Лабораторная работа № 3.3.
ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫИ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ He - Ne ЛАЗЕРА
Цель работы: ознакомление с принципом работы и устройством газового лазера;
исследование основных характеристик газового разряда лазера и лазерного излучения.
Оборудование: He – Ne - лазер с источником питания, дифракционная решетка, измеритель мощности типа ИМО - 2Н; экран, поглощающий фильтр.
Теоретические сведения
В состав лазера входят излучатель и источник питания его. Излучатель газового лазера состоит из газоразрядного активного элемента, помешенного внутрь оптического резонатора, и защитного кожуха резонатора. Схематическое изображение излучателя лазера приведено на рис.1.
Рис 1 Конструкция излучателя He – Ne лазера
Газоразрядный активный элемент представляет собой стеклянную трубку Т наполненную смесью газов Ne и He c приклеенными по концам кварцевыми пластинками О. установленными под углом Брюстера и впаянными электродами Э. Трубка помешена между отражающими зеркалами 3 1 и 3 2 образующими оптический резонатор. Узлы крепления зеркал имеют механизм юстировки, позволяющий выставлять зеркала параллельно друг другу с высокой точностью. Трубка и зеркала помещены в защитный кожух К.
При включении источника питания на электроды трубки подается электрическое напряжение, в результате чего в трубке возникает тлеющий газовый разряд. Электроны, при соударениях с атомами Не возбуждают их, а те в свою очередь, при соударениях передают энергию возбуждения атомам Ne переводя их на более высокий энергетический уровень (верхний лазерный уровень), являющийся метастабильным. В результате между возбужденным и более низкими уровнями неона возникает инверсия населенностей 
равная разности населенностей верхнего и более низкого уровней. N 1 и N 2.
Возбужденные атомы Ne имеют конечное время жизни, после чего происходит их переход на более низкий энергетический уровень (нижний лазерный уровень),сопровождающийся видимым излучением в красной области спектра. На рис.2
Рис 2. Схема энергетических уровней смеси атомов Ne и He, связанных лазерной генерацией.
представлена схема энергетических уровней He и Ne: 1 и 2 - верхний и нижний лазерные уровни, соответственно, N1 и N2 - число атомов на этих уровнях.
Возникшее сначала спонтанное излучение на своем пути вызывает вынужденное (индуцированное) излучение других возбужденных атомов Ne и усиливается. Усиление увеличивается за счет многократного прохождения излучения через активный элемент между двумя отражавшими зеркалами и достигает значения, превышающего потери излучения на поглощение и рассеяние. Возникает лазерная генерация, т.е. лазер излучает энергию в виде пучка света, который выходит через частично прозрачное зеркало 3 2 (рис.1).
В результате генерации увеличивается заселенность нижнего лазерного уровня 2, который в свою очередь опустошается за счет спонтанного излучения с переходом атомов на более низкий энергетический уровень. Спонтанное излучение на переходах 1 → 2 также имеет красноватый цвет, но за счет хаотичности направления более слабее по интенсивности, чем лазерное. Его можно наблюдать через боковые стенки трубки.
Мощность лазерного излучения Р пропорциональна инверсии населенностей т. е. P~ ΔN, которая зависит от тока разряда в активном элементе; ток разряда в свою очередь зависит от напряжения на активном элементе. В тлеющем разряде, который используется для создания инверсии населенности в He - Ne - лазере, с увеличение напряжения ток разряда уменьшается, т.е. в тлеющем разряде вольт - амперная характеристика падающая.
Количество электронов в разряде с увеличением тока растет, при малых токах это приводит к увеличению инверсии и мощности лазерного излучения с ростом тока. При дальнейшем увеличении тока количество и средняя энергия электронов увеличивается и увеличивается число соударений с ними атомов Ne, приводящих к увеличению вероятности возбуждения нижних лазерных уровней Ne. Поскольку доля атомов Ne, возбужденных на верхний лазерный уровень, соответственно уменьшается, уменьшается инверсия населенностей, падает и мощность излучения. Таким образом, зависимость мощности излучения от тока разряда имеет немонотонный характер. Максимум мощности соответствует некоторому значению тока разряда, называемому рабочим током.
Вынужденное лазерное излучение отличается высокой степенью монохроматичности и направленности. Диаметр луча сравнительно мал и его увеличение в зависимости от расстояния тоже мало. Расходимость луча Q характеризуется изменением диаметра ΔD на расстоянии Δl выражением:
(1)
где D 1, D 2 - диаметры луча на расстояниях l 1 и l 2 от лазера, соответственно (Рис. 3)
Рис 3 Схема определения расходимости лазерного излучения
Зависимость диаметра луча от расстояния выходного зеркала до лазера не является линейной. Обычно расходимость определяется в дальней зоне на линейном участке этой зависимости.
