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 Р 1 и Р 2 , 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 В 1 и В 2 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 (2 3 S и 2 1 S ). 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 2 1 S и 2 3 S 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 2 1 S и 2 3 S 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 В 1 и В 2 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.
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
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
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 | X k , м | l i , м | | Dl i , 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
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:
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 (D 1) и второго (D 3) 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. D 1 = f (L )и D 3 = 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
> ±
5 Сделать выводы по работе.
Гелий-неоновый лазер - наряду с диодным или полупроводниковым - относится к числу наиболее часто используемых и самых приемлемых по цене лазеров для видимой области спектра. Мощность лазерных систем такого рода, предназначенных, в основном, для коммерческих целей, находится в диапазоне от 1 мВт до нескольких десятков мВт. Особенно популярны не столь мощные He-Ne-лазеры порядка 1 мВт, которые используют, главным образом, в качестве котировочных устройств, а также для решения иных задач в сфере измерительной техники. В инфракрасном и красном диапазонах гелий-неоновый лазер все чаще вытесняется диодным лазером. He-Ne-лазеры способны, наряду с красными линиями, излучать также оранжевые, желтые и зеленые, что достигается благодаря соответствующим селективным зеркалам.
Схема энергетических уровней
Важнейшие для функции He-Ne-лазеров энергетические уровни гелия и неона представлены на рис. 1. Лазерные переходы осуществляются в атоме неона, причем самые интенсивные линии получаются в результате переходов с длиной волн 633, 1153 и 3391 (см. таблицу 1).
Электронная конфигурация неона в основном состоянии выглядит так: 1s 2 2s 2 2p 6 причем первая оболочка (n = 1) и вторая оболочка (n = 2) заполнены соответственно двумя и восемью электронами. Более высокие состояния по рис. 1 возникают в результате того, что здесь имеется 1s 2 2s 2 2p 5 -оболочка, и светящийся (оптический) электрон возбуждается согласно схеме: 3s , 4s , 5s ,..., Зр , 4р ,... и т.д. Речь идет, следовательно, об одноэлектронном состоянии, осуществляющим связь с оболочкой. В схеме LS (Рассела - Саундерса) для энергетических уровней неона указано одно-электронное состояние (например, 5s ), а также результирующий полный орбитальный момент L (= S, Р, Д...). В обозначениях S, Р, D,... нижний индекс показывает полный орбитальный момент J, а верхний - мультиплетность 2S + 1, например, 5s 1 P 1 . Нередко используется чисто феноменологическое обозначение по Пашену (рис. 1). При этом счет подуровней возбужденных электронных состояний ведется от 2 до 5 (для s-состояний) и от 1 до 10 (для p-состояний).
Возбуждение
Активная среда гелий-неонового лазера представляет собой газовую смесь, к которой в электрическом разряде подается необходимая энергия. Верхние лазерные уровни (2s и 2р по Пашену) избирательно заселяются на основе столкновений с метастабильными атомами гелия (2 3 S 1 , 2 1 S 0). При этих столкновениях происходит не только обмен кинетической энергией, но и передача энергии возбужденных атомов гелия атомам неона. Этот процесс называют столкновением второго рода:
Не* + Ne -> Не + Ne* + ΔЕ, (1)
где звездочка (*) символизирует именно возбужденное состояние. Разность энергий составляет в случае возбуждения 2s-уровня: &DeltaE=0,05 эВ. При столкновении имеющаяся разность преобразуется в кинетическую энергию, которая затем распределяется в виде тепла. Для 3s-уровня имеют место идентичные отношения. Такая резонансная передача энергии от гелия к неону и есть основной процесс накачки при создании инверсии населенностей. При этом долгое время жизни метастабильного состояния Не благоприятно сказывается на селективности заселения верхнего лазерного уровня.
Возбуждение He-атомов происходит на основе соударения электронов - либо непосредственно, либо через дополнительные каскадные переходы из вышележащих уровней. Благодаря долгоживущим метастабильным состояниям плотность атомов гелия в этих состояниях весьма велика. Верхние лазерные уровни 2s и 3s могут - с учетом правил отбора для электрических доплеровских переходов - переходить только в нижележащие р-уровни. Для успешного генерирования лазерного излучения крайне важно, что время жизни s-состояний (верхний лазерный уровень) = примерно 100 нc, превышает время жизни р-состояний (нижний лазерный уровень) = 10 нc.
