Физические основы работы квантовых генераторов

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫИ СВОЙСТВ ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЙ – НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА

Методические указания

к лабораторной работе

по дисциплине «Физика»

 

 

Составитель: Э. Н. Старов

 

Ульяновск

2013

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

 

С

Изучение принципов работы и свойств излучения гелий – неонового лазера: методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Физика» / сост. Э. Н. Старов.  Ульяновск: УлГТУ, 2013.  22 с.

 

 

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

© Оформление. УлГТУ, 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: Е_0, Е_1,Е_2,….,Е_n,… 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 Е_i называется населенностью i – го энергетического уровня. В состоянии термодинамического равновесия распределение частиц по энергиям (рис. 1) подчиняется статистике Больцмана:

(1)

 

E

E_i

 

E₂

E₁

Рис. 1.

E₀

 

 

где N₀ - населенность основного состояния с энергией E₀,

N_i – населенность уровня с энергией E_i..

Рассмотрим как может изменяться населенность уровней в результате оптических переходов. Под оптическими переходами между энергетическими состояниями E_i и E_k 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)

 

E_i

 

hv

 

 

E_k

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 N_i:

(3)

где A_ik − 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).

Е_i

 

E_k

(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 – N_k:

(4)

т. е. населенность возбужденного состояния возрастает за счет процессов поглощения. B_ki – 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).

Е_i

hv

 

E_k

Рис. 4.

(а) (б)

 

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 W_z – 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.