Теоретические сведения. Цель работы: ознакомление с принципом работы и устройством газового лазера;

Лабораторная работа № 3.3.

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ И ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ He - Ne ЛАЗЕРА

Цель работы: ознакомление с принципом работы и устройством газового лазера;

исследование основных характеристик газового разряда лазера и лазерного излучения.

Оборудование: He – Ne - лазер с источником питания, дифракционная решетка, измеритель мощности типа ИМО - 2Н; экран, поглощающий фильтр.

Теоретические сведения

В состав лазера входят излучатель и источник питания его. Излучатель газового лазера состоит из газоразрядного активного элемента, помешенного внутрь оптического резонатора, и защитного кожуха резонатора. Схематическое изображение излучателя лазера приведено на рис.1.

Рис 1 Конструкция излучателя He – Ne лазера

Газоразрядный активный элемент представляет собой стеклянную трубку Т наполненную смесью газов Ne и He c приклеенными по концам кварцевыми пластинками О. установленными под углом Брюстера и впаянными электродами Э. Трубка помешена между отражающими зеркалами 3 ₁ и 3 ₂ образующими оптический резонатор. Узлы крепления зеркал имеют механизм юстировки, позволяющий выставлять зеркала параллельно друг другу с высокой точностью. Трубка и зеркала помещены в защитный кожух К.

При включении источника питания на электроды трубки подается электрическое напряжение, в результате чего в трубке возникает тлеющий газовый разряд. Электроны, при соударениях с атомами Не возбуждают их, а те в свою очередь, при соударениях передают энергию возбуждения атомам Ne переводя их на более высокий энергетический уровень (верхний лазерный уровень), являющийся метастабильным. В результате между возбужденным и более низкими уровнями неона возникает инверсия населенностей равная разности населенностей верхнего и более низкого уровней. N ₁ и N ₂.

Возбужденные атомы Ne имеют конечное время жизни, после чего происходит их переход на более низкий энергетический уровень (нижний лазерный уровень),сопровождающийся видимым излучением в красной области спектра. На рис.2

Рис 2. Схема энергетических уровней смеси атомов Ne и He, связанных лазерной генерацией.

представлена схема энергетических уровней He и Ne: 1 и 2 - верхний и нижний лазерные уровни, соответственно, N₁ и N₂ - число атомов на этих уровнях.

Возникшее сначала спонтанное излучение на своем пути вызывает вынужденное (индуцированное) излучение других возбужденных атомов Ne и усиливается. Усиление увеличивается за счет многократного прохождения излучения через активный элемент между двумя отражавшими зеркалами и достигает значения, превышающего потери излучения на поглощение и рассеяние. Возникает лазерная генерация, т.е. лазер излучает энергию в виде пучка света, который выходит через частично прозрачное зеркало 3 ₂ (рис.1).

В результате генерации увеличивается заселенность нижнего лазерного уровня 2, который в свою очередь опустошается за счет спонтанного излучения с переходом атомов на более низкий энергетический уровень. Спонтанное излучение на переходах 1 → 2 также имеет красноватый цвет, но за счет хаотичности направления более слабее по интенсивности, чем лазерное. Его можно наблюдать через боковые стенки трубки.

Мощность лазерного излучения Р пропорциональна инверсии населенностей т. е. P~ ΔN, которая зависит от тока разряда в активном элементе; ток разряда в свою очередь зависит от напряжения на активном элементе. В тлеющем разряде, который используется для создания инверсии населенности в He - Ne - лазере, с увеличение напряжения ток разряда уменьшается, т.е. в тлеющем разряде вольт - амперная характеристика падающая.

Количество электронов в разряде с увеличением тока растет, при малых токах это приводит к увеличению инверсии и мощности лазерного излучения с ростом тока. При дальнейшем увеличении тока количество и средняя энергия электронов увеличивается и увеличивается число соударений с ними атомов Ne, приводящих к увеличению вероятности возбуждения нижних лазерных уровней Ne. Поскольку доля атомов Ne, возбужденных на верхний лазерный уровень, соответственно уменьшается, уменьшается инверсия населенностей, падает и мощность излучения. Таким образом, зависимость мощности излучения от тока разряда имеет немонотонный характер. Максимум мощности соответствует некоторому значению тока разряда, называемому рабочим током.

Вынужденное лазерное излучение отличается высокой степенью монохроматичности и направленности. Диаметр луча сравнительно мал и его увеличение в зависимости от расстояния тоже мало. Расходимость луча Q характеризуется изменением диаметра ΔD на расстоянии Δl выражением:

(1)

где D ₁, D ₂ - диаметры луча на расстояниях l ₁ и l ₂ от лазера, соответственно (Рис. 3)

Рис 3 Схема определения расходимости лазерного излучения

Зависимость диаметра луча от расстояния выходного зеркала до лазера не является линейной. Обычно расходимость определяется в дальней зоне на линейном участке этой зависимости.