Длины волн
Далее мы более детально рассмотрим важнейшие лазерные переходы, используя рис. 1 и данные из таблицы 1. Самая известная линия в красной области спектра (0,63 мкм) возникает вследствие перехода 3s 2 → 2р 4 . Нижний уровень расщепляется в результате спонтанного излучения в течение 10 нс в 1s-уровень (рис. 1). Последний устойчив к расщеплению благодаря электрическому дипольному излучению, так что для него характерна долгая естественная жизнь. Поэтому атомы концентрируются в данном состоянии, которое оказывается высоконаселенным. В газовом разряде атомы в таком состоянии сталкиваются с электронами, и тогда вновь происходит возбуждение 2р- и 3s-уровней. При этом уменьшается инверсия населенностей, что ограничивает мощность лазера. Опустошение ls-состояния осуществляется в гелий-неоновых лазерах преимущественно из-за столкновений со стенкой газоразрядной трубки, в связи с чем при увеличении диаметра трубки отмечается снижение усиления и понижение кпд. Поэтому на практике диаметр ограничивается примерно 1 мм, что, в свою очередь, приводит к ограничению выходной мощности He-Ne-лазеров несколькими десятками мВт.
Участвующие в лазерном переходе электронные конфигурации 2s, 3s, 2р и Зр расщепляются в многочисленные подуровни. Это приводит, например, к дальнейшим переходам в видимой области спектра, как видно из таблицы 2. При всех видимых линиях He-Ne-лазера квантовая эффективность составляет порядка 10 %, что не так уж много. Схема уровней (рис. 1) показывает, что верхние лазерные уровни располагаются примерно на 20 эВ выше основного состояния. Энергия же красного лазерного излучения составляет всего 2 эВ.
Таблица 2. Длины волн λ, выходные мощности и ширина линий Δ ƒ He-Ne-лазера (обозначения переходов по Пашену)
| Цвет | λ нм |
Переход (по Пашену) |
Мощность мВт |
Δ ƒ МГц |
Усиление %/м |
| Инфракрасный | 3 391 | 3s 2 → 3p 4 | > 10 | 280 | 10 000 |
| Инфракрасный | 1 523 | 2s 2 → 2p 1 | 1 | 625 | |
| Инфракрасный | 1 153 | 2s 2 → 2p 4 | 1 | 825 | |
| Красный | 640 | 3s 2 → 2p 2 | |||
| Красный | 635 | 3s 2 → 2p 3 | |||
| Красный | 633 | 3s 2 → 2p 4 | > 10 | 1500 | 10 |
| Красный | 629 | 3s 2 → 2p 5 | |||
| Оранжевый | 612 | 3s 2 → 2p 6 | 1 | 1 550 | 1.7 |
| Оранжевый | 604 | 3s 2 → 2p 7 | |||
| Желтый | 594 | 3s 2 → 2p 8 | 1 | 1 600 | 0.5 |
| Желтый | 543 | 3s 2 → 2p 10 | 1 | 1 750 | 0.5 |
Излучение в инфракрасном диапазоне около 1,157 мкм возникает посредством переходов 2s → 2р. То же самое относится к несколько более слабой линии примерно 1,512 мкм. Обе эти инфракрасных линии находят применение в лазерах коммерческого назначения.
Характерной особенностью линии в ИК-диапазоне при 3,391 мкм является высокое усиление. В зоне слабых сигналов, то есть при однократном прохождении слабых световых сигналов, оно составляет порядка 20 дБ/м. Это соответствует коэффициенту 100 для лазера длиной в 1 метр. Верхний лазерный уровень такой же, как и при известном красном переходе (0,63 мкм). Высокое усиление, с одной стороны, вызвано крайне коротким временем жизни на нижнем 3p-уровне. С другой стороны, это объясняется относительно большой длиной волны и, соответственно, низкой частотой излучения. Обычно соотношение вынужденного и спонтанного излучений увеличивается для низких частот ƒ. Усиление слабых сигналов g, как правило, пропорционально g ~ƒ 2 .
Без селективных элементов излучение гелий-неонового лазера происходило бы на линии 3,39 мкм, а не в красной области при 0,63 мкм. Возбуждению инфракрасной линии препятствует либо селективное зеркало резонатора, либо поглощение в брюстеровских окнах газоразрядной трубки. Благодаря этому порог генерации лазера может повыситься до уровня, достаточного для излучения 3,39 мкм, так что здесь появляется только более слабая красная линия.
