II. Принцип действия гелий-неонового лазера

Рисунок 1

Газовый лазер представляет собой прибор, относящийся к оптическим квантовым генераторам.

Основным элементом гелиево-неонового лазера непрерывного действия является газоразрядная трубка Т (рисунок 1), имеющая накаливаемый катод К и анод А. Трубка наполнена смесью гелия (Не) (парциальное давление Не 1 мм рт. ст) и неона (Ne) (парциальное давление Ne 0,1 мм рт. ст). Внутренний диаметр трубки 1...10 мм, длина от нескольких десятков сантиметров до 1,5...3 м. Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми окнами Р₁ и Р₂, установленными под углом Брюстера к ее оси. Для линейно поляризованного излучения с электрическим вектором в плоскости падения коэффициент отражения от них равен нулю. Поэтому брюстеровские окна обеспечивают линейную поляризацию излучения лазера и исключают потери энергии при распространении света из активной зоны к зеркалам и обратно. Трубка помещена в резонатор, образованный зеркалами В₁ и В₂ с многослойным диэлектрическим покрытием. Такие зеркала имеют очень высокий коэффициент отражения в рабочем спектральном интервале и практически не поглощают свет. Пропускная способность зеркала, через которое преимущественно выходит излучение лазера, составляет обычно 1...2%, другого - менее 1%.

На электроды трубки подается напряжение 1...2 кВ. При накаленном катоде и указанном напряжении в наполняющих трубку газах может поддерживаться тлеющий электрический разряд. Тлеющий разряд создает условия для возникновения инверсии населенностей уровней в неоне. Типичная сила тока в газовом разряде - десятки миллиампер.

Видимое излучение разряда дает неон, но необходимое для этого возбуждение атомов осуществляется с помощью атомов гелия. Упро-щенная схематическая картина энергетических уровней атомов Не и Ne показана на рисунке 2.

За счет соударений с электронами атомы Не переходят в возбужденное состояние (2³S и 2¹S). Эти уровни метастабильны с энергией 19,82 и 20,61 эВ соответственно. Спонтанный радиационный переход с этих уровней на основной уровень по правилам отбора запрещен, т.е. происходит с очень малой вероятностью.

Рисунок 2

Время жизни атома на уровнях 2¹S и 2³S велико в сравнении с временем жизни на обычных возбужденных уровнях, поэтому на этих метастабильных уровнях накапливается очень много атомов Не. Но уровни неона 3S и 2S практически совпадают с метастабильными уровнями 2¹S и 2³S гелия. Благодаря этому, при столкновении возбужденных атомов Не с атомами Ne происходят переходы атомов Ne в возбужденное состояние с резонансной передачей энергии атомов гелия атомам неона.

Процесс возбуждения атомов Ne изображен горизонтальными пунктирными стрелками (рисунок 2). В результате концентрации атомов неона на уровнях 3S и 2S сильно возрастают, и возникает инверсная заселенность энергетических уровней по отношению к уровню 2Р. В трубке создается активная среда, состоящая из атомов Ne, обладающих инверсной заселенностью энергетических уровней электронов.

Спонтанное излучение отдельных возбужденных атомов приводит к распространению в активной среде фотонов, соответствующих электронным переходам в атомах неона с уровней 3S на уровни 2P.

Под действием электромагнитного поля распространяющихся в разряде фотонов (сначала спонтанно излученных возбужденными атомами неона) происходит индуцированное когерентное излучение других возбужденных атомов неона, т.е. активной среды, заполняющей трубку лазера. Массовое нарастание этого процесса обеспечивается многократным прохождением излучения между зеркалами В₁ и В₂ резонатора, что приводит к формированию мощного индуцированного потока направленного когерентного излучения лазера. Минимальная угловая ширина лазерного светового пучка определяется дифракцией, связанной с ограничением поперечного сечения пучка, т.е. только с волновыми свойствами света. Это важнейшее обстоятельство отличает лазерный источник от любого другого источника света.

4 ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1 Газовый лазер ЛГ78.

2 Оптическая скамья.

3 Блок питания.

4 Дифракционная решетка.

5 Стеклянные пластины с напыленными между ними микрочасти-цами.

6 Экран с миллиметровой шкалой.

5 Работа с газовым лазером

Включить тумблер "Сеть". Переключатель "Регулировка тока" установлен в рабочем положении преподавателем или лаборантом. Категорически запрещается переводить его в другое положение.

Во время работы с лазером необходимо помнить, что попадание в глаза прямого лазерного излучения опасно для зрения.

Поэтому при работе с лазером его свет наблюдается после отражения на экране с рассеивающей поверхностью.

Категорически запрещается смотреть на прямой лазерный луч! Включать лазер можно только под контролем преподавателя или лаборанта

6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Упражнение 1

Измерение длины волны излучения лазерапри помощи

дифракционной решетки

Направленность и пространственная когерентность излучения лазера позволяет применять его в ряде измерений без предварительной коллимации.

Установка для проведения данного упражнения включает лазер, рейтер с дифракционной решеткой, экран с миллиметровой шкалой для наблюдения дифракционной картины (рисунок 3).

