35 изследване на робски газов лазер
Лабораторна работа No35
ИЗСЛЕДВАНЕ НА РАБОТАТА НА ГАЗЕН ЛАЗЕР
Обективен: запознайте се с устройството и принципа на действие на газовия лазер; определя дивергенцията на лазерния лъч, дължината на вълната на излъчване с помощта на дифракционна решетка; изучават принципа на получаване на холографски изображения.
Устройства и аксесоари: газов лазер LGN-109, дифракционна решетка, измервателна линийка, подвижен екран, оптична пейка от тип FOS-67, комплект холограми.
Оптичните квантови генератори (лазери) се основават на генерирането и усилването на светлината поради стимулирано стимулирано излъчване. Индуцирано излъчване на електромагнитни вълни възниква, ако атом под въздействието на фотон от външно излъчване премине от възбудено състояние в основно състояние, докато излъчва нов фотон. Такова взаимодействие на фотон с възбуден атом може да бъде, ако енергията hν на фотона е равна на разликата между енергийните нива на атома в възбудено и основно състояние. В този случай, след взаимодействието на фотон с атом, два фотона ще се разпространят от атома, т.е. има увеличение на светлината. Полученото стимулирано лъчение има същата честота и фаза като лъчението, което стимулира този процес.
В обикновено състояние в материята има много повече невъзбудени атоми, отколкото възбудени; следователно, когато фотоните взаимодействат с материята, процесът на абсорбция преобладава и не се наблюдава усилване на светлината.
За да може процесът на стимулирана емисия да надделее над абсорбцията, е необходимо да се промени разпределението на атомите на дадено вещество върху енергийните нива. Усилването на светлината ще бъде в случай, че концентрацията на атоми на веществото в горните енергийни нива, съответстващи на възбуденото състояние, е по-голяма, отколкото в долните. Това състояние се нарича обратна популация.
Първите квантови генератори на електромагнитни вълни са разработени от руските учени Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и американския физик Чарлз Таунс.
Генераторите, които излъчват лъчение в диапазона на оптичната дължина на вълната, се наричат лазери.
Нека разгледаме принципа на действие и устройството (фиг. 2) на газов хелий-неонов лазер. Основният му структурен елемент е газоразрядна тръба 1, пълна със смес от газове - хелий и неон. Парциалното налягане на хелия е 1 mm Hg, на неона - 0,1 mm Hg, атомите на неона са 10 пъти по-малко от атомите на хелий. Неоновите атоми излъчват (работят), атомите на хелий са спомагателни, необходими за създаване на обратна популация от неонови атоми. Фигура 1 показва енергийните нива на атомите на хелий и неон.
Когато в тръбата възникне електрически разряд, хелиевите атоми се възбуждат и преминават в състояние 2. Първото възбудено ниво на He (2) съвпада с енергийното ниво на 3 Ne атома, следователно, сблъсквайки се с неонни атоми, хелиевите атоми пренасят своята енергия към тях и ги прехвърля в възбудено състояние 3. По този начин в тръбата се създава активна среда, състояща се от неонови атоми с обратна популация. Спонтанният преход на неоновите атоми от енергийно ниво 3 към ниво 2 причинява излъчването на фотони. При по-нататъшно взаимодействие на тези фотони с възбудени неонови атоми възниква индуцирано кохерентно излъчване и в тръбата се увеличава потока на фотоните. За да се увеличи мощността на излъчване, тръбата се поставя в огледален резонатор, състоящ се от две огледала 5 и 6 (фиг. 2). Отразявайки се от огледалата, потокът от фотони, летящи по оста на тръбата, многократно преминава през нея. В този случай все по-голям брой неонови атоми се включват в процеса на индуцирана радиация и интензивността на генерираното лъчение се увеличава. Повишеният радиационен поток през огледалото 5 излиза. Газовият лазер работи в непрекъснат режим на излъчване. Поради факта, че енергийните нива 2 и 3 на неоновите атоми имат сложна структура, лазерът може да излъчва до 30 различни дължини на вълната в инфрачервения и видимия диапазон. Резонаторните огледала 5 и 6 са направени многослойни, за да се създаде, поради смущения, необходимия коефициент на отражение за една вълна. По този начин лазерът произвежда строго едноцветно излъчване. Така че червен хелий-неонов лазер излъчва дължина на вълната 632,8 nm.