Конструктивное исполнение
Необходимые для возбуждения электроны образуются в газовом разряде (рис.2), который может использоваться с напряжением около 12 кВ при токах от 5 до 10 мА. Типичная длина разряда равна 10см или более, диаметр разрядных капилляров составляет порядка 1 мм и соответствует диаметру излученного лазерного пучка. При увеличении диаметра газоразрядной трубки коэффициент полезного действия понижается, так как для опустошения ls-уровня требуются столкновения со стенкой трубки. Для оптимальной выходной мощности используется полное давление (р) заполнения: р·D = 500 Па·мм, где D есть диаметр трубки. Соотношение в смеси He/Ne зависит от желаемой линии лазерного излучения. Для известной красной линии имеем Не: Ne = 5:l, а для инфракрасной линии около 1,15 мкм - He:Ne=10:l. Важным аспектом представляется также оптимизация плотности тока. Коэффициент полезного действия для линии 633 нм составляет около 0,1 %, поскольку процесс возбуждения в данном случае не слишком эффективен. Срок службы гелий-неонового лазера составляет порядка 20 000 рабочих часов.
|
Рис. 2. Конструктивное исполнение He-Ne-лазера для поляризованного излучения в мВт-диапазоне
Усиление при таких условиях находится на уровне g=0,1 м -1 , так что необходимо использовать зеркала с высокой отражательной способностью. Для выхода лазерного пучка только с одной стороны там устанавливают частично пропускающее (полупрозрачное) зеркало (например, с R = 98 %), а на другой стороне - зеркало с максимально высокой отражательной способностью (~ 100 %). Усиление для других видимых переходов значительно меньше (см. таблицу 2). Для коммерческих целей эти линии удалось получить только в последние годы с помощью зеркал, отличающихся чрезвычайно малыми потерями.
Ранее у гелий-неонового лазера выходные окна газоразрядной трубки фиксировались эпоксидной смолой, а зеркала монтировались снаружи. Это приводило к тому, что гелий диффундировал через клей, и в лазер попадал водяной пар. Сегодня эти окна крепятся методом прямого спая металла со стеклом, что дает снижение утечки гелия примерно до 1 Па в год. В случае небольших лазеров массового производства зеркальное покрытие наносится непосредственно на выходные окна, что значительно упрощает всю конструкцию.
Свойства пучка
Для выбора направления поляризации газоразрядная лампа снабжается двумя наклонно расположенными окнами или, как показано на рис. 2, в резонатор вставляется брюстеровская пластина. Отражательная способность на оптической поверхности обращается в нуль, если свет падает под так называемым углом Брюстера и поляризован параллельно плоскости падения. Таким образом, излучение с таким направлением поляризации без потерь проходит через брюстеровское окно. В то же время отражательная способность компоненты, поляризованной перпендикулярно плоскости падения, достаточно высока и подавляется в лазере.
Коэффициент (степень) поляризации (отношение мощности в направлении поляризации к мощности перпендикулярно этому направлению) составляет у обычных коммерческих систем 1000:1. При работе лазера без брюстеровских пластин с внутренними зеркалами генерируется неполяризованное излучение.
Лазер генерирует обычно на поперечной ТЕМ 00 -моде (моде низшего порядка), причем образуется сразу несколько продольных (аксиальных) мод. При расстоянии между зеркалами (длине резонатора лазера) L = 30 см межмодовый частотный интервал составляет Δ ƒ` = c/2L = 500 МГц. Центральная частота находится на уровне 4,7·10 14 Гц. Поскольку усиление света может произойти в пределах диапазона Δ ƒ = 1500 МГц (доплеровская ширина), при L = 30CM излучается три разных частоты: Δ ƒ/Δ ƒ`= 3. При использовании меньшего расстояния между зеркалами (<= 10см) может быть получена одночастотная генерация. При короткой длине мощность будет весьма незначительной. Если требуется одночастотная генерация и более высокая мощность, можно использовать лазер большей длины и с оснащением частотно-селективными элементами.
Гелий-неоновые лазеры около 10 мВт часто находят применение в интерферометрии или голографии. Длина когерентности подобных лазеров серийного производства составляет от 20 до 30см, что вполне достаточно для голографии небольших объектов. Более значительные длины когерентности получаются при использовании серийных частотно-селективных элементов.
При изменении оптического расстояния между зеркалами в результате теплового или иного воздействия происходит сдвиг аксиальных собственных частот резонатора лазера. При одночастотной генерации здесь не получается стабильной частоты излучения - она бесконтрольно перемещается в диапазоне ширины линии 1500 МГц. Путем дополнительного электронного регулирования может быть достигнута стабилизация частоты как раз по центру линии (у коммерческих систем возможна стабильность частоты в несколько МГц). В исследовательских лабораториях удается иногда стабилизировать гелий-неоновый лазер на диапазон менее 1 Гц.
