Структура энергетических уровней
Порядковый номер неона в таблице Менделеева - 10, а первый потенциал ионизации равен 21,47 В. Атом неона имеет заполненные электронные оболочки: оболочка К содержит 2 электрона в подоболочке 1s ( 
и 
), оболочка L - 2 электрона в подоболочке 2s и 6 электронов в подоболочке 2р. В спектроскопии это сокращенно записывается так: 
.
На Рис. 6 показаны энергетические уровни неона (и некоторые, совпадающие с ними уровни гелия) с указанием трех наиболее известных лазерных переходов. Положения уровней и расстояния между ними по Рис.6 казаны без соблюдения масштаба (исходя из возможностей рисунка).
Анализ возбужденных состояний атомов показал, что кроме типичных короткоживущих иногда появляются долгоживущие состояния, время жизни которых существенно больше времени жизни соседних уровней. Эти уровни принято называть метастабильными. Состояние 
ортогелия, расположенное на расстоянии 19,77 эВ от основного состояния, является примером метастабильного состояния. Атом гелия не может вернуться в основное состояние спонтанно, поскольку переход
запрещен дважды: правилом отбора 
и невозможностью интеркомбинационного перехода из триплетного состояния в синглетное ( 
= 0). Поэтому состояние является метастабильным. Время жизни атомов в этом состоянии равно 
- 1 с, т. е. на много порядков превышает времена жизни в нормальных энергетических состояниях.
|
|
|
Переход из метастабильного состояния на более низкий энергетический уровень возможен в процессе соударений второго рода или при воздействии вынуждающего излучения. Атом можно также возбудить из метастабильного состояния на более высокий энергетический уровень.
Практическая часть
Практическая работа с He-Ne лазером состоит из двух частей, в которых используются лазеры с разными выходными параметрами и габаритными размерами. Практические части 1 и 2 можно выполнять в любой последовательности.
Практическая часть 1
Целью этой части работы является ознакомление с принципом работы интерферометра Фабри-Перо, с его устройством и настройкой, изучение спектрально-модовой структуры излучения He-Ne-го лазера и определение длины резонатора лазера.
Упражнение1. Ознакомление с устройством и принципом работы интерферометра Фабри-Перо.
Используя набор комплектующих к интерферометру Фабри-Перо, изучите устройство отдельных частей интерферометра.
Внимание! На зеркалах нанесены незащищённые алюминированные покрытия, которые легко портятся и разрушаются. Ни в коем случае не касайтесь их пальцами!!!
Обратите внимание: на распорном кольце с двух сторон имеется по три выступа, которые, собственно, и задают с большой точностью расстояние между зеркалами – базу интерферометра, определяющую основные параметры этого прибора, область свободной дисперсии и разрешающую способность.
|
|
|
Упражнение 2. Настройка интерферометра.
Уберите промежуточные рейтера с линзами, направьте луч лазера в центр заднего зеркала интерферометра и выставьте его и линзы, стоящие за ним, примерно, на одной высоте. Затем установите промежуточные линзы так, чтобы луч расширился и заполнил всю входную апертуру интерферометра. Непосредственно после лазера должны быть установлены нейтральные светофильтры для уменьшения яркости изображения. Для получения чёткого изображения интерференционной картины используется оптическая система из двух линз. Первая линза устанавливается непосредственно после интерферометра, а положение второй подбирается наблюдающим.
Внимание! Наблюдаемая картина не должна быть чрезмерно яркой для ваших глаз. В противном случае установите перед выходным зеркалом лазера более плотный нейтральный светофильтр!
После описанной выше юстировки настройте интерферометр с помощью трёх винтов на передней части его корпуса по методике, приведённой в приложении. При правильной настройке вы должны увидеть симметричную кольцевую структуру, в которой чередуются порядки интерференции, состоящие из одинакового числа колец, отражающих спектральный состав источника света. В случае лазерного источника число колец равно числу продольных мод, генерируемых лазером.
|
|
|
Упражнение 3. Определение межмодового расстояния и длины резонатора.
Спектр He-Ne-го лазера состоит из, так называемых, продольных мод, то есть отдельных спектральных линий, которые при правильной настройке можно разрешить, то есть увидеть отдельно все кольца, с помощью интерферометра Фабри-Перо. Интерферометр с базой 100 мм способен разрешить модовую структуру лазера с длиной резонатора порядка 1 м. База интерферометра, используемого в настоящей работе, составляет 30 мм и позволяет (на пределе разрешения) наблюдать модовую структуру лазера с коротким резонатором.
