольно из шума возникает излучение, распространяющееся от одного зеркала к другому иобратно перпендикулярно поверхности зеркал. Любое излучение, распространяющееся под значительным углом к этому направлению, припоследовательных отражениях быстро покидает резонатор, не успеваязаметно усилиться. Поэтому формируется пучок излучения высокой направленности. Для вывода части излучения наружу одно из зеркал обычно делается полупрозрачным.Ключевым условием работы лазера является наличие усиливающейсреды. Усиление света основано на явлении вынужденного излучения,которое является обратным поглощению света. Как известно из опыта,при поглощении электромагнитного излучения веществом атомы илимолекулы, находящиеся на каком-либо энергетическом уровне, переходят на более высокий свободный уровень, поглощая один квант (фотон)излучения. Поглощение возникает только в том случае, если энергияфотона совпадает с разницей энергий между этими уровнями.

Явлениевынужденного излучения заключается в том, что если атом находитсяна возбуждённом уровне, то под действием электромагнитного поля происходит обратный переход с возбуждённого уровня на более низкий уровень с излучением кванта света. При этом для конкретной пары уровнейвероятность перехода сверху вниз совпадает с вероятностью переходаснизу вверх при одинаковой интенсивности вынуждающего излучения.Следует отметить, что находящиеся на возбуждённом уровне атомы илимолекулы могут независимо от наличия вынуждающего поля самопроизвольно переходить на более низкий энергетический уровень, излучаяфотон в произвольном направлении.

Это явление называется спонтанным излучением, оно присутствует в любой лазерной среде и затрудняет работу лазера, уменьшая заселенность верхнего рабочего уровня. Вто же время оно выполняет и полезную функцию, являясь «затравкой»для формирования направленного пучка лазерного излучения.3Существование вынужденного излучения было предсказано Эйнштейном в 1916 году. Однако, термодинамическое рассмотрение Эйнштейна оставляло открытым вопрос о направленности вынужденногоизлучения.

В то же время для усиления направленных пучков света необходимо, чтобы фотоны, рождённые под действием вынуждающего излучения, испускались бы в направлении распространения пучка. В 1927году Дирак теоретически показал, что если какой-либо фотон вызываетвынужденный переход, то рождённый в этом процессе фотон излучается в то же квантовое состояние, в котором находится исходный фотон.Следовательно, генерируемое в этом процессе излучение совпадает понаправлению, частоте и по фазе с вынуждающим излучением, что ипозволяет усиливать направленные монохроматические пучки.

Впервыеявление вынужденного излучения удалось использовать практически в1954 году при создании мазера (Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и независимо J. Gordon, H. Zeiger, Ch.H. Towns). Первый оптический лазер былсоздан только в 1960 году. Слово лазер является транслитерацией английской аббревиатуры Laser (Light amplification by stimulated emissionof radiation), соответственно мазер — Maser (Microwave amplification bystimulated emission of radiation).Поскольку для любых двух энергетических уровней вероятность вынужденного перехода снизу вверх и сверху вниз одинакова, то усилениеможет возникнуть только если на верхнем уровне окажется больше атомов, чем на нижнем. Такая ситуация называется инверсной заселенностью. Очевидно, что в термодинамическом равновесии (не путать со стационарным состоянием) на верхнем уровне всегда меньше частиц, чемна нижнем, в силу распределения Больцмана.

Инверсной населённостиможно достичь только в неравновесном состоянии, например, путём оптического заселения верхнего рабочего уровня через дополнительныйещё более высокий уровень. Поэтому все лазеры с оптической накачкойработают, как минимум, по трёхуровневой схеме. В лазерах с другимитипами накачки верхний рабочий уровень может заселяться электрическим разрядом, ядерным взрывом, за счёт передачи энергии от другихатомов, в результате химической реакции и т.

д. При этом неравновесное состояние вполне может быть стационарным (для незамкнутой системы), что позволяет создавать непрерывные лазеры.Активная средаPSfrag replacementsРис. 1. Схема лазераУсловие достижение порога генерации. Выведем пороговое условие генерации в лазере. Для этого рассмотрим простейшую схему лазера, состоящего из плоско-параллельного резонатора (рис.

