Ознакомление с работой газового лазера.

Минестерство образования и науки

Российской Федерации

Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное учереждение высшего профессионального образования

Череповецкий государственный университет

Кафедра физики

Лабораторный практикум

по курсу

«Оптика»

Лабораторная работа № 9

«Ознакомление с работой газового лазера»

Выполнил: студент гр.

Гр. 1РФб-01-31оп

Сидоров Дмитрий

Кротков Егор

Проверил: преподаватель

Казаков В. В.

Отметка о зачёте:

                                                           2018

Лабораторная работа № 9

Ознакомление с работой газового лазера.

Цель работы:Ознакомление с принципом работы гелий-неонового лазера и свойствами его излучения.

Задачи работы – определение длины волны лазерного излучения и определение размеров частиц с помощью дифракции лазерного луча.

Основные теоретические положения.

  Принцип действия лазера основан на вынужденных квантовых переходах в атомах. Пусть Е₁ и Е₂ - энергетические уровни некоторой системы атомов. При взаимодействии с излучением в такой системе возможны два типа переходов. Переход 1→ 2 может произойти только при поглощении фотона. Переход 2→ 1 может произойти двумя способами:

   а) самопроизвольно (спонтанно), при этом энергия излученного фотона

                                     hν= Е₂ – Е₁                              (1)

   б) вынужденно, т.е. под действием пролетающего внешнего фотона, частота которого в точности удовлетворяет условию (1). В результате такого вынужденного перехода излучается второй фотон в том же направлении, с той же частотой, с той же фазой и с той же поляризацией, что и первый фотон. Это явление используют для усиления электромагнитного излучения.

   Обычно среды ослабляют, а не усиливают свет. Объясняется это тем, что при тепловом равновесии число атомов среды N₁ , имеющих меньшую энергию Е₁ ( N₁  называют населенностью уровня Е₁), всегда больше, чем число атомов N₂ , имеющих большее значение энергии Е₂ . Поэтому в среде больше атомов, способных поглощать, а не испускать фотоны, и число атомов поглощения превышает число актов вынужденного испускания.

   Для получения среды , усиливающей излучение, нужно создать такое распределение атомов по состояниям, при котором N₂  > N₁ . Среду, обладающую таким свойством , называют средой с инверсной (обратной)                                                        

населенностью уровней или активной средой. Инверсная населенность уровней при определенных условиях может возникнуть, например, при электрическом разряде в разряженном газе.

 В гелий- неоновом лазере рабочим веществом служат атомы неона. Некоторые возбужденные состояния атомов неона являются метастабильными (долгоживущими). Поэтому в газовом разряде населенность такого уровня N₂   может превысить населенность N₁ нижерасположенного короткоживущего уровня. Наличие в смеси атомов гелия усиливает этот эффект.  

Описание установки.

Основным элементов гелий-неонового лазера является разрядная трубка 1

(рис.3). Трубка имеет накапливаемый катод 2 и анод 3. В трубке находится смесь гелия и неона. При накаленном катоде трубки и поданном между электродами высоком напряжении в газовой смеси поддерживается электрический разряд и возникает активная среда.

Фотоны, которые сначала спонтанно излучаются возбужденными атомами неона, при встрече с другими возбужденными атомами неона вызывают их вынужденное излучение. Нарастание этого процесса обеспечивается тем, что разрядная трубка помещена в зеркальный резонатор, состоящий из двух зеркал 4 и 5. Многократное прохождение фотонов вдоль оси разрядной трубки приводит к формированию мощного луча лазера.

 

Зеркало 5 имеет слегка вогнутую поверхность, коэффициент отражения которой 99%. Плоское зеркало 4, имеющее коэффициент отражения 98% , служит для выпуска луча лазера.

Для определения длины волны лазерного излучения собирают установку по рис. 4, где R – дифракционная решетка, Э – экран. Из рисунка видно, что tgφ_к = x_к /2 , где φ_к - угол дифракции k –го порядка.

