Лабораторная установка и метод измерений

Устройство лазера изображено на рисунке 77.4. Основой конструкции лазера является длинная кварцевая трубка, торцы которой срезаны относительно оптической оси трубки под углом Брюстера φ, что обеспечивает избирательность излучения по поляризации. Длинная трубка выделяет фотоны , идущие по её оси. Фотоны, появляющиеся вследствие индуцированного излучения и летящие под произвольным углом к оси, поглощаются стенками трубки. Таким образом, выходящий пучок получается остронаправленным с высокой плотностью энергии в сечении и малой угловой расходимостью.

Схема He-Ne лазера

Рисунок 77.4

1 и 6 - частично прозрачные зеркала, плоское и сферическое. Излучение выходит через плоское зеркало. 2 - кварцевая трубка, наполненная смесью гелия (100 Па) и неона (10 Па). К концам трубки приклеены кварцевые пластины под углом Брюстера. 3,4,5 - внешние электроды, соединенные с генератором 7.

Оптическим резонатором является система плоского и сферического зеркал, покрытых многослойными диэлектриками с высоким коэффициентом отражения для определённой длины волны λ.

Рабочей средой лазера является смесь газов гелия и неона, взятых в соотношении 10:1 или 15:1. Излучающим веществом является неон. С помощью высококачественного генератора (с частотой несколько десятков МГц и потребляемой мощностью 50Вт) в трубке устанавливается тлеющий газовый заряд.

Схема энергетических уровней газов приведена на рисунке 77.5:

Рисунок 77.5

Энергетические уровни неона и гелия. Метастабильные состояния гелия близки по значениям энергии метастабильным состояниям неона.

Появляющиеся в разряде электроны, сталкиваясь с атомами гелия и неона, переводят их в возбужденные состояния. Но для создания инверсии населённостей между уровнями 35 - 2р или 25 - 2р неона этого механизма возбуждения недостаточно. Основную «работу» по созданию инверсии населенностей выполняет гелий. Состояния 2¹5 и 2³5 гелия метастабильны, излучательные переходы с них запрещены. За время существования в этих состояниях атомы гелия успевают столкнутся с невозбужденными атомами неона. Так как. уровни 2¹5 гелия и 35 неона близки по значениям энергии, то при таком неупругом ударе происходит резонансная передача энергии от атомов гелия к атомам неона. При достаточно большом количестве атомов гелия в смеси этот механизм способствует созданию инверсии населённостей между уровнями 35 и 2р (25 и 2р) неона. Кроме того, уровень 2р опустошается за счет соударения атомов неона со стенками газоразрядной трубки. Для эффективного опустошения уровня, 2р диаметр ограничивает количество неона, и следовательно, мощность генерации.

Оптимальный диаметр газоразрядной трубки 7 мм, а давления газов: неона - 10 Па, гелия - 100 Па. Таким образом, в результате специального подбора парциальных давлений гелия и неона, при правильном выборе диаметра газоразрядной трубки устанавливается стационарная инверсия населённостей между выбранными уровнями неона, и лазер работает в непрерывном режиме. Фотоны, вызывающие индуцированное излучение, появляются в активной среде за счет спонтанных переходов 35 - 2р(25 - 2р). Эти фотоны летят по всевозможным направлениям, но те, которые летят вдоль оси трубки, отражаются от зеркал оптического резонатора и, возвращаясь в среду, вызывают генерацию в направлении оси, а остальные поглощаются стенками трубки.

За счет множества подуровней 35, 25 и 2р газовый гелий - неоновый лазер может работать примерно на 30 длинах волн в инфракрасной (ИК) и видимой областях спектра. Многослойные диэлектрические покрытия зеркал позволяют создать необходимый коэффициент отражения для данной длины волны и возбудить тем самым генерацию на требуемой частоте. Излучаемый в работе лазер работает в видимом диапазоне на волне 6328 А (632,8 нм).

Основными характеристиками лазера, определяемыми в данной работе, являются угловая расходимость пучка лазерного излучения, выходная мощность (световой поток) лазера - энергия, излучаемая им в единицу времени, число фотонов, излучаемых лазером в единицу времени, зависимость светового потока от величины разрядного тока. Ток разряда является важнейшей характеристикой работы лазера. При его увеличении растет концентрация электронов, следовательно, интенсивнее заселяются энергетические уровни 35 и 2р неона, и выходная мощность лазера растет. Но при очень большом токе разряда начинает интенсивно заселяться и уровень 2р, что приводит к уменьшению инверсии населенностей и, как следствие, к уменьшению мощности излучения вплоть до срыва генерации.

Порядок выполнения рабготы:

1) Включить лазер тумблером «СЕТЬ».

2) Определить расходимость «α» лазерного пучка по формуле (77.3). Для этого на выходе пучка и на расстоянии L от лазера определить диаметры пучка ( d₁ - на выходе,d - на расстоянии)

Ah – лазер; α - расходимость пучка; d1 – диаметр пучка на выходе; d – диаметр пучка на расстоянии от лазера.

Рисунок 77.6

На рисунке ; ; α= (77.3)

3) Повторить операции пункта 2 на нескольких расстояниях h от лазера. Данные занести в таблицу и обработать результаты методом расчета погрешностей прямых измерений.

«α» в радианах перевести в угловые минуты, 1 рад = 57,3.

4) Определить световой поток лазера путем измерения освещенности Е и диаметра d лазерного пучка на расстоянии L от лазера по формуле (77.2).

5) Правила пользования люксметром: на светочувствительную пластинку люксметра падает световой поток, и, если пластинка освещена полностью, прибор показывает истинное значение освещенности. Если световой поток засвечивает не всю площадь пластинки, то показание люксметра (пропорциональное площади) во столько раз меньше истинной освещенности, во сколько раз площадь пластинки Sпл больше освещаемой площади.

Площадь, освещаемая лазером, существенно меньше Sпл, поэтому для правильного измерения освещенности светочувствительная пластинка закрыта черной бумагой с отверстием, площадь которого Sотв меньше площади, освещаемой лазером. В этом случае освещенность, даваемая лазером и дневным светом (фон), будет определяться в одинаковых условиях. Рабочей формулой, определяющей световой поток, будет выражение

Ф=(Елаз-Ефон)* *Sлаз=(Елаз-Ефон)* Sпл* (77.4),

где Е_лаз – показания люксметра в пучке лазера; Е_фон – показания люксметра в дневном свете; d_лаз – диаметр лазерного пучка на расстоянии L от лазера; d_отв – диаметр отверстия в черной бумаге.

6) Используя формулу (77.4), повторить измерения Ф на разных расстояниях L от лазера. Данные занести в таблицу и обработать результаты методом расчёта погрешностей прямых измерений. По формуле (77.5) перевести световую единицу измерения Ф(лм) в энергетическую-(Вт). Для наблюдения длины волны

Ф(Вт)=Ф(лм)/100 (77.5)

7) По среднему значению светового потока <Ф> рассчитать число фотонов n, испускаемых лазером в единицу времени. Так как. Ф=nhν, то n=Ф/hν=Фλ/hс, где hν - энергия одного фотона; λ - длина волны излучения лазера, λ=632,8 нм; с- скорость света, с=3*10⁸м/с; h- постоянная Планка, h=6,63*10^-34Джс.

Таблица 77.1

№	D1,м	H,м	d,м	α,рад	∆α,рад	Ефон,лк	Елаз,лк	Ф,лм	∆Ф,лм	Ф,Вт	n,с-1
Ср.

8) Записать результаты α, Ф и n с учетом полученных погрешностей.