Конструкция гелий-неонового лазера
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ОЗНАКОМЛЕНИЕ С РАБОТОЙ И УСТРОЙСТВОМ
ГЕЛИЙ – НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА
Цель работы: ознакомиться с принципами работы и устройством гелий-неонового лазера, освоить методики исследования его спектра и изменения структуры поперечных мод.
Состав установки: He-Ne лазер ЛГН-207, He-Ne лазер ЛГ-75, интерферометр ИТ 51-30, зрительная трубка, линзы (2 шт.), пьезоэлектрическое устройство вспомогательного поджига.
Классическим газовым лазером является гелий-неоновый (Не– Ne) лазер, созданный Джаваном с сотрудниками в 1961 г. Смесь гелия и неона с общим давлением около 1 мм рт. ст. возбуждалась электрическим разрядом, созданным с помощью токов высокой частоты (около 28 МГц). В настоящее время почти всегда применяется возбуждение постоянным током.
Возбуждение газа электрическим разрядом
Под возбуждением активной газовой среды следует понимать процесс появления свободных носителей заряда в некотором объёме пространства, в котором существует постоянное электрическое поле. Эти заряженные частицы увеличивают свою энергию и за счёт соударений с атомами или молекулами активной среды инициируют и поддерживают лазерное излучение.
1.1. Соударения I рода. Соударения I рода играют важнейшую роль в оптической накачке атомов газа. Неупругое соударение электрона с атомом в основном состоянии будем записывать следующим образом:
(1.1)
|
|
|
где 
обозначает возбужденный атом. Основное состояние будем обозначать нулевым индексом, а 
-е состояние возбужденного атома — индексом .
В общем случае процессы в электрическом разряде очень сложны. Например, нельзя исключить повторные соударения возбужденных атомов с электронами; подобные процессы приводят к переходам в более" высокие энергетические состояния:
(1.2)
Эффективное поперечное сечение неупругого соударения электрона с атомом, вследствие которого атом возбуждается, пропорционально матричному элементу перехода, рассчитанному в приближении электрического диполя (дипольное приближение).
В момент соударения электрона с атомом последний возбуждается в энергетические состояния, которые являются излучательными по отношению к основному состоянию. Поскольку большинство переходов являются электрическими дипольными, эти процессы в газовом разряде особенно важны. Окончательный вывод состоит в том, что энергетические уровни, для которых характерна высокая вероятность излучательного перехода в основное состояние, имеют соответственно большое эффективное поперечное сечение возбуждения в случае соударений первого рода с электронами.
|
|
|
1.2. Соударения II рода. Джаван показал, что в случае смеси двух газов (например, Не и Ne), в которой метастабильное состояние атомов первого газа совпадает по энергии с возбужденным состоянием атомов второго газа, имеет место весьма эффективный процесс передачи энергии между атомами. Если при соударении атом в метастабильном состоянии передает свою энергию другому атому и возбуждает его, а сам переходит в основное состояние, то процесс называют соударением II рода. Оно является неупругим и записывается следующим образом:
(1.3)
Эффективность обмена энергией зависит прежде всего от степени совпадения обоих уровней атомов 
и 
. Если разница энергий между уровнями при данной температуре порядка 
, процесс обмена характеризуется высокой вероятностью. При большей разнице процессом передачи энергии можно полностью пренебречь.
Насколько правильно Джаван оценил роль соударений II рода в процессе достижения инверсии населенностей в газе, свидетельствует пример его гелий-неонового лазера, в котором активным тазом служил неон, а вспомогательным — гелий. Атомы гелия в процессе соударений II рода с атомами неона эффективно возбуждают последние. Позднее оказалось, что можно получить инверсию населенностей и в чистом неоне, хотя мощность такого лазера меньше, а порог возбуждения выше.
