5.10 (810746)
Текст из файла
Московский физико-технический институт(государственный университет)Цель работы: знакомство с устройством и работой газового лазеранепрерывного действия, со спектральными характеристиками лазерного излучения, а также с устройством и принципом действия сканирующего интерферометра Фабри–Перо.В работе используются: Не-Nе лазер с блоком питания; сканирующий интерферометр Фабри–Перо; поляроид; пластинка λ/4; линза;фотодиод; электронный осциллограф.Перед выполнением эксперимента студентам предлагается ознакомиться с принципом работы лазера (оптического квантового генератора, ОКГ) и с теорией интерферометра Фабри–Перо по литературе,приведенной в конце описания.
Теория интерферометра Фабри–Пероболее подробно рассмотрена в описании к лабораторной работе № 5.9.СКАНИРУЮЩИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРЛабораторная работа № 5.10МОСКВА 2005Устройство He-Ne-лазера.S1 P 1P 2 S2АКОсновным элементом Hе-Neлазера непрерывного действияявляется газоразрядная трубкаТ (рис. 1) с длиной несколькоТдесятков сантиметров и с внутРис.
1. Устройство гелий-неоновогоренним диаметром 5—10 мм.лазераТрубка наполнена смесью гелия и неона с парциальными давлениями порядка 1 и 0,1 Торр соответственно. Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинами P1 и P2 , установленными под угломБрюстера к ее оси. Линейно поляризованный свет с электрическимвектором, лежащим в плоскости падения, не испытывает потерь наотражение, вследствие этого лазер генерирует линейно поляризованное излучение. В загнутых концах трубки располагаются анод А икатод К.
Разряд в трубке возникает при напряжении 1,5–2 кВ. Трубка помещена между зеркалами S1 и S2 , образующими интерферометрФабри–Перо, который играет роль оптического резонатора. Прозрачность зеркал резонатора обычно меньше 1%. Разрядный ток трубкисоставляет несколько десятков миллиампер.Рабочим газом He-Ne-лазера является неон, ответственный за розовато-красное свечение разряда. Для возбуждения лазерной генерации необходимо создать инверсную заселенность уровней рабочего перехода неона. В гелий-неоновом лазере такая заселенность достигаетсяглавным образом из-за передачи возбуждения атомам неона от атомовгелия, которые возбуждаются в разряде электронным ударом.3Активная среда, обладающая инверсной заселенностью уровней,способна усиливать оптическое излучение на частоте рабочего перехода.
Усиление происходит вследствие индуцированного (стимулированного) когерентного излучения возбужденных атомов под действием поля световой волны. Если кювету с активной средой поместитьмежду зеркалами интерферометра Фабри–Перо, то испущенный вдольоси свет многократно отражается. При этом обеспечиваются условиявозникновения лазерной генерации света.
Условием возбуждения генерации является превышение усиления над потерями. Потери в Не-Neлазере обусловлены главным образом неидеальным отражением от зеркал (уход излучения из резонатора). Обратим в связи с этим еще развнимание на установку пластин P1 и P2 (см. рис. 1) под углом Брюстера.В интерферометрах Фабри–Перо, используемых в лазерах, излучение распространяется вдоль оси интерферометра. Если на полном оптическом пути 2L, где L — расстояние между зеркалами, укладываетсяцелое число длин волн, наступает резонанс, т. е.
в интерферометре возникает стоячая волна. При этом волна, дважды отраженная от зеркал,возвращается к испустившему ее атому в той же фазе, в которой онабыла испущена. Волны индуцированного излучения, складываясь, усиливают друг друга. Условие резонанса имеет вид2L = mλ(m — целое число).(1)Различным значениям порядка интерференции m соответствуют стоячие волны разных частот. Их называют типами колебаний, или модами.
Из (1) легко получить выражение для межмодового расстояния ∆ν(в единицах частоты):∆ν =c,2Lгде c — скорость света.(2)Из формулы (2) следует, что для интерферометра с базой L = 1 ммежмодовое расстояние ∆ν = 150 МГц. В то же время спектральнаялиния рабочего перехода неона имеет ширину порядка 1500 МГц. Генерация лазера возникает на резонансной частоте лазерного интерферометра. В нашем случае возможна одновременная генерация несколькихмод. Рисунок 2 иллюстрирует увеличение числа мод генерации лазерас ростом усиления активной среды, возникающим при увеличении мощности накачки.4Спектральная линия λ = 632,8 нмУсиление36неона уширена главным образом изза эффекта Доплера, т.
