Принцип действия газового лазера

Газовый оптический квантовый генератор

Методические указания

по выполнению лабораторной работы

Саранск

Методические указания составлены для выполнения лабораторной работы “Газовый оптический квантовый генератор” по курсу “Квантовая и оптическая электроника”.

Методические указания предназначены для студентов 4 курса специальности «Микроэлектроника и твердотельная электроника» и других специалистов направления «Электроника и наноэлектроника».

СОДЕРЖАНИЕ

1. Принцип действия газового лазера

Описание установки

3. Измерение угла расхождения и распределения энергии в пучке

4. Измерительная установка и методика измерений

5. Измерение поляризации

6. Проведение испытаний

7. Отчет по работе и производство вычислений

8. Контрольные вопросы

Список литературы

«Газовый оптический квантовый генератор»

Цель работы: Исследование оптического генератора, в качестве активного вещества которого используется смесь газов гелия и неона.

Задание: Измерить угол расхождения пучка и поляризацию излучения газового лазера ЛГ-72.

1. Измерить мощность распределения в пучке (в относительных единицах) представить в виде таблицы.

2. Нарисовать графики распределения энергии в пучке. По ним найти диаметры пучка на уровне половинной интенсивности.

3. Рассчитать угол расхождения пучка.

4. Измерить зависимости мощности излучения (в относительных единицах) от угла поворота призмы.

5. Построить фотометрический график и по нему определить характер поляризации.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

Система энергетических уровней свободных атомов и ионов проще, чем атомов, введенных в кристаллическую решетку и к настоящему времени хорошо изучена. Правила отбора обычно хорошо соблюдается. Безызлучательные переходы в случае газов имеют меньшую вероятность, чем в твердых телах; они происходят при неупругих столкновениях. Так как уровни в газах узки и широкие полосы поглощения отсутствуют, то получение инверсной населенности с помощью оптической накачки затрудняется. Однако в газах возможны другие методы возбуждения при столкновении атомов и передача энергии при диссоциации.

Возбуждение атомов при столкновении с электронами может быть проще всего осуществлено в электрическом разряде, где свободные электроны, ускоряясь электрическим полем, могут приобрести энергию достаточную для возбуждения атомов. При неупругих столкновениях электронов с атомами последние переходят в возбужденное состояние, в связи с чем возникает неравновесное распределение атомов по энергиям. В состояниях с большим временем жизни (метастабильное состояние) происходит накопление большого числа атомов и может быть получена инверсная населенность уровней.

В газовом разряде наиболее важными процессами, приводящими к обмену энергиями между частицами, являются следующие:

1) Электронные удары 1-го рода, при которых электроны передают свою энергию атому.

2) Электронные удары 2-го рода, когда атом передает свою энергию электрону.

3) Обмен энергией между атомами при столкновении-

4) Спонтанное излучение возбужденных атомов.

5) Поглощение электромагнитного излучения атомами.

6) Вынужденное излучение атомов.

7) Передача возбуждения при диссоциации.

Используя указанные процессы для возбуждения некоторых газов при смещении системы в резонатор можно получить генерацию излучения.

Исторически первым газовым лазером явился генератор - рабочим веществом, которого служила смесь газов гелия и неона.

Уровни энергии Не и Ne и основные рабочие переходы схематически изображены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема энергетических уровней гелия и неона

Оптимальные значения давлений газов составляет для Не 1мм рт. ст., для Ne - 0,1 мм рт. ст. Атомы гелия служат главным образом для передачи электронов, заключенных в широком интервале значений, в группу энергетических уровней атомов неона. Уровни гелия 2¹S и 2³S метастабильны. Излучательные переходы в основное состояние запрещены.

При столкновении атомов Не, находящихся, например, в состоянии 2³S, с атомами Ne, находящимися в основном состоянии, возможна передача энергии атому неона, который будет возбужден на один из четырех уровней 2S. Процесс передачи энергии может быть записан следующим образом:

He⁺+Ne  Ne^*+He (1)

где знаком (*) обозначены возбужденные состояния атомов.

