ДОСЛІДЖЕННЯ ОПТИЧНОГО КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА (ЛАЗЕРА)

8.1 Мета роботи

Вивчення принципу роботи і будови оптичного квантового генератора (ОКГ). Вимірювання параметрів і характеристик вимушеного випромінювання. Застосування лазера в оптичних дослідах.

8.2 Вказівки з організації самостійної роботи студентів

Вивчити процеси випромінювання та поглинання випромінювання атомами речовини [1, с. 463-465; 2, с. 373-376; 3, с. 70-78]. Зверніть увагу на те, що інтенсивність спонтанного випромінювання не залежить, а вимушеного (стимульованого, індукованого) залежить від густини випромінювання.

Необхідно вміти визначати основні характеристики і параметри випромінювання [1, с. 461; 2, с. 372].

Оптичний квантовий генератор являє собою прилад, в якому створені умови для отримання вимушеного випромінювання. Лазер обов’язково має три основні компоненти:

1. Активне середовище з інверсною заселеністю енергетичних рівнів.

2. Систему накопичування енергії.

3. Оптичний резонатор (пристрій, який формує світловий потік в заданому напрямку).

Система накачування (в твердотільних лазерах це – лампа-спалах, в газових – газовий розряд) створює середовище з інверсною заселеністю рівнів. Первинні фотони, які рухаються уздовж осі, як і фотони, ними індуковані, викликають лавиноподібне зростання фотонного потоку, чому сприяє відбиття потоку від дзеркал резонатора. Накладання відбитих від дзеркал і “прямих” фотонів утворює стоячу хвилю, яка виконує індукуючу дію. Частина індукованого випромінювання виходить назовні через напівпрозоре дзеркало.

Інтенсивності випромінювання , і поглинання одиниці об’єму збудженого середовища можуть бути розраховані за формулами:

; (8.1)

; (8.2)

, (8.3)

де , , – коефіцієнти Ейнштейна, які визначають імовірність спонтанного випромінювання, вимушеного випромінювання і вимушеного поглинання відповідно;

, – густина частинок у станах з енергіями , ;

– густина енергії випромінювання на частоті переходу.

Щоб отримати потужне індуковане випромінювання, необхідно створити інверсну заселеність рівнів ( ) і забезпечити в середовищі високу густину енергії на частоті , що відповідає переходу між цими рівнями. Висока об’ємна густина енергії випромінювання досягається розташуванням активного середовища в резонаторі.

Розглянемо процес створення активного середовища на прикладі гелій-неонового лазера (суміш гелію і неону з співвідношенням концентрацій 10:1 і тиском близько 1мм рт.ст.). Енергетичні рівні незбуджених атомів гелію і неону (1S-стан) практично однакові. Атоми гелію мають два близьких за енергіями підрівні 2S (рис. 8.1). Перехід відбувається за рахунок непружних співударянь частинок в газовому розряді (фотонний перехід заборонено правилом добору).

Рисунок 8.1 – Процес створення активного середовища в ОКГ

При зіткненнях у газовому розряді енергія від атомів гелію переходить до атомів неону, частина яких опиняється у стані 4S, а частина – у стані 5S. Час життя атомів неону на рівнях 4S і 5S на два порядки більше, ніж на рівнях 3Р, внаслідок чого в газовому розряді при безперервному підкачуванні енергії створюється інверсна заселеність рівнів неону 4S і 5S відносно 3Р.
Перехід призводить до утворення індукованого червоного світла
( мкм), а перехід відіграє роль очисника рівнів 4S і 5S, що збільшує відносну інверсну заселеність рівнів 4S і 5S.

Інтенсивність вимушеного випромінювання дорівнює

, (8.4)

де , .

З формули (8.4) видно, що інтенсивність лазерного випромінювання пропорційна і .

8.3 Опис лабораторної установки

Обладнання: газовий ОКГ з регульованим блоком живлення, монохроматор, аналізатор, екран, таблиці спектральних ліній.

