ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫИ СВОЙСТВ ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЙ – НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА
Методические указания
к лабораторной работе
по дисциплине «Физика»
Составитель: Э. Н. Старов
Ульяновск
УДК 530.1 (076)
ББК 22.317
С 77
Рецензент доцент кафедры «Общенаучные дисциплины» самолетостроительного факультета Ульяновского государственного технического университета доцент, канд. техн. наук В. И. Кочергин
Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета
|
Составлены в соответствии с программой курса «Физика».
Предназначены для студентов всех форм обучения специальности 16010065 «Самолето- и вертолетостроение», направлений 16010062 «Авиастроение», 23040062 «Информационные системы и технологии» и обеспечивают возможность подготовки к выполнению работ, проверки результатов подготовки перед выполнением работы, дают возможность систематизировать и проанализировать результаты ее выполнения.
Подготовлены на кафедре «Общенаучные дисциплины».
УДК 530.1 (076)
ББК 22.317
© Старов Э. Н., составление, 2013
СОДЕРЖАНИЕ
§ 1. Физические основы работы квантовых генераторов. 4
§ 2. Устройство и принцип действия гелий – неонового лазера. 11
§ 3. Экспериментальная част. 14
ВОПРОСЫПРИ ДОПУСКЕ К РАБОТЕ. 21
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫПРИ СДАЧЕ. 21
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 22
Лабораторная работа
ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫИ СВОЙСТВ ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА
Цель работы:
1. Изучить физические основы работы квантовых генераторов.
2. Изучить принцип действия и устройство гелий – неонового лазера.
3. Исследовать свойства излучения газового лазера.
Физические основы работы квантовых генераторов
Квантовые системы (например: атомы, молекулы) обладают дискретным энергетическим спектром – т. е. их возможные состояния характеризуются индивидуальным набором значений энергии: Е0, Е1,Е2,….,Еn,… Состояние с наименьшей энергией – основное, все остальные – возбужденные, время нахождения в которых ограничено.
Возбужденные состояния возникают при передаче атому строго определенных порций энергии в результате столкновений с другими частицами или поглощения квантов энергии электромагнитного излучения.
В газовой среде состоящей из N одинаковых атомов имеет место распределение частиц по энергиям. Число частиц N i в единице объема среды с одинаковыми значениями энергии Еi называется населенностью i – го энергетического уровня. В состоянии термодинамического равновесия распределение частиц по энергиям (рис. 1) подчиняется статистике Больцмана:
(1)
E
Ei
E2
E1
|

где N0 - населенность основного состояния с энергией E0,
Ni – населенность уровня с энергией Ei..
Рассмотрим как может изменяться населенность уровней в результате оптических переходов. Под оптическими переходами между энергетическими состояниями Ei и Ek понимаются переходы с излучением или поглощением кванта электромагнитного излучения. При таких переходах должны соблюдаться определенные правила отбора [1, § 5.1].
Наряду с оптическими, существуют безизлучательные переходы [2, стр. 258], на которые эти правила не распространяются.
Типы оптических переходов
1. Спонтанные переходы – самопроизвольные (без внешнего воздействия) из состояния с большей в состояние с меньшей энергией (рис. 2), которые сопровождаются испусканием кванта:
(2)
Ei
![]() | |||
![]() | |||
hv
Ek
Рис. 2.
Символически это можно описать следующим выражением:
где А* − атом в возбужденном состоянии,
А – атом в состоянии с меньшей энергией.
Такие переходы носят вероятностный характер и в системе из N атомов никак не согласованы между собой. Поэтому спонтанное излучение некогерентно и равновероятно по всем направлениям. Для таких переходов изменение населенности i - го уровня в единицу времени (скорость процесса) пропорционально населенности уровня Ni:
(3)
где Aik − вероятность перехода в единицу времени.
2. Вынужденные переходы с поглощением – переходы из состояния с меньшей в состояние с большей энергией под воздействием внешнего излучения. Такие переходы имеют место только при условии, что частота внешнего излучения совпадает с частотой перехода, т. е. (рис. 3).
Еi
![]() | |||
![]() | |||
Ek
(а) (б)
Символически это описывается выражением:
Скорость процесса заселения i – го уровня зависит от объемной плотности энергии внешнего излучения на частоте
и населенности уровня с меньшей энергией – Nk:
(4)
т. е. населенность возбужденного состояния возрастает за счет процессов поглощения. Bki – коэффициент Эйнштейна для перехода k i.