С четырех уровней 2S неона могут происходить излучательные переходы на десять уровней 2Р. Уровни 2Р менее заселены, чем уровни 2S, так как прямая передача возбуждения от атомов неона на эти уровни отсутствует. Кроме того, уровни 2Р обладают малым временем жизни, и переход 2P  1S опустошают уровни 2Р. Уровни неона 1S, однако, являются метастабильными и, если в газовой смеси не содержится других примесей, то единственным способом перехода атомов неона в исходное состояние с уровня 1S являются соударение со стенками сосуда. По этой причине усиление системы обратно пропорционально диаметру разрядной трубки.

Возникновение инверсной населенности зависит от давления Не и Ne в смеси и температуры электронов. В общей сложности с четырех уровней 2S на десять уровней 2Р правилами отбора разрешены 30 различных переходов, на большинстве из которых получена генерация. Наиболее сильной линией излучения при переходах 2S  2P является линия 1,1523 мкм (инфракрасная область спектра).

Основным преимуществом газовых лазеров является то, что они легко работают в непрерывном режиме и их излучение обладает высокой монохроматичностью, когерентностью и стабильностью. Сравнительно легко осуществляется генерация на одном типе колебаний. С увеличением уровня возбуждения; если не принимается специальных мер, возникает ряд других типов колебаний. в этом случае генерация происходит на частотах близких к резонансным частотам резонаторов, которые заключены в пределах ширины атомной линии.

В случае аксиальных типов колебаний — ТЕМсоп мод, расстояние по частоте между соседними резонансами -С/2L, где L - расстояние между зеркалами. Биения между различными модами могут быть обнаружены с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и анализатора спектра. Если бы существовали только аксиальные моды, то спектр биений представлял бы собой только отдельные линии, расстояние между которыми было бы равно C/2L. Но в резонаторе Фабри - Перо или в конфокальном резонаторе возможно еще существование неаксиальных типов колебаний, например, ТЕМюп мод, возбуждение которых сильно зависит от настройки зеркал. Поэтому в спектре биений появляются дополнительные линии — спутники, расположенные на частоте симметрично по обе стороны от аксиальных типов колебаний. Возникновение новых типов колебаний с увеличением уровня накачки легко определяется при визуальном наблюдении структуры поля излучения. Так же визуально можно наблюдать влияние юстировки резонатора на структуру мод когерентного излучения. При низких уровнях возбуждения излучение, выходящее из лазера, плоскополяризовано из-за применения окон, расположенных под углом Брюстера к оптической оси лазера. Ширина линии излучения лазера на Не  Ne на много порядков меньше предельной степени разрешения современных спектрометров и может быть определена посредством измерения спектра биений различных мод в излучении.

2 ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

В данной работе исследуется газоразрядный оптический квантовый генератор типа ЛГ-72, который предназначен для использования в оптических системах связи, а так же для проведения научных исследований. Прибор в комплекте состоит из оптического квантового генератора и стабилизатора напряжения СПБ-П.

Оптический квантовый генератор состоит из оптического резонатора и активного элемента. Оптический резонатор образован двумя зеркалами сферическим и плоским. Сферическое зеркало неподвижно закреплено в кронштейне. Плоское зеркало закреплено в механизме юстировки. Благодаря наличию механизма юстировки, положение плоского зеркала в механизме оси оптического резонатора можно регулировать.

Активным элементом является разрядная трубка с анодом и аксиальным катодом, наполненная смесью неона и гелия. Разрядную трубку можно перемещать в горизонтальном и вертикальном направлениях с помощью специальных ручек Торцы разрядной трубки отшлифованы под углом Брюстера и закрыты выходными окнами из оптического кварцевого стекла.

Пространство между выходными окнами и зеркалами герметизировано. Резонатор с активным элементом помещен в защитный корпус. В дне кожуха имеется разъем, через который подводится высокое и накальное напряжения к разрядной трубке. Выход излучения осуществляется с одного торца прибора. С целью подавления неосевых типов колебаний в приборе используется подвижная диафрагма с переменным отверстием.