Путем использования подходящих зеркал разные линии из таблицы 4.2 могут возбуждаться для генерации лазерного излучения. Чаще всего находит применение видимая линия около 633 нм с типовыми мощностями в несколько милливатт. После подавления интенсивной лазерной линии порядка 633 нм благодаря использованию селективных зеркал или призм в резонаторе могут появиться другие линии в видимом диапазоне (см. таблицу 2). Однако выходные мощности этих линий составляют всего 10 % от выходной мощности интенсивной линии или даже меньше.
Гелий-неоновые лазеры коммерческого назначения предлагаются с разными длинами волн. Помимо них имеются еще лазеры, генерирующие на многих линиях и способные излучать волны множества длин в самых разных комбинациях. В случае перестраиваемых He-Ne-лазеров предлагается, поворачивая призму, выбрать требуемую длину волны.
РАБОТА 17. ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
1. Ознакомиться с принципом действия и устройством гелий-неонового лазера.
2. Ознакомиться с интерференцией, дифракцией и поляризацией лазерного излучения.
3. Определить периоды двумерной структуры.
4. Определить угол расходимости лазерного луча.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Лазер принципиально новый источник света. От излучения обычных источников (лампы накаливания, лампы дневного света и т.д.) излучение лазера отличается тем, что оно близко к монохроматическому, обладает исключительно высокой временной и пространственной когерентностью, очень малой расходимостью, а, следовательно, исключительно высокой плотностью электромагнитной энергии. Кроме того луч лазера поляризован.
Принцип действия лазера основан на трех физическихявлениях: вынужденное излучение, инверсия населенности и положительная обратная связь.
Поведение атомов (молекул) подчиняется законам квантовой механики, согласно которым значения физических величин (например, энергии Е) могут принимать лишь определенные (дискретные) значения. Для энергии эти значения принято графически изображать в виде так называемых уровней энергии (рис.1).
Самый нижний энергетический уровень называется основным, так как отвечает наиболееустойчивому состоянию частицы. Остальные уровни с более высокими значениями энергии называются возбужденными.
Процесс, сопровождающийся увеличением энергии атома, изображается как переход на более высокий энергетический уровень, процесс с уменьшением энергии - как переход на более низкий уровень.
Рассмотрим взаимодействие электромагнитного излучения (света) с атомами.
Первый вид взаимодействия: атом, находясь в основном состоянии, поглощает фотон, энергия которого достаточна для перехода в одно из возбужденных состояний (рис. 1а).
и второй : атом, находящийся в возбужденном состоянии,
спонтанно (самопроизвольно) переходит в более низкое энергетическое состояние: этот переход сопровождается излучением фотона (рис. 1в).
При спонтанных переходах различные атомы излучают неодновременно и независимо, поэтому, фазы излучаемых фотонов не связаны между собой, направление излучения, его поляризация носят случайный характер, а частота излучения колеблется в некоторых пределах, определяемых шириной энергетических уровней Е 1 и Е 2 .
Спонтанное излучение ненаправленное, неполяризованное, немонохроматичное.
Существует, однако, третий вид взаимодействия , который называется вынужденным излучением. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии (рис.2), падает излучение с частотой ν соответствующей переходу атома в более низкое состояние (1), то атом переходит в него вынужденно под действием этого фотона, излучая при этом свой фотон, который называется вынужденным излучением.
Исключительно важно отметить характерное свойство вынужденного излучения: излученная волна (фотон) имеет точно то же направление и фазу, что и вынуждающая. Кроме этого эти две волны имеют одинаковые частоты и состояния поляризации.
При переходах 1→2 (рис. 1а) внешнее излучение поглощается, а при вынужденных переходах 2→1 (рис.2) наоборот, усиливается, т.к. к внешнему фотону добавляется фотон, испущенный атомом. Вероятности переходов 1→2 и 2→1одинаковы. Если большинство атомов находится в возбужденном состоянии, то тогда чаще будут происходить переходы 2→1. Другими словами, для усиления внешнего излучения необходимо, чтобы населенность уровня 2 была выше населенности уровня 1 или необходимо создать инверсию заселенности уровней.
При температуре Т число атомов N в состоянии с энергией Е определяется формулой Больцмана
N ~ exp(-E/kT)
где k – постоянная Больцмана.
Отсюда видно, что чем больше энергия состояния Е, тем меньше число N атомов находится в этом состоянии. Значит, в равновесном состоянии больше населены нижние уровни, и поглощение света преобладает над усилением.
Инверсия заселенности уровней отвечает неравновесному состоянию атомов среды.
Создать такое состояние можно искусственно, подводя
энергию к рабочему веществу, за счет которой атомы переводятся на верхний энергетический уровень. Такой процесс называется накачкой.
