III. Теоретическая часть

Лабораторная работа

Лазер (оптический квантовый генератор - ОКГ) представляет собой устройство, основными элементами которого является активная среда 1 и два зеркала 2, между которыми помещается эта среда (рис.1). В качестве активной среды в твердотельных лазерах, как правило, используются рубин (кристалл окиси алюминия Al₂O₃,в который при его выращивании введена окись хрома Ct₂O₃) и неодимовое стекло, а в газовых лазерах - аргон, гелий-неоновая смесь, двуокись углерода. В последнее время широкое распространение получили жидкостные лазеры, в которых активной средой являются растворы красителей.

Для излучения лазера характерны: монохроматичность (когерентность во времени), пространственная когерентность, острая угловая направленность.

Если атому активной среды, находящемуся на основном энергетическом уровне Е₁ (рис.2), сообщить определенное количество энергии, то он может перейти на один из возбужденных уровней с энергией Е_к. Возбужденный атом, самопроизвольно (спонтанно) может перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (фотона). Если испускание света происходит при переходе атома с уровня энергии Е_m. на уровень Е_n, то частота излучения

, (1)

где h - постоянная Планка. Если испускание света атомами происходит спонтанно, то кванты света в виде волновых цугов испускаются атомами независимо друг от друга, т.е. они не "согласовали" друг с другом во времени и, следовательно, имеют различную фазу, т.е. не когерентны.

Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома существует вынужденное (или индуцированное) излучение: атомы испускают под действием внешнего электромагнитного поля (например, световой волны). Оказывается, что частота, поляризация, направление распространения и фаза индуцированного излучения полностью совпадает с соответствующими характеристиками внешней волны, действующей на атом. Это свойство дает возможность управлять излучением атомов и таким образом генерировать и усиливать когерентный свет.

Для генерации света необходимы следующие условия: I) совпадение частоты падающего излучения с одной из частот излучения атома; 2)инверсия населенности энергетических уровней; 3) наличие обратной связи между атомами активной среды и испущенным ими излучением; 4) компенсация потерь энергии за счет генерации вынужденного излучения. Рассмотрим каждое из условий подробнее.

Энергетические спектры одинаковых атомов идентичны, поэтому излучение одного атома может индуцировать испускание другого атома, вследствие чего вынужденное излучение возбужденных атомов порождает лавину фотонов, во всем подобных первому фотону. Создание лавины фотонов предполагает наличие в данный момент достаточного количества возбужденных атомов. Отсюда вытекает второе условие, связанное с населенностью уровней (число атомов N, имеющих энергию Е): населенность N_m верхнего уровня должна быть больше населенности N_nнижнего уровня. Тогда число переходов с вынужденным испусканием больше числа переходов с поглощением - вещество генерирует свет. Состояние рабочего вещества лазера, в котором N_m >;N_n,называется активным или состоянием с инверсией (обращением) населенностей. Инверсное состояние, как правило, реализуется, если верхний уровень метастабильный, т.е. долгоживущий. Его обеднение за счет спонтанных переходов значительно меньше, чем любых других уровней, что связано с разным временем жизни t атомов на них (для метастабильного уровня t~10^-3 с, для остальных t~10^-8–10^-9 с.). Инверсная населенность может быть создана оптической накачкой мощными ксеноновыми лампами (в твердотельных ОКГ) или электрическим током (в газовых ОКГ).

Данная связь между атомами и их излучением осуществляется при помощи зеркал. В простейшем случае возбужденное вещество помещается между двумя зеркалами, одно из которых частично прозрачно для генерируемого света, второе почти полностью отражающее. Испущенная в результате спонтанного перехода атома световая волна усиливается за счет вынужденного испускания при распространении ее через рабочее вещество. Дойдя до зеркала, свет отразится и снова пройдет через активную среду, усиливая, генерацию света, а затем отразится от другого зеркала и т.д. Часть света, падающего на полупрозрачное зеркало, пройдет через него. Эта часть световой энергии испускается лазером и может быть использована.

Усиление света в активном рабочем веществе и коэффициент отражения зеркал должны быть такими, чтобы при одном переходе между зеркалами на полупрозрачное зеркало вернулось световой энергии не меньше, чем в предыдущем случае. Только тогда световой поток энергии начнет нарастать от прохода к проходу, в противном случае генерации не будет.

Твердотельные ОКГ работают обычно в импульсном режиме и характеризуются большой мощностью (при импульсах длительностью Dt~10^-8с мощность в импульсе достигает более 100 МВт). Газовые ОКГ используют чаще всего в непрерывном режиме. Большое распространение получил гелий-неоновый лазер, рабочим веществом которого является неон (Ne). Атомы гелия (He) увеличивают инверсию наcелейностей уровней атомов неона. Мощность гелий-неоновых лазеров 1 - 10 МВт.

В электрическом разряде часть атомов Neпереходит с основного уровня E₁ на долгоживущие возбужденные уровни E₅ и Е₄ (рис. 3).

Инверсия населенностей создается большей населенностью уровней E₅ и Е₄ по сравнению с короткоживущим уровнем E₃. Однако в чистом неоне созданию такой инверсии мешает метастабильный уровень E₂, часть атомов с которого легко переходит на уровень E₃, увеличивая его населенность. Эта трудность преодолевается введением в неон примеси гелия. Энергии двух возбужденных долгоживущих уровней Е₂ и E₃ атомов гелия (рис.3) совпадают с энергиями уровней Е₄ и E₅ атомов неона. Поэтому при столкновении возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона возможна резонансная передача анергии возбуждения, в результате которой атомы неона окажутся в возбужденных состояниях Е₄ и E₅, атомы гелия - в основном. Таким образом происходит дополнительное заселение уровней В₄ и E₅ атомов неона.

Если правильно подобрать парциальные давления Naи Neв смеси, то можно получить инверсию населенностей между уровнями Е₄, E₅ и уровнем E₃ атомов неона. Частота перехода n₅₃ между уровнями E₅ и E3 соответствует видимой области спектра, а частота n₄₃ перехода Е₄ – E₅ - инфракрасной области.

Основным элементом гелий-неонового лазера является разрядная трубка 4 (рис.4), имеющая накаливаемый катод 5 и анод 3. Трубка наполнена смесью гелия и неона с парциальными давлениями соответственно 1 и 10 мм рт.ст. Во время работы лазера сила тока разряда может быть порядка 30 мА при анодном напряжении около 1,5 кВ. Газоразрядная трубка для осуществления обратной связи помещена между зеркалами 1 и 7, которые образуют резонатор (резонатор Фабри-Перо). Зеркала резонатора обладают большими коэффициентами отражения (98-99%). Зеркало 7 - сферическое, с коэффициентом пропускания света около 0,1%, зеркало 1 - плоское, с коэффициентом пропускания порядка 2%. В работе используется световой поток, прошедший через зеркало 1.

Плоскопараллельные стеклянные пластинки (окна) 2 и 6 (рис.4) расположены под углом Брюстера к оси трубки. Поэтому выходящее из лазера излучение поляризовано линейно (электрический вектор расположен в плоскости падения). Центр кривизны сферического зеркала 7 лежит на поверхности зеркала 1, Зеркала юстируются микрометрическими винтами, юстировка зеркал обеспечивает направленность светового индуцированного излучения вдоль оси разрядной трубки. Минимальная угловая ширина лазерного светового пучка определяется дифракцией, связанной с ограничением сечения пучка.