1), образованного двумя зеркалами, имеющими коэффициенты отражения R1 иR2 , активной среды, имеющей усиление G на один проход и дополнительных элементов, размещённых внутри резонатора с общим пропусканием T за один проход. Этими дополнительными элементами могутбыть, например, стеклянные окна лазерной трубки, вносящие потери излучения за счёт отражения от поверхностей. Возможны и другие видыпотерь, приводящие к уменьшению пропускания, например, за счёт дифракционного расплывания пучка. Дифракционные потери становятсясущественными при малых поперечных размерах зеркал или активногоэлемента, сравнимых с размером одной зоны√ Френеля для расстояния,равного длине резонатора, то есть rlas ≈ λL.

Для получения генерации необходимо, чтобы усиление было достаточным для компенсациивсех потерь при полном обходе резонатора.R1 R2 T 2 G2 > 1⇒G>1√.T R1 R2(1)В непрерывных лазерах в установившемся режиме потери излучения вточности компенсируются усилением и усиление активного элемента заодин проход равноG=1√.T R1 R2Ниже будут описаны основные закономерности и свойства лазерногоизлучения на примере гелий-неонового лазера, при этом большинствовыводов справедливо и для других типов лазеров при учёте их конкретных свойств.При этом следует иметь в виду, что для того, чтобы лазер имел ненулевую мощность выходного излучения, активный элемент лазера должениметь запас по усилению, то есть при отключении положительной обратной связи (удалении зеркал резонатора) усиление должно превышатьзначение, даваемое уравнением (1).

При подключении обратной связии выходе на стационарный режим генерации усиление автоматическипадает до данной величины.45Гелий-неоновый лазер. Рассмотрим механизм возникновения усиления в рабочей среде гелий-неонового лазера. Лазерная трубка заполняется смесью гелия и неона в соотношении от 5:1 до 10:1 с общим давлениемпорядка 102 Па, при котором довольно легко возбудить постоянный электрический разряд. Рабочим лазерным веществом является неон. Гелийиспользуется для избирательного заселения верхнего рабочего уровнянеона. Атомы гелия возбуждаются при столкновениях с разогнанными вэлектрическом поле разряда электронами. Передача энергии от возбуждённых атомов гелия к атомам неона осуществляется при столкновенияхмежду ними.

Известно, что наиболее эффективно передача энергии отатома к атому происходит в резонансном случае, то есть когда энергииуровней, между которыми происходит переход, близки. Упрощённая схема энергетических уровней атомов гелия и неона изображена на рис. 2.Из него видно, что энергии двух уровней атома гелия действительноблизки к двум уровням неона, что приводит к эффективной передачеэнергии от гелия к неону. На этом рисунке изображена лишь малая частьэнергетических уровней неона, в действительности их гораздо больше ивсе они в той или иной степени заселяются в электрическом разрядедаже без добавки гелия, что может приводить к созданию инверсной населённости между некоторыми уровнями.

И действительно, генерациялазерного излучения атомами неона получена в лабораторных условияхна более чем 200 переходах. Однако, во всех промышленных лазерах нанеоне для увеличения эффективности накачки используют селективноезаселение верхних лазерных уровней атомами гелия, поэтому и называются гелий-неоновыми. На рисунке изображены три основных лазерныхперехода с длинами волн 0,63 мкм (красное излучение) а также 1,15 и3,39 мкм (невидимое инфракрасное). Кроме обычных лазеров с длинойволны 0,63 мкм выпускаются гелий-неоновые лазеры со сменными наборами зеркал, селективно отражающими излучение на одной из этих трёхдлин волн, что позволяет выбирать длину волны генерируемого излучения.

При этом для других длин волн из-за малого отражения пороговоеусловие генерации не выполняется.Следует отметить, что для поддержания инверсной населённости приработе непрерывного лазера необходимо не только заселение верхнего лазерного уровня, но и быстрое опустошение нижнего. В гелий-неоновомлазере это происходит при соударении атомов неона, находящихся нанижнем лазерном уровне, со стенками лазерной трубки, при этом атомы передают энергию стенкам и сбрасываются ещё ниже, в основное состояние. Поэтому в современных лазерах трубки делаются с маленькимвнутренним диаметром порядка 1–2 мм при длине 20–60 см. Дальнейшее уменьшение диаметра нецелесообразно из-за возрастания дифракционных потерь. Недостаточно быстрое опустошение нижнего лазерногоуровня в гелий-неоновых лазерах ограничивает и предельный коэффициент усиления, достигаемый при некотором оптимальном разрядномтоке.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лабораторной работы