  Из соотношения d sin φ_к = kλ, где d – период дифракционной решетки, находим длину волны λ излучения лазера по формуле

 

                         ( 1)

 

Затем на пути лазерного луча вместо дифракционной решетки помещаем

вертикальную стеклянную пластинку, покрытую частицами ликоподия, представляющими собой шарики одинакового малого размера. С внешней стороны ликоподий защищен второй стеклянной пластинкой.

На экране измеряем диаметры D_i  концентрических темных и светлых дифракционных колец, окружающих светлый круг.

Радиус частиц, вызвавших дифракцию, рассчитываем по формуле

 

,                         (2)

 

  где М_i  - коэффициенты, значения которых для разных колец даны на столе установки,  - расстояние от пластинки с ликоподием до экрана.

 Порядок выполнения работы.

1. Собрать установку по рисунку 4. В присутствии преподавателя включить лазер.

2. Установить экран на таком расстоянии от решетки, чтобы получить на нем четкое изображение центрального максимума (k = 0) и максимумов более высоких порядков (k = 1,2,3).

3. Измерить расстояние от дифракционной решетки до экрана .

4. Измерить на экране расстояние между максимумами первого порядка

х₁, второго порядка х₂ , третьего порядка х₃.

5. Заменяя дифракционную решетку препаратом ликоподия, получить картину концентрических колец.

6. Измерить диаметры колец на экране: D₁ , D₃ , D₅ - первого, второго,

третьего темных колец, D₂ , D₄ - первого и второго светлых колец.

7. Измерить расстояние .

8. Полученные данные в миллиметрах заносим в таблицу 1.                                                                                                 

 Таблица 1

d,мм

l₁, см

l₂, см

x_1, см

x_2, см

x_3, см

D_1, см

D_2, см

D_3, см

D_4, см

D_5, см

0,01

10,5

15,5

1,5

2,5

4,5

 

Обработка результатов измерений:

1. Рассчитать длину волны лазерного излучения для трех значений х по формуле (1) .

 λ₁ = 676 нм

λ₂ = 709 нм

 λ₃ = 698 нм

1. Вычислить среднее значение длины волны. Оценка погрешности.

λ = 694 ± 12 нм

1. Вычислить радиус частиц по формуле (2).

r₁ = 41 *10^-6 м = 41 мкм

r₂ = 33,6 *10^-6 м = 33,6 мкм

r₃ = 38 *10^-6 м = 38 мкм

r₄ = 34,4 *10^-6 м = 34,4 мкм

r₅ = 36,9 *10^-6 м = 36,9 мкм

1. Вычислить среднее значение радиуса частиц, оценка погрешности.

r = 36,78 ± 2,224 мкм

Вопросы для самопроверки.

1. В чем отличие спонтанного от вынужденного излучения света?
2. Почему для квантового усиления света нужна среда с инверсной заселенностью уровней?
3. Каково назначение оптического резонатора?

Ответы

1. Спонтанное излучение происходит, когда электрон самопроизвольно переходит на более низкий уровень. Вынужденное - под действием внешних факторов.

2.   Для получения среды , усиливающей излучение, нужно создать такое распределение атомов по состояниям, при котором N2 > N1 . Среду, обладающую таким свойством , называют средой с инверсной (обратной)                               населенностью уровней или активной средой. Инверсная населенность уровней при определенных условиях может возникнуть, например, при электрическом разряде в разряженном газе. Наличие в смеси атомов гелия усиливает этот эффект.  

3. разрядная трубка помещена в зеркальный резонатор, состоящий из двух зеркал 4 и 5. Многократное прохождение фотонов вдоль оси разрядной трубки приводит к формированию мощного луча лазера.

 

Поделиться:

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Организация работы процедурного кабинета

Области применения синхронных машин

Оптимизация по Винеру и Калману