Рисунок 3

Дифракционная решетка устанавливается перпендикулярно к оси светового луча, выходящего из лазера. Для этого световой блик, отраженный от плоскости решетки, необходимо провести точно на середину выходного окна лазера, т.е. добиться совпадения выходящего из лазера светового пучка и его отражения от плоскости решетки.

Ввиду монохроматичности излучения лазера, на экране наблюдается множество неперекрывающихся дифракционных спектров различных положительных и отрицательных порядков. Эти спектры образуют на экране ряд красных полосок, повторяющих сечение первичного светового пучка, падающего на решетку.

Экран устанавливается перпендикулярно к пучку света, и порядки спектров располагают симметрично относительно нуля шкалы экрана.

Под расстоянием между дифракционными спектрами и спектром нулевого порядка надо понимать расстояние между серединами наблюдаемых спектров (полосок).

Расчет длины волны ведется по формуле

(1)

где d - постоянная решетки (в нашем случае d = 0,01 мм);
- угол дифракции;

k - порядок спектра;

l - длина волны лазерного излучения.

Рисунок 4

Угол дифракции определяется из соотношения

(2)

где - расстояние между левым и правым максимумами порядка k;

L - расстояние от плоскости дифракционной решетки до плоскости экрана (рисунок 4).

Подставляя (2) в (1), получаем

(3)

Порядок выполнения упражнения 1

1 Измерить расстояние в спектре первого (k = 1), второго (k = 2) и третьего (k = 3) порядков при различных расстояниях экрана от дифракционной решетки.

2 Результаты измерений занести в таблицу 1.

3 Вычислить длину волны, соответствующую излучению лазера.

Таблица 1

Порядок спектра k	L, м	Xk, м	li, м	<l>, м	Dli, м	, м		Dl, м	e, %

Обработка экспериментальных данных

1 Вычислить длину волны для каждого измерения по формуле (3).

2. Вычислить среднее значение где n - число измере-ний.

3 Вычислить абсолютные ошибки отдельных измерений

4 Подсчитать среднюю квадратичную погрешность

5 Задать значение надежности a (по указанию преподавателя).

6 Определить по таблице Стьюдента и вычислить границы доверительного интервала

7 Вычислить относительную погрешность Значение найденной величины l использовать в расчетах, необходимых в следующем упражнении.

Упражнение 2

Фраунгоферова дифракция лазерного излучения

на малых круглых частицах

Монохроматический, хорошо коллимированный и пространственно когерентный луч лазера дает возможность непосредственно наблюдать дифракцию света на круглых частицах.

Для того, чтобы углы дифракции на частицах были значительными, размер частиц должен быть малым. Однако, если в световой пучок поместить одну малую частицу, то даваемую ей на удаленном экране дифракционную картину наблюдать будет трудно, т.к. картина будет проектироваться на светлый фон, созданный частью светового пучка, не испытавшей дифракцию.

Для получения хорошо видимой дифракционной картины нужно поместить на пути светового пучка множество хаотически расположенных одинаковых частиц. В самом деле, поскольку исследуется фраунгоферова дифракция, любая отдельная частица, независимо от ее положения в плоскости поперечного сечения светового пучка, дает одинаковое распределение дифрагированного света.

При одновременном присутствии в сечении пучка многих частиц, угловое распределение дифрагированного света, создаваемого каждой частицей в отдельности, не нарушается, если нет систематического интерференционного эффекта между световыми пучками, дифрагировавшими на разных частицах.

Если в плоскости поперечного сечения светового пучка частицы расположены хаотически, то в силу равной вероятности всех значений фаз волн, дифрагированных по различным направлениям, складываться будут только интенсивности световых пучков, дифрагированных на разных частицах. Дифракционная картина от N частиц усилится по интенсивности в N раз по сравнению с дифракционной картиной отдельной частицы, не изменяя своей структуры. Это обстоятельство и используется в настоящем эксперименте.

Установка остается той же, что и в упражнении 1, но вместо дифракционной решетки на рейтере устанавливается оправка со стеклянными пластинами, между которыми напылены частички ликоподия (споры растения плауна), представляющие собой шарики, приблизительно одинакового малого размера.

На экране после включения лазера можно будет наблюдать систему концентрических светлых и темных дифракционных колец, окружающих светлый круг.

Угловые радиусы a_i темных колец подчиняются соотношениям:

. (4)

Угловые радиусы a_i светлых колец

(5)

где r - радиус частицы, вызвавшей дифракцию света.

Значения sina_i рассчитываются из условия

(6)

где D_i - линейный диаметр соответствующего дифракционного кольца на экране;

L - расстояние от стеклянной пластины до экрана.

Порядок выполнения упражнения 2

и обработка экспериментальных данных

1 Измерить диаметры первого (D₁) и второго (D₃) темных колец при различных расстояниях L. Результаты занести в табл. 2.

2 Построить график зависимости D = f(L) для каждого из дифракционных минимумов, т.е. D₁ = f(L)и D₃ = f(L).

3 Определить тангенсы углов дифракции, соответствующих первому и второму темному кольцу, используя формулу (6), и среднее значение радиуса частицы с помощью соотношений (4).

4 Определить погрешность измерений. Записать окончательный результат в виде r = <r> ± <Dr> (м).

5 Сделать выводы по работе.

Таблица 2