Определение длины волны гелий-неонового лазера

Цель работы: Изучение гелий-неонового лазера и определение длины волны его излу­чения.

Приборы и принадлежности:

1. Газовый маломощный лазер. 2. Микроообъектив.

3. Плоскопараллельная стеклянная пластина. 4. Экран.

Лазер представляет собой источник света, отличающийся рядом замечательных особенностей. Его излучение обладает высокой степенью монохроматичности (когерентностью во времени), пространственной когерентностью, большой мощностью и малой угловой расходимостью пучка.

В основу действия лазера положен принцип усиления света за счет так называемого вынужденного (индуцированного) излучения. Рассмотрим как это осуществляется на примере газового лазера, ис­пользуемого в данной работе.

Для создания лазера необходимым является:

1. Наличие рабочего вещества с инверсной населенностью уров­ней, т.е. активной среды;

2. Наличие резонатора, системы зеркал;

3. Наличие источника накачки, т.е. источника энергии. Основным элементом газового лазера является разрядная труб­ка, в которой находится активная среда-смесь гелия (7 частей) и неона (1 часть) под давлением около 1 мм.рт,ст. (рис. 9.1)

К А

смесь Не-Ne

зеркала

Рис. 9.1.

В гелий-неоновом лазере для получения индуцированного излу­чения используются атомы Ne. Уровни неона Е₄ и Е₅ (рис. 9.2) метастабильны, т.е. атомы на них могут находиться достаточно долго. Инверсную заселенность этих уровней можно было бы создать, возбу­див атомы неона электрическим разрядом. Однако переход атомов из основного состояния Е₁ в состояния Е₄ и Е₅ маловероятен, Эта трудность преодолевается использованием смеси газов неона и гелия. Энергии двух метастабильных уровней Е₂ и Е₃ атомов гелия точно совпадают с энергиями уровней Е₄ и Е₅ неона.

В разрядной трубке при электрическом разряде ударами электронов непосредственно возбуждаются атомы гелия. Последние сталкива­ются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и перево­дят их в состояния Е₄ и Е₅.

Е₃ Передача возбуждения

при столкновении Излучение в

видимой области

Е₂

Е₁

Осн. состояние Не Осн. состояние Ne

Рис. 9.2.

Спонтанное излучение отдельных атомов неона при переходе с инверсно заселенных уровней Е₄ и Е₅ на уровень Е₃ приво­дит к распространению в активной среде фотонов с энергией равной разности энергии метастабильных уровней Е₄, Е₅ и уровня Е₃. Эти фотоны вызывают вынужденное излучение другими атомами неона таких же фотонов, которые в свою очередь индуцируют излучение но­вых атомов и т.д. В результате образуется каскад фотонов. Фотоны, возникающие при вынужденном излучении и пер­вичные – когерентны и распространяются в том же направлении, что и падающие фотоны. Массовое нарастание этого процесса обеспечивает­ся тем, что разрядная трубка помещена в зеркальный резонатор систему из двух зеркал (рис. 9.1). Многократное прохождение излучения вдоль оси трубки приводит к формированию мощного потока индуцированного направленного когерентного излучения лазера. Фотоны, испущенные под углом к оси трубки, выходят через её боковую по­верхность, не участвуя в формировании лазерного пучка. При этом важную роль играет зеркальный резонатор. Он обеспечивает большую плотность потока излучения, большую степень монохроматичности и исключительную направленность пучка. Оба зеркала с многослойными диэлектрическими покрытиями обладают малыми коэффициентами пропус­кания: одно окола 0,1 %, другое - 2 %•

Эти значения коэффициента пропускания достаточны для выхода из лазера мощного потока излучения»

Разрядная трубка закрыта с торцов плоскопа-раллельными пластинками, расположенными под углом Брюстера к оси трубки. Благода­ря этому излучение неона, поляризовано в плоскости падения и про­ходит через пластинки без потерь на отражение. Таким образом зер­кальный резонатор приводит также к линейной поляризации лазерного пучка.

Переход Е₄ Е₃ дает инфракрасное излучение не участвующее в формировании лазерного пучка. Опустошение нижнего короткоживущего уровня Е₃ Ne гелий-нео­новом лазере происходит под влиянием соударений атомов неона со стенками газоразрядной трубки. Соударения со стенками разгружают уровень Е₂, в результате чего атомы Ne переходят с уровня Е₃ на Е₂ и дальше с Е₂ на Е₁, т.е. в основное состоя­ние. Для того чтобы соударения атомов Neсо стенками эффективно опустошали уровень Е₃, необходимо подобрать оптимальный диаметр трубки лазера. Эксперимент показал, что максимальная мощность He-Ne лазера достигается при диаметре трубки 7 мм.

Используемый He-Ne лазер питается от высоковольтного блока питания и имеет мощность ~ 0,0015 Вт,