3. Вынужденные переходы с излучением – это переходы из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией под воздействием внешнего излучения на частоте соответствующей частоте спонтанного перехода, т. е. они имеют место только при условии, что
(рис. 4).
Еi
hv
Ek
|
Символически этот процесс можно описать выражением:
Таким образом, внешнее излучение как бы стимулирует, вынуждает возбужденный атом мгновенно испустить квант и перейти в состояние с меньшей энергией. Это вынужденное излучение по фазе и по направлению совпадает с внешним, т. е. стимулированное излучение полностью когерентно с проходящим излучением и увеличивает его интенсивность. Скорость индуцированных переходов i k:
(5)
Коэффициенты Эйнштейна для вынужденных переходов одинаковы, т. е. .
Прохождение излучения через инверсную среду
Рассмотрим упрощенный вариант задачи о прохождении электромагнитного излучения через среду с показателем преломления n, в которой атомы имеют только два энергетических состояния Е1 и Е2 (двухуровневая квантовая система), а частота проходящего излучения совпадает с частотой перехода
:
(6)
Среда имеет форму цилиндра, вытянутого вдоль оси z с площадью поперечного сечения S (рис. 5).
![]() | ![]() |
W0
![]() | |||
![]() |
Z
![]() | |||
![]() |
Z=0 Z Z=l
Рис. 5.
Пусть W0 – энергия плоской монохроматической волны на входе в среду (z = 0), а Wz – энергия проходящей волны в точке среды с координатой z.
За время dt волна распространяющаяся со скоростью пройдет расстояние dz и это приведет к изменению энергии волны на dW за счет процессов вынужденного излучения и поглощения:
(7)
Для расчета нужно число актов поглощения в единицу времени в единице объема среды (см. формулу 4) умножить на время dt, на объем слоя
и на энергию поглощенного кванта
(8)
где − объемная плотность энергии излучения в слое dz.
Аналогично, на основе формулы (5) рассчитаем увеличение мощности в результате стимулированных переходов с излучением квантов :
(9)
Вклад спонтанных переходов в изменение энергии в данной задаче не учитываем, так как их интенсивность не зависит от энергии проходящего излучения. Так как В12=В21 то общее изменение энергии составит:
(10)
Введем понятие поверхностной плотности мощности: которая связана с
соотношением
.
Тогда, с учетом того, что и
равенство (10) запишем в виде:
(11)
где через обозначено выражение:
(12)
после интегрирования выражения (11) по координате Z от 0 до l и по мощности от P0 до P(l) имеем:
(13)
В обычной среде, находящейся в условиях термодинамического равновесия, и называется коэффициентом поглощения. Мощность излучения уменьшается с увеличением толщины среды l по экспоненциальному закону (рис. 6).
Р
N2>N1, α<0
Р0
N1>N2, α>0
Рис. 6.
Однако равенство (13) указывает на возможность усиления мощности проходящего излучения, если среду вывести из состояния термодинамического равновесия и добиться так называемого инверсного состояния, когда N2>N1. В этом случае и мощность излучения будет быстро возрастать за счет преобладания стимулированных переходов при прохождении через среду толщиной l:
(14)
Коэффициент играет теперь роль коэффициента усиления мощности.
Процессы, приводящие к инверсному состоянию среды (когда населенность хотя бы одного из уровней с большей энергией больше населенности уровня с меньшей энергией) называются накачкой.
Как мы уже видели, среда в инверсном состоянии (ее еще называют активной средой) обладает способностью усиливать излучение (определенной частоты) проходящее через нее. Чтобы среда обладала способностью сама вырабатывать и усиливать излучение надо осуществить положительную обратную связь между выходящим излучением и активной средой. Смысл ее заключается в том, что часть выходящего из активной среды излучения вновь возвращается в нее для дальнейшего усиления и, тем самым, компенсируются потери энергии, обусловленные выходом энергии и другими причинами. Такая обратная связь в лазерах создается за счет помещения активной среды в открытый резонатор, который представляет из себя систему из двух зеркал, одно из которых полупрозрачно (рис. 7).
![]() |
1 2
Рис. 7.
где 1− активная среда, 2 – полупрозрачное зеркало.