Методика проведения эксперимента
Целью работы является изучение основных характеристик лазера: длины волны излучения, и определение расходимости лазерного излучения луча в дальней зоне.
Длину волны лазерного излучения λ можно определить с помощью дифракционной решетки, помещенной на пути луча. Используя условие главных максимумов интенсивности для дифракционной решетки,
(2)
(i = 0,1,2,3,...), где i - порядок максимума, d -период решетки, φi - угол, образуемый лучом и направлением на выбранный максимум, можно определить длину волны, определив предварительно φi и d.
Углы дифракции φi определяются через линейные размеры дифракционной картины на экране - расстояние xi от центра дифракционной картины до центра i -максимума -следующим образом:
(3)
где L - расстояние от дифракционной решетки до экрана.
Тогда, с учетом -формулы (2) и соотношения
выражение для λ примет вид
(4)
Кроме красной длины λ 1, Ne – He лазер может генерировать инфракрасное излучение в области 
мкм и в области 
мкм, что соответствует наличию еще двух пар лазерных уровней в смеси Ne и Не. Настройка излучателя на ту или иную длину волны излучения производится установкой зеркал резонатора с высоким коэффициентом отражения для требуемой длины волны излучения.
Диаметр пучка определяется визуальным отсчетом по экрану с миллиметровой сеткой, передвигаемому на разные расстояния от лазера.
Порядок выполнения работы
1. Изучить техническое описание (ТО) и инструкцию по эксплуатации (ИЭ) используемого в работе лазера.
2. Включить лазер в соответствии с порядком включения по ИЭ; после появления красного лазерного луча приступить к измерениям.
I. Определение длины волны видимого лазерного излучения
1. Установить на пути луча укрепленную в подставке дифракционную решетку, за ней - экран с миллиметровой шкалой. Перемещая решетку так, чтобы луч попадал в центральную часть ее, и, перемещая экран вдоль луча, получить на экране четкую дифракционную картину.
2 Измерить расстояния xi от центра дифракционной картины до центров нескольких максимумов (не менее 3х) слева и оправа от центра.
3. Измерить линейкой расстояние L от решетки до экрана (не менее 3 раз).
4. По формуле (4) рассчитать значения λ, вычислить среднее значение и погрешность измерения (величина d=1/100 мм).
Составить и заполнить таблицу с результатами измерений и расчетов.
II. Определение расходимости луча в дальней зоне
1. Установить на рельсе на пути луча экран с миллиметровой сеткой. Вблизи лазера установить поглощающий фильтр, уменьшающий яркость светящегося пятна на экране, для получения более четкой границы пятна.
2.Передвигая экран вдоль луча от минимального расстояния до лазера и далее, измерять диаметр пятна D на экране на разных (не менее 10) расстояниях l от лазера. Расстояние измеряется линейкой, диаметр луча - по миллиметровой сетке экрана. Измерения повторить не менее 3 раз, увеличивая и уменьшая расстояние.
3. Составить и заполнить таблицу с результатами измерений.
4. Построить график зависимости D(l). По графику определять линейный участок зависимости и рассчитать по формуле (1) расходимость Q луча (в миллирадианах) и погрешность ΔQ.
5. Пользуясь графиком, методом экстраполяции оценить диаметр лазерного луча на выходе из лазера D вых и погрешность ΔD вых
Контрольные вопросы
А) Для допуска к работе
1. Что такое вынужденное излучение и каковы его свойства?
2. Каковы свойства лазерного излучения?
3. Объяснить устройство и принцип действия газового лазера.
4Что такое инверсия населенностей и каковы способы ее получения?
5. В чем заключается методика определения длины волны лазерного излучения?
6. Что такое расходимость луча и какова методика ее измерения?
7. Каким прибором измеряется мощность лазерного излучения и как?
Б) Для сдачи работы
1. Исходя из снятой V-A характеристики газового разряда, определить, какой тип разряда используется в лазере.
2. Объяснить немонотонную зависимость мощности лазерного излучения от тока разряда. Чему равен рабочий ток лазера?
3. Проанализировать полученный результат для λ.
4.Проанализировать график расходимости луча. Чему равен диаметр луча на выходе из лазера и расходимость?
5. Какие еще существуют типы лазеров?
6. Каковы области применения лазеров?
Литература
1. Лендьел Б. Лазеры. - М.: Мир, 1964.
2. Беннет В., Хивенс 0. Газовые лазеры и лазеры на твердых веществах. - М: Мир, 1964.
3. О'Шиа Д., Коллен Р., Роде У. Лазерная техника.- М: Атомиздат, 1980.
4. Физический практикум /Под ред. В. И. Ивероновой. - М.: Наука, 1968.-С.767-776.
5. Ландсберг Г. С. Оптика М.; Высшая школа, 1976.
6. Савельев И.В. Курс обшей физики.- М.; Наука, 1979г Т.З.