В разных типов лазеров накачка осуществляется по-разному: в твердотельных лазерах осуществляется за счет поглощения света от дополнительных ламп, в газовых - за счет передачи атомам газа энергии ускоренных электрическим полем электронов при их столкновениях.
Среда, в которой осуществлена инверсия заселенности, называется активной средой.
Слово "лазер" составлено из начальных букв английской фразы: "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает: "усиление света с помощью вынужденного излучениям". Лазеры также называют оптическими квантовыми генераторами (ОКГ).
Газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер.
Основным элементом гелий-неонового лазера непрерывного
действия является трубка 2 (рис.3), наполненная смесью гелия и неона с парциальными давлениями порядка 1 и 0,1 мм.рт.ст., соответственно. Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными пластинами 3, установленными под углом Брюстера к ее оси.
Накачка в газовом лазере осуществляется за счет энергии источника питания, поддерживающего тлеющий разряд между катодом 4 и анодом 5. Разряд в трубке возникает при 1,5-2,0 кВ. Разрядный ток трубки составляет десятки миллиампер.
Рабочими атомами гелий-неонового лазера являются атомы
неона, излучающие красные фотоны (λ =632,8 нм), На рис. 4 приведена упрощенная схема уровней атомов неона и гелия.
В чистом неоне заселение состояний 3S при накачке малоэффективно, поскольку этот уровень имеет малое время жизни, и атом неона спонтанно переходит в состояние 2Р.
Ситуация меняется, когда к неону добавляют гелий. Энергия уровня 2S гелия равна энергии уровня 3S неона. Уровень же энергии 2S гелия является долгоживущим и эффективно заселяется при накачке. При столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона энергия передается атомам неона. В результате создается инверсная заселенность рабочего уровня 3S неона.
 |
После этого в активной среде происходят многочисленные
акты спонтанных переходов 3S→2P, появляющиеся фотоны (λ =632,8 нм) приводят к вынужденным переходам. Те фотоны, которые движутся под некоторым углом к оси трубки, не участвуют в получении луча лазера. Формирование луча лазера идет только за счет фотонов, испускаемых вдоль оси трубки.
Усиление луча идет значительно быстрее, если свет возвращать обратно в активную среду, где он снова будет усиливаться за счет вынужденных переходов. О такой ситуации говорят как об обратной связи. Для создания положительной обратной связи в лазерах используют оптический резонатор, который представляет собой два зеркала 1 (рис.3).
Нарастание интенсивности вынужденного излучения происходит лавинообразно, и она становится существенно больше интенсивности спонтанного излучения, которое в дальнейшем можно не учитывать.
Генерация луча лазера начинается в тот момент, когда увеличение энергии излучения за счет вынужденных переходов превосходит потери энергии за каждый проход резонатора. Для вывода луча из резонатора одно из зеркал 1 делается полупрозрачным. Поверхности обоих зеркал покрыты пленками, толщина которых подбирается таким образом, чтобы отражались волны нужной длины волны, а все другие гасились.
Прозрачность зеркал резонатора обычно меньше 1%.
Характеристики лазерного излучения.
Похожая информация.
В качестве примера рассмотрим устройство и принцип работы гелий-неонового лазера, используемого в нашей лаборатории. Рабочее вещество – атомы неона (Ne ). Используется электрическая накачка: через газоразрядную трубку идет поток электронов; при столкновении быстрых электронов с атомами неона последние возбуждаются и их электроны переходят на верхние энергетические уровни. Однако для атомов неона прямая накачка электронным ударом оказалась недостаточно эффективной. Чтобы ускорить передачу энергии, к неону добавлен гелий (He ).
Схема накачки показана на рис. 4.2. В
результате столкновений с электронами
атомы гелия переходят с основного уровня
на уровень 2
S
. Эти
возбуждённые атомы гелия сталкиваются
с атомами неона и отдают им запасенную
энергию. В результате атомы неона
переходят с основного уровня на уровень,
который близко расположен к уровню2
S
гелия. В резуль-тате на
уровне неона создается з
начительная
насе-лённость. В то же время, уровень
населен мало, поскольку он быстро
очи-щается благодаря спон-танным
переходам на нижележащие уровни. На
переходе
возни-кает инверсная населенность.
Переход атома неона с верхнего
уровня на ниж-ний уровень
приводит к лазерному излучению с длиной
волны
мкм, что соответствует красному
свету.
