Теоретичнi вiдомостi

Розглянемо будову та принцип дiї газового гелiй-неонового лазера (мал. 9.38). Прилад складається з трубки 1, наповненої сумiшшю газiв: гелiя (пiд парціальним тиском 1 мм рт. ст.) та неона (під парціальним тиском 0.1 мм рт. ст.). Атоми неона є випромiнюючими (робочими), атоми гелiя – допомiжними, які необхiдні для створення iнверсної заселеностi енергетичних рiвнiв атомiв неона. Збудження атомiв гелiя досягають за допомогою тліючого електрич­ного розряду. Для створення тлiючого розряду в трубку 1 вмонтованi електроди 2 i 3, пiд’єднанi до джерела електрич­ного струму.

Мал. 9.38. Будова газового гелій-неонового лазера.

На мал. 9.39 зображена система енергетичних рiвнiв атомiв гелiю та неона. Пiд дiєю електричного розряду атоми гелiю переходять на збуджений рiвень 2. Внаслiдок непруж­ного зiткнення атоми гелiя передають енергiю атомам неона, якi, збуджуючись, накопичуються на двох близько розташованих метастабiльних рiвнях 3. Таким чином, у трубцi створюється середовище з iнверсною заселенiстю енергетичних рiвнiв.

Мал. 9.39.Систе­а енергетичних рів­нів атомів гелія та не­на.

Спонтанний перехiд окремих атомiв Nе з двох мета­стабiльних рiвнiв 3 на промiжний рiвень 2 викликає появу фотонiв, якi спричинюють iндуковане (вимушене) коге­рентне випромiнювання з довжинами хвиль l ₁ = 632.8 нм (червоний дiапазон) та l ₂ = 1153 нм (iнфрачервоний дiапазон). Для збiльшення потужностi випромiнювання трубку 1 розмiщують в дзеркальному резонаторi (мал. 9.38). Вiдбиваючись вiд дзеркал i проходячи багато разів вздовж вiсi трубки, потiк фотонiв залучає до iндукованих переходiв все бiльшу кiлькiсть атомiв Nе, внаслiдок чого iнтенсив­iсть випромiнювання збiльшується. Трубка 1 з торцiв закрита плоскопаралельними пластинками 4, якi розташованi пiд кутом Брюстера до вiсi трубки. Таке положення пластинок призводить до плоскої поляризацiї лазерного випромiню­ванн­я.

Для визначення довжини хвилi випромiнювання лазера в данiй роботi пропонується використати дифракцiйну ре­шіт­ку. Вона являє собою скляну пластинку, на яку через рiвнi промiжки а нанесенi паралельнi непрозорi штрихи шириною b. Величина a + b = d зветься перiодом (або по­стiй­ною) дифракцiйної решітки. При освiтленнi решітки монохроматичним свiтлом вiдбувається явище дифракцiї, внаслiдок якої на екранi, розташованому за решіткою, спостерiгається дифракцiйна картина (мал. 9.40).

При нормальному падiннi свiтла на решітку головнi дифракцiйнi максимуми характеризуються умовою

d sin j_k = kl,

де d – постiйна решітки, l – довжина хвилi випромiнюван­ня, j_k – кут, на який вiдхиляються променi, що утворили даний максимум; k – цiле число, що зветься порядком максимуму (k = 0, 1, 2, 3, …). Якщо нам вiдомi значення d, j_k та k, то довжину хвилi випромiнювання, що проходить крiзь дифракційну решітку, визначають за формулою

.

Оскiльки, як правило, кути дифракції j_k є малими, можна вважати, що

де l_k – вiдстань на екранi мiж максимумами нульового та k -того порядкiв, L – вiдстань мiж решіткою та екраном.

Завдання 1. Визначити довжину хвилi випромiнювання лазера.

Порядок виконання:

1. Розташувати дифракцiйну решітку та екран перпен­дику­лярно до вiсi лазера (мал. 9.40).

Мал. 9.40. Визначення довжини хвилі лазера за допомогою дифракційної решітки.

2. Перемiщуючи екран, отримати на ньому чiтке зобра­ження дифракцiйної картини. При цьому треба домогтися, щоб на екранi спостерiгалися максимуми не менш як трьох порядкiв.

3. Вимiряти за допомогою мiлiметрової лiнiйки вiдстань L мiж решіткою та екраном.

4. Вимiряти вiдстань l ₁ мiж максимумами нульового (центральна пляма) та першого порядкiв.

5. Визначити значення tg j ₁ для максимуму першого порядку.

6. Визначити довжину хвилі l ₁ випромінювання лазера за формулою .

7. Виконати аналогічнi вимiри та розрахунки для макси­му­мiв другого та третього порядкiв.

8. Результати вимiрiв та розрахункiв занести до таблицi.

 

k	lk, мм	L, мм	tg jk	l, мм

9. Обчислити середнє значення довжини хвилi` l випро­мiню­вання лазера.

.

Завдання 2. Визначити енергiю кванта випромiнювання лазера за формулою:

.

Контрольні питання

1. Назвiть основнi властивостi iндукованого випромiнювання.

2. Опишiть будову та принцип дiї гелiй-неонового лазера.

3. Як утворюється iнверсна заселенiсть енергетичних рiвнiв атомiв в гелiй-неоновому лазерi?

4. Яке призначення має резонатор в газовому лазерi?

5. Як можна визначити експериментально довжину хвилi лазерного випромiнювання?

6. Як визначити енергiю фотона, що випромiнюється лазером?

7. Назвiть областi застосування лазера в медицинi.