е. вслед2ствие теплового движения атомов.16При небольшом усилении (кривая 1)Уровеньгенерации нет. В случае 2 генерацияпотерьпроисходит только на частоте νm , расνm−2 νm−1 νm νm+1 νm+2 νположенной вблизи центра спектральной линии. Если усиление определяетРис. 2. Развитие генерации лазеся кривой 3, генерация возникает нара на нескольких модах при уветрех частотах νm−1 , νm и νm+1 , и т. д.личении мощности накачкиГоворят, что в этом случае лазер одновременно работает на трех модах.Для гелий-неонового лазера с достаточно длинной трубкой на переходе 632,8 нм многомодовая генерация является обычным режимомработы1.Сканирующий интерферометр.
Для исследования межмодовогосостава излучения Не-Ne-лазера в работе используется сканирующийинтерферометр, представляющий собой высокодобротный интерферометр Фабри–Перо с периодически изменяемой базой. Его устройствосхематически показано на рис. 3.На жестком массивном основанииЗ2Г 1 З1Г2расположены две юстировочные гоПlловки Г1 и Г2 , на которых укрепленызеркала З1 и З2 . Зеркало З1 установлено непосредственно на головке Г1 , зеркало З2 связано с головкой Г2 черезпьезокерамический элемент П.
ЮстиРис. 3. Устройство сканирующеровочные головки снабжены винтамиго интерферометра(не показанными на рис. 3), которыепозволяют в небольших пределах поворачивать зеркала относительно вертикальной и горизонтальной осей.С помощью головок Г1 и Г2 зеркала выставляются на параллельность.1 Описанные здесь моды, отличающиеся по частоте на величину c/2L, называются продольными модами. Кроме того, существуют так называемые поперечные моды, отличающиеся от продольных распределением интенсивности по сечению пучка. Частоты поперечных мод отличаются от частот соответствующих продольныхмод на величину, малую по сравнению с межмодовым расстоянием c/2L.5Пьезокерамический элемент П позволяет периодически изменятьбазу интерферометра (l ≈ 10 см) на величину порядка длины световой волны.
Элемент имеет форму полого цилиндра. Его внутренняя инаружная поверхности металлизированы и образуют цилиндрическийконденсатор. Необходимое изменение длины цилиндра возникает принапряжении в несколько сот вольт.Если вдоль оси интерферометра распространяется световое излучение с длиной волны λ, то при выполнении условия2l = mλ(m — целое число),(3)аналогичного условию (1) для лазера, возникает резонанс. Внешнееизлучение с длиной волны, удовлетворяющей условию (3), полностьюпроходит через интерферометр.
Если на интерферометр падает излучение с различными длинами волн, то одновременно может возникнутьнесколько резонансов. Собственные моды интерферометра отличаютсяпо частоте на величинуc∆f = .2lВеличина ∆f называется дисперсионной областью спектрального прибора. В единицах λ дисперсионная область сканирующего интерферометра равнаλλ2=.(4)∆λСИ =m2lВ нашей работе интерферометр Фабри–Перо используется как спектральный прибор высокой разрешающей силы. Разрешающая способность R спектрального прибора определяется отношениемλR=,(5)δλгде δλ — минимальная разность длин волн, разрешимая приборомвблизи длины волны λ.
При определении δλ обычно используют критерий разрешения Релея. Разрешающая способность интерферометраФабри–Перо зависит от длины интерферометра l и коэффициента отражения зеркал r:2πlR=(6)λ(1 − r)(см. работу № 5.9). В лазерной технике принято выражать разрешениеинтерферометра в единицах частоты:δf = νc 1−rδλ=.λ2l π6Как видно из (7), величина (1−r)/π а)показывает, во сколько раз разрешение интерферометра меньше его межνмодового интервала. Сканирующийб)интерферометр, применяемый в настоящей работе, имеет зеркала с коэффициентом отражения r ≈ 98,5%.- ν Поэтому с его помощью можно разре∆fшить две узкие спектральные линии,Рис.
4. Спектр генерации лазераотличающиеся по частоте на величи(а) и спектр пропускания сканину порядка 0,005 δf , т. е. (при l =рующего интерферометра (б)= 10 см) приблизительно на 7,5 МГц.Напомним, что межмодовое расстояние лазера при L = 1 м равно ∆ν = 150 МГц. Таким образом, нашсканирующий интерферометр вполне подходит для исследования межмодового состава лазерного излучения.Рисунок 4 дает представление о соотношении между спектром генерации ОКГ и спектральной характеристикой сканирующего интерферометра (т. е. его спектром пропускания).
Изменение расстояния междузеркалами сканирующего интерферометра приводит к сдвигу нижней«гребенки» по оси частот. При этом интерферометр последовательнонастраивается на разные моды лазера.а)2δλб)∆λ- ∆λ(Ne)-Рис. 5. Характерные осциллограммы: амплитуда колебаний зеркала сканирующего интерферометра а) ≈ ∆λ(Ne);б) > 2∆λ(Ne)Если одно из зеркал сканирующего интерферометра периодическиперемещать вдоль оси, мощность прошедшего через интерферометр излучения периодически изменяется (рис.
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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