|
|
|
Конструкция гелий-неонового лазера
Первый Не — Ne-лазер Джавана с сотрудниками содержал внутренние диэлектрические зеркала и возбуждался напряжением высокой частоты (около 30 МГц). Его принципиальная схема приведена на Рис. 1. Разрядная трубка длиной около 1 м была наполнена смесью гелия и неона под общим давлением примерно 1 мм рт. ст. Снаружи на трубке были размещены цилиндрические электроды, соединенные с генератором высокой часто-
Рис.1 ты. Мощность генератора составляла несколько десятков ватт. Число Френеля 
( 
– радиус трубки, 
– длина трубки) было равно 200, следовательно, дифракционные потери невелики. Два плоских диэлектрических зеркала, образующие типичный резонатор Фабри – Перо, имели очень высокие коэффициенты отражения близкие к единице. Лазер Джавана работал в ближнем инфракрасном диапазоне (1,15мкм); его мощность составляла около 1 мВт. Чтобы увидеть пучок лазера, приходилось использовать электронно-оптический преобразователь. В нормальных условиях глаз человека не видит излучения с длиной волны 1 мкм. Через несколько лет после экспериментов Джавана было обнаружено, что человеческий глаз может реагировать на интенсивное излучение неодимового лазера с длиной волны 1,06 мкм. Если мощный импульс инфракрасного излучения от неодимового лазера направить на белый экран, человеческий глаз отчетливо регистрирует свет.
|
|
|
Условия возбуждения лазерной генерации в газе оказались более критичными, чем в первом рубиновом лазере Меймана. Потери энергии на один проход не должны превышать 1 %. Таким образом, лазеры потребовали создания зеркал, особенно высокого качества – с максимальным коэффициентом отражения и минимальным собственным поглощением. Лазерные зеркала, как правило, имеют многослойные диэлектрические покрытия, например, ZnS (п = 2,3) и MgF2 (n = 1,36) наносятся на стеклянную или кварцевую подложку. Толщина слоя выбирается равной 
длины отражаемой волны. Наносят от нескольких слоев (в этом случае коэффициент отражения достигает примерно 50%) до нескольких десятков чередующихся слоев из материалов с высоким и низким показателем преломления. Благодаря последовательным отражениям от границ слоев коэффициент отражения возрастает. Собственные потери в слоях очень малы.
Электрические разряды в газе, возбуждаемые токами высокой частоты, оказались недостаточно стабильными, к тому же очень трудно было контролировать величину мощности, подводимой к трубке. Существенным шагом в развитии газовых лазеров был переход на разряд постоянного тока, а также разработка в 1962 г. Ригродом с сотрудниками разрядной трубки, ограниченной с торцов пластинками, наклоненными под углом Брюстера к оси трубки (Рис. 2). Отметим, что в современных лазерах окна Брюстера наклонены навстречу друг другу.
Распространяясь внутри резонатора, световой пучок многократно проходит через окна Брюстера и при
Рис.2 обретает полную линейную поляризацию. Напомним, что если свет падает на стекло под углом Брюстера, то отраженный пучок линейно-поляризован, а проходящий поляризован лишь частично. Только установка стопы таких пластинок обеспечивает полную линейную поляризацию проходящего пучка. Кроме того, из известных формул Френеля следует, что полностью поляризованный падающий пучок (у которого вектор Е находится в плоскости падения) не дает отражения. Таким образом, брюстеровские окна разрядной трубки играют двоякую роль: они обеспечивают линейную поляризацию лазерного пучка и исключают потери энергии при прохождении света из разрядной трубки к зеркалу и обратно. Благодаря такому решению оказалось возможным разместить зеркала за пределами разряда. Это позволяет заменять зеркала и подбирать тип резонатора, отвечающий назначению лазера (например, два плоских зеркала, два вогнутых зеркала и т. п.). В современных Не – Ne лазерах чаще используют полуконфокальные резонаторы. Питание разрядной трубки постоянным током дало возможность регулировать силу тока в широких пределах. Это позволяет подобрать оптимальные условия возбуждения, т. е. получить от лазера максимальную мощность светового пучка. Чаще всего в трубку впаивают холодные алюминиевые электроды, к которым подключают источник питания с напряжением порядка нескольких киловольт. Типичная сила тока в разряде составляет примерно от 8 мА (для небольших лазеров с длиной разрядной трубки около 20 см) до 100 мА (для Не – Ne-лазера, длина которого составляет несколько метров, а выходная мощность – около 150 мВт).
В мае 1962 г. Уайт и Риджен с помощью трубки с окнами Брюстера впервые получили непрерывную генерацию в видимой области. Пучок красного света на длине волны 6328 Å излучался из разрядной трубки длиной 120 см и диаметром 7 мм, заполненной смесью гелия и неона. Оптический резонатор лазера содержал диэлектрические зеркала с максимальным коэффициентом отражения на указанной длине волны.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 105; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!