3.1. Используя формулы для разрешающей способности и области дисперсии интерферометра, покажите в отчёте, можно ли таким интерферометром наблюдать спектр «метрового» лазера.
Убедитесь, что структура порядков интерференционной картины вам видна (должно наблюдаться по два кольца в каждом порядке). Установите за интерферометром зрительную трубку (ЗТ) с измерительной шкалой на окуляре. Перемещая линзу винтом, можно смещать, видимую в ЗТ интерференционную картину, относительно измерительной шкалы и определять необходимые интервалы. С помощью ЗТ определите, область свободной дисперсии интерферометра (расстояние между одинаковыми кольцами разных порядков). Затем рассчитайте этот параметр теоретически и определите цену деления шкалы в МГц. Измерьте расстояние между кольцами внутри порядков. Проделайте это измерение несколько раз и по среднему результату вычислите длину резонатора лазера. Если есть возможность, используйте при измерениях фотоаппарат.
|
|
|
Контрольные вопросы
1. Кем и когда был создан первый He-Ne-вый лазер?
2. Накачка He-Ne-ой смеси. Соударения I и II рода.
3. Основные линии генерации. Схема уровней.
4. Почему возбуждённый уровень гелия является метастабильным ?
5. Постройте контуры линии усиления и линии генерации для исследуемого лазера.
6. Как уровень потерь влияет на структуру моды излучения?
7. Структура продольных мод ОКГ и интерферограмма Фабри-Перо.
8. Устройство и принцип действия интерферометра Фабри-Перо.
9. Область свободной дисперсии и разрешение интерферометра, как они зависят от базы интерферометра.
Практическая часть 2
Целью этой части работы является изучение ознакомление с устройством и работой He-Ne-го лазера типа ЛГ-75, и структуры поперечных мод его излучения.
Упражнение 1. Ознакомление с работой лазера и его юстировкой
Включите тумблер «сеть» на блоке питания лазера. Примерно через 20-30 с. включится блок высокого напряжения и начнёт работать разрядник (должны быть слышны характерные щелчки), зажжётся разряд в рабочей трубке и появится луч. Если таким образом разряд не удастся получить, повторите процедуру включения блока питания и одновременно с разрядником примените внешнюю пьезоэлектрическую систему поджига.
После получения генерации осторожно поворачивайте шестигранным ключом юстировочные винты на торцевой части лазера, наблюдая изменение поперечной структуры излучения на экране.
Внимание! Резкий поворот юстировочных винтов может привести к срыву генерации. Всякий раз, поворачивая юстировочные винты, запоминайте направление вращения, чтобы при необходимости можно было восстановить их положение.
Зарисуйте или сфотографируйте наблюдаемую картину, определите тип генерируемой поперечной моды.
Упражнение 2. Изучение поперечной модовой структуры излучения лазера с длиной волны 632 нм.
Пользуясь юстировочными винтами, получите последовательно поперечные моды так, чтобы один из индексов менялся от 0 до 6. Каждый раз фиксируя структуру пятна излучения, определите вид генерируемой моды (ТЕМmn), то есть определите значения индексов m и n для поперечных мод.
Внимание! Особенно будьте внимательны при получении моды 00. В этом случае резонатор лазера находится на границе зоны устойчивости. Резкий поворот юстировочных винтов может привести к срыву генерации. Всякий раз, поворачивая юстировочные винты, запоминайте направление вращения, чтобы при необходимости можно было восстановить их положение.
Постарайтесь получить излучение на 5 – 6 различных модах с увеличением значения индексов m и n, начиная от ТЕМ00, до наиболее сложной моды (её можно не идентифицировать). Используя экраны (можно использовать стены, перпендикулярные лучу) установленные на различных расстояниях от выходного зеркала лазера, зафиксируйте размеры и форму пятен излучения, определите индексы и рассчитайте расходимость излучения для каждой моды. Постройте график зависимости расходимости излучения от величины индексов.
Контрольные вопросы
1. Структура поперечных мод резонатора, обозначение мод.
2. Физический смысл ТЕМ для мазеров и лазеров.
3. Определите типы мод на Рис.5.
4. Как зависит расходимость излучения от типа моды?
5. Почему с поворотом зеркала меняется тип моды?
6. Как зависит модовая структура от длины волны генерации?
7. Назовите основные линии генерации Не-Ne –го лазера.
8. Как осуществляется накачка в гелий – неоновом лазере?
9. Как зависит модовая структура от длины резонатора?
10. Какова ширина контура усиления для различных линий генерации?
Ответы на контрольные вопросы включите в отчёт.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 57; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!