Лабораторная работа № КСЕ-05

ЛАЗЕР: ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Цель работы:

1. Ознакомиться с физическими основами действия лазеров, устройством газового гелий-неонового лазера и свойствами его излучения.

2. Практически проверить основные свойства лазерного излучения (высокая направленность, монохроматичность, когерентность, поляризованность,).

Теоретическое введение

Лазеры или оптические квантовые генераторы (ОКГ) - это источники электромагнитного излучения (видимого света, ультрафиолетового, инфракрасного), отличающиеся от обычных источников (тепловых и люминесцентных) чрезвычайно высокими монохроматичностью и когерентностью излучения. Такое отличие свойств лазерного излучения вызвано отличием в способе его получения: если в обычных источниках оно возникает в результате спонтанных (самопроизвольных) переходов атомов (молекул) из состояний с большой энергией в состояния с меньшей энергией, то в лазерах - в результате вынужденных (индуцированных) переходов. Кроме того, излучение многих типов лазеров отличается высокой направленностью и поляризованностью, а у некоторых типов лазеров – также чрезвычайно высокой мощностью.

Излучение называется монохроматичным (от греч. – одноцветный), если содержит волны только одной частоты. Обычный белый свет содержит разные цвета, то есть волны разных частот, и поэтому немонохроматичен.

Когерентность (от лат. – находящийся в связи) – согласованное протекание во времени нескольких волновых процессов. Накладывающиеся в пространстве волны называются взаимно когерентными, если разность их фаз в каждой точке постоянна во времени. При наложении взаимно когерентных волн возникает явление интерференции: в одних точках пространства волны усиливают друг друга, одновременно ослабляя друг друга в соседних точках. При интерференции световых волн возникает устойчивая интерференционная картина – чередование светлых и темных полос. Наряду с понятием взаимной когерентности волн используется понятие просто когерентности излучения. Различают когерентность временнýю и пространственную.

Для объяснения временнóй когерентности рассмотрим опыт, схема которого показана на рисунке 5.1а. Поверхность S источника испускает монохроматическое излучение. Луч, идущий из точки A, разделяется полупрозрачным зеркалом M₁ на два луча - 1 и 2, которые с помощью зеркала M₂ вновь совмещаются в точке B экрана N. Следовательно, в точке B складываются колебания электромагнитного поля, возбужденные одной и той же точкой A излучателя, но прошедшие до точки наложения различные оптические пути  и  и затратившие на прохождение этих путей различное время  и , где c - скорость света в вакууме.

То есть в точке B складываются колебания поля, возбужденные в точке A источника в различные моменты времени с задержкой

.

Если накладывающиеся на экране волны дают устойчивую интерференционную картину даже при большой оптической разности хода

,

то есть