П
усть
имеется среда, в которой создана инверсная
населенность, т.е. условие (4.7) имеет
место. В такой среде вынужденное излучение
сильнее, чем поглощение. Поэтому среда
будет усиливать проходящий свет с
частотойν
(длиной волныλ)
,
соответствующей переходу между уровнями
с инверсной населенностью (см. формулу
(4.2)). Однако это усиление невелико: в
гелий-неоновом лазере свет, пройдя в
активной среде путь в1
м, усиливается
всего на2
%. Поэтому для получения
яркого излучения необходимо, чтобы путь
света в активной среде был очень длинным.
Это достигается с помощьюоптического
резонатора
. Активная среда с инверсной
населенностью и оптический резонатор
– две основные части любого лазера.
На рис. 4.3 схематически изображено устройство гелий-неонового лазера. В середине находится газоразрядная трубка (ГРТ) с активной средой – ге-лий-неоновой смесью. Пар-циальное давление гелия – 1 мм рт.ст. (133 Па), а неона –0,1 мм рт.ст. (13,3 Па). Трубка имеет катодК и анодА . При накаленном катоде и поданном между катодом и анодом высоком напряжении в наполняющих трубку газах может поддерживаться светящийся электрический разряд. Во время разряда падение анодного напряжения в трубке достигает1,5 кВ, ток через трубку достигает30 mA. При прохождении тока через смесь в ней возникает инверсная населенность.
Оптический резонатор – это два высококачественных зеркала З1 иЗ2 (плоские или сферические), одно из которых (З2 ) полупрозрачное. Зеркала установлены у концов газоразрядной трубки параллельно друг другу. Свет, отражаясь от зеркал резонатора, многократно проходит через газоразрядную трубку. В результате путь света в активной среде удлиняется настолько, что усиление света достигает большой величины. Перед началом лазерной генерации в среде имеется некоторое количество спонтанного излучения. Это излучение, отражаясь от зеркал, много раз проходит через активную среду. На каждом проходе оно усиливается за счет вынужденного излучения среды. В итоге возникает яркий лазерный луч, выходящий из полупрозрачного зеркала.
Однако только малая часть спонтанного излучения будет возбуждать лазерную генерацию. Оптический резонатор обладает большой избирательностью: среди спонтанного излучения он отбирает волны с определенным направлением распространения. Действительно, много-кратное отражение будут испытывать только волны, распрост-раняющиеся вдоль оптической оси резонатора. Спонтанное излучение, идущее под углом к оси, уходит из резонатора и в лазерной генерации не участвует. По этой причине лазер генерирует узкий, мало-расходящийся пучок света.
Излучение гелий-неонового лазера
эллиптически-поляризованно. Это вызвано
тем, что окна газоразрядной трубки
установлены под углом Брюстера
.
Отражение проходящего света от окон
газоразрядной трубки подавляет лазерную
генерацию. Устанавливая окна под углом
Брюстера, добиваются того, что свет, в
котором векторЕ
колеблется в
плоскости падения, проходит через окно
практически без отражения.
В результате
только такой поляризованный свет
генерируется лазером.
Таким образом, из гелий-неонового лазера выходит узкий пучок красного эллиптически-поляризованного света. Этот свет – результат вынужденного излучения. Наряду с вынужденным излучением имеется спонтанное, которое не поляризовано и выходит из лазера во всех направлениях. Это излучение не участвует в лазерной генерации. Спонтанное излучение лазера много слабее вынужденного, яркость его примерно такая же, как у обычной газоразрядной трубки.
Целью работы является исследование основных характеристик и параметров газового лазера, в качестве активного вещества в котором используется смесь газов гелия и неона.
3.1. Принцип действия гелий-неонового лазера
Гелий-неоновый лазер является типичным и наиболее распространенным газовым лазером. Он относится к атомарным газовым лазерам и его активной средой служит смесь нейтральных (неионизированных) атомов инертных газов – гелия и неона. Неон является рабочим газом, и между его энергетическими уровнями происходят переходы с испусканием когерентного электромагнитного излучения. Гелий исполняет роль вспомогательного газа и способствует возбуждению неона и созданию в нем инверсии населенности.
Для начала генерации в любом лазере должны быть выполнены два важнейших условия:
1. Между рабочими лазерными уровнями должна существовать инверсия населенности.
2. Усиление в активной среде должно превышать все потери в лазере, в том числе «полезные» потери на вывод излучения.
Если в системе существуют два уровня Е 1 и Е 2 с числом частиц на каждом из них соответственно N 1 и N 2 и степенью вырождения g 1 и g 2 , то инверсия населенностей будет происходить, когда населенность N 2 /g 2 верхнего уровня Е 2 будет больше населенности N 1 /g 1 нижнего уровня Е 1 , то есть степень инверсии ΔN будет положительна:
Если уровни Е 1 и Е 2 невырождены, то для возникновения инверсии необходимо, чтобы число частиц N 2 на верхнем уровне Е 2 было больше числа частиц N 1 на нижнем уровне Е 1 . Уровни, между которыми возможно образование инверсии населенностей и возникновение вынужденных переходов с испусканием когерентного электромагнитного излучения, называют рабочими лазерными уровнями .