Схема лабораторного макета наведена на рис. 8.2. Активне середовище (газ під низьким тиском) знаходиться в скляній трубці 1, закритій з торців вікнами 2, встановленими під кутом Брюстера. До двох електродів 3 підводиться високовольтна напруга. Під її дією в газі відбувається електричний розряд, що збуджує атоми газу. Трубка з газом розташована між дзеркалами 4 високодобротного відкритого резонатора (рис. 8.2). Одне з дзеркал резонатора напівпрозоре і через нього виходить випромінювання. Фотодіод VD разом з цифровим мікроамперметром PA2 дозволяє реєструвати зміну інтенсивності вимушеного випромінювання. За допомогою монохроматора M можна спостерігати спектр випромінювання активного середовища ОКГ, знайти в ньому лінію вимушеного випромінювання і визначити довжини хвиль. Таблиці спектральних ліній або зразкові спектри атомів знаходяться на робочому місці.

Рисунок 8.2 –Схема лабораторної установки

Поляризація вимушеного випромінювання визначається за допомогою аналізатора A і приймача променевої енергії VD. Шкала, нанесена на обойму аналізатора, дозволяє вимірювати кути повороту аналізатора навколо осі. Екран E дозволяє визначати кут розходження вимушеного випромінювання.

8.4 Порядок виконання роботи і методичні вказівки з її виконання

8.4.1 Підготовка макета до роботи

Увімкніть блок живлення ОКГ. З випромінювача має з’явитися яскравий червоний промінь випромінювання.

8.4.2 Визначення складу активного середовища

Установіть ОКГ перед вхідною щілиною монохроматора M так, щоб в нього потрапляло випромінювання збудженого середовища. Підбором ширини вхідної щилини, фокусуванням окуляра досягніть чіткого зображення спектра. Обертаючи відрахунковий барабан монохроматора, проскануйте спектр випромінювання. Для найбільш яскравих ліній зареєструйте показники за відрахунковим барабаном. Використовуючи градуювальну криву монохроматора, визначте довжини хвиль найбільш яскравих ліній випромінювання. Калібрування монохроматора проведіть за відомою довжиною хвилі вимушеного випромінювання лазера . Результати вимірювань занесіть до табл. 8.1.

Таблиця 8.1 – Визначення складу активного середовища

	Колір лінії спектра	Показник	Довжина хвилі, l, нм	Середовище
	червоний
...

Порівнюючи лінії випромінювання активного середовища з еталонною спектрограмою різних атомів, що знаходиться на монохроматорі, визначте склад активного середовища.

8.4.3 Визначення поляризації вимушеного випромінювання

Між ОКГ і приймачем випромінювання VD розташуйте оптичний аналізатор A. Повертаючи аналізатор навколо осі на 360⁰, виміряйте інтенсивність випромінювання, що пройшло крізь аналізатор, при різних кутах повороту . Результати занесіть до табл. 8.2.

Таблиця 8.2 – Залежність інтенсивності випромінювання від кута повороту аналізатора

j, град					...
I_В, нА

Побудуйте графік одержаної залежності і перевірте, чи виконується закон Малюса. Якщо закон Малюса не виконується, підрахуйте ступінь полярізації за формулою

, (8.5)

де і – максимальна і мінімальна інтенсивність випромінювання.

8.5 Зміст звіту

Результати вимірювань подайте у вигляді графіка залежності інтенсивності випромінювання від кута повороту аналізатора. Наведіть дані ступеня поляризації лазерного випромінювання.

8.6 Контрольні запитання і завдання

1. У чому суть вимушеного випромінювання?

2. Що таке принцип детальної рівноваги?

3. У чому полягає фізичний зміст коефіцієнтів Ейнштейна?

4. Що таке інверсна заселеність енергетичних рівнів?

5. Як в ОКГ отримується інверсна заселеність рівнів?

6. Що таке від’ємна абсолютна температура?

7. Які умови потрібні для отримання інтенсивного вимушеного випромінювання?

8. Назвіть основні елементи ОКГ.

9. Який принцип будови та роботи лазера?

10. Які властивості має випромінювання лазера? Що таке когерентність?

11. Які прямі вимірювання потрібно провести в роботі?

12. Сформулюйте закон Малюса.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8910 Следующая ⇒