Состояние с инверсией населенностей создается с помощью накачки – возбуждения атомов газа различными методами. За счет энергии внешнего источника, называемого источником накачки , атом Ne с основного уровня энергии E 0 , соответствующего состоянию термодинамического равновесия, переходит в возбужденное состояние Ne*. Переходы могут происходить на различные энергетические уровни в зависимости от интенсивности накачки. Далее происходят спонтанные или вынужденные переходы на нижележащие уровни энергии.
В большинстве случаев нет необходимости рассматривать все возможные переходы между всеми состояниями в системе. Это дает возможность говорить о двух-, трех- и четыхуровневых схемах работы лазеров. Вид схемы работы лазера определяется свойствами активной среды, а также используемым методом накачки.
Гелий-неоновый
лазер работает по трехуровневой схеме,
как показано на рис. 3.1. В этом случае
каналы накачки и генерации излучения
частично разделены. Накачка активного
вещества вызывает переходы с основного
уровня E
0
на возбужденный уровень E
2 ,
что приводит к возникновению инверсии
населенностей между рабочими уровнями
E
2
и E
1 .
Активная среда, находящаяся в состоянии
с инверсией населенностей рабочих
уровней, способна усиливать электромагнитное
излучение с частотой
за счет процессов вынужденного испускания.
Рис. 3.1. Схема энергетических уровней рабочего и вспомогательного газа, поясняющая работу гелий-неонового лазера
Так
как уширение уровней энергии в газах
мало и широкие полосы поглощения
отсутствуют, то получение инверсной
населенности с помощью
оптического
излучения затруднено. Однако в газах
возможны другие методы накачки: прямое
электронное возбуждение и резонансная
передача энергии при столкновении
атомов. Возбуждение атомов при столкновении
с электронами может быть проще всего
осуществлено в электрическом разряде,
где ускоренные электрическим полем
электроны
могут приобрести значительную кинетическую
энергию. При неупругих столкновениях
электронов с атомами последние переходят
в возбужденное состояниеE
2:
Важно, что процесс (3.4) носит резонансный характер: вероятность передачи энергии будет максимальна, если возбужденные энергетические состояния различных атомов совпадают, т. е. находятся в резонансе.
Подробно уровни энергии Не и Ne и основные рабочие переходы схематически изображены на рис. 3.2. Переходы, соответствующие неупругим взаимодействиям атомов газов с быстрыми электронами (3.2) и (3.3), показаны пунктирными стрелками вверх. Атомы гелия в результате электронного удара возбуждаются на уровни 2 1 S 0 и 2 3 S 1 , которые являются метастабильными. Излучательные переходы в гелии в основное состояние 1 S 0 запрещены правилами отбора. При столкновении возбужденных атомов Не с атомами Ne, находящимися в основном состоянии 1 S 0 , возможна передача возбуждения (3.4), и неон переходит на один из уровней 2S или 3S. При этом выполняется условие резонанса, поскольку энергетические зазоры между основными и возбужденными состояниями во вспомогательном и рабочем газе близки между собой.
С уровней 2S и 3S неона могут происходить излучательные переходы на уровни 2Р и 3Р. Уровни Р менее заселены, чем верхние уровни S, так как прямая передача энергии от атомов He на эти уровни отсутствует. Кроме того, уровни Р обладают малым временем жизни, и безызлучательный переход Р→1S опустошает уровни Р. Таким образом, возникает ситуация (3.1), когда населенность верхних уровней S выше населенности нижележащих уровней Р, т. е. между уровнями S и P возникает инверсия населенности, а значит переходы между ними могут использоваться для лазерной генерации.
Так как число уровней S и Р велико, то возможен большой набор различных квантовых переходов между ними. В частности, с четырех уровней 2S на десять уровней 2Р правилами отбора разрешены 30 различных переходов, на большинстве из которых получена генерация. Наиболее сильной линией излучения при переходах 2S→2Р является линия 1,1523 мкм (инфракрасная область спектра). Для переходов 3S→2Р наиболее значима линия 0,6328 мкм (красная область), а для 3S→3Р – 3,3913 мкм (ИК-область). Спонтанное излучение происходит на всех перечисленных длинах волн.
Рис. 3.2. Энергетические уровни атомов гелия и неона и схема работыHe-Ne-лазера
Как указывалось ранее, после излучательных переходов на уровни Р происходит безызлучательный радиационный распад при переходах Р→1S. К сожалению, уровни неона 1S являются метастабильными, и если в газовой смеси не содержится других примесей, то единственным способом перехода атомов неона в основное состояние с уровня 1S является соударение со стенками сосуда. По этой причине усиление системы увеличивается при уменьшении диаметра разрядной трубки. Поскольку состояния 1S неона опустошаются медленно, то атомы Nе задерживаются в этих состояниях, что является весьма нежелательным и определяет ряд особенностей этого лазера. В частности, при увеличении тока накачки выше порогового значения j пор происходит быстрое увеличение, а затем насыщение и даже спад мощности лазерного излучения, что как раз и объясняется накоплением рабочих частиц на уровнях 1S и затем их перебросом в состояния 2Р или 3Р при столкновении с электронами. Это не дает возможности получать высокие выходные мощности излучения.
Возникновение инверсной населенности зависит от давления He и Ne в смеси и температуры электронов. Оптимальные значения давлений газов составляют для Не 133 Па, для Ne – 13 Па. Температура электронов задается напряжением, прикладываемым к газовой смеси. Обычно это напряжение поддерживается на уровне 2…3 кВ.
Для получения лазерной генерации необходимо, чтобы в лазере существовала положительная обратная связь, иначе прибор будет работать только как усилитель. Для этого активную газовую среду помещают в оптический резонатор. Кроме создания обратной связи резонатор используется для селекции типов колебаний и отбора длины волны генерации, для чего применяются специальные селективные зеркала.
При
уровнях накачки, близких к пороговому,
сравнительно легко осуществляется
генерация на одном типе колебаний. С
увеличением уровня возбуждения, если
не принимается специальных мер, возникает
ряд других мод. В этом случае генерация
происходит на частотах, близких к
резонансным частотам резонатора, которые
заключены в пределах ширины атомной
линии. В случае аксиальных типов колебаний
(ТЕМ 00 -мод)
расстояние по частоте между соседними
максимумами
,
гдеL
– длина резонатора. В результате
одновременного присутствия нескольких
мод в спектре излучения возникают биения
и неоднородности. Если бы существовали
только аксиальные моды, то спектр
представлял бы собой отдельные линии,
расстояние между которыми было бы равно
c
/
2L
.
Но в резонаторе возможно также возбуждение
неаксиальных типов колебаний, например
ТЕМ 10 -мод,
наличие которых сильно зависит от
настройки зеркал. Поэтому в спектре
излучения появляются дополнительные
линии-спутники, расположенные симметрично
по частоте по обе стороны от аксиальных
типов колебаний. Возникновение новых
типов колебаний с увеличением уровня
накачки легко определяется при визуальном
наблюдении структуры поля излучения.
Также визуально можно наблюдать влияние
юстировки резонатора на структуру мод
когерентного излучения.
Газы по сравнению с конденсированными средами обладают большей однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается, а излучение гелий-неонового лазера характеризуется хорошей стабильностью частоты и высокой направленностью, которая достигает своего предела, обусловленного дифракционными явлениями. Дифракционный предел расходимости для конфокального резонатора
|
|
,где λ – длина волны; d 0 – диаметр светового пучка в наиболее узкой его части.
Излучение гелий-неонового лазера характеризуется высокой степенью монохроматичности и когерентности. Ширина линий излучения такого лазера значительно ỳже «естественной» ширины спектральной линии и на много порядков меньше предельной степени разрешения современных спектрометров. Поэтому для ее определения проводят измерение спектра биений различных мод в излучении. Кроме того, излучение этого лазера плоскополяризовано из-за применения окон, расположенных под углом Брюстера к оптической оси резонатора.
Доказательством когерентности излучения может быть наблюдение дифракционной картины при наложении излучений, полученных из различных точек источника. Например, когерентность можно оценить, наблюдая интерференцию от системы нескольких щелей. Из опыта Юнга известно, что для наблюдения интерференции света от обычного «классического» источника излучение сначала пропускают через одну щель, а затем через две щели, и тогда на экране образуются интерференционные полосы. В случае же использования лазерного излучения первая щель оказывается ненужной. Это обстоятельство является принципиальным. Кроме того, расстояние между двумя щелями и их ширина могут быть несоизмеримо больше, чем в классических опытах. У выходного окна газового лазера располагают две щели, расстояние между которыми 2a . В случае, когда падающее излучение когерентно, на экране, расположенном на расстоянии d от щелей, будет наблюдаться интерференционная картина. При этом расстояние между максимумами (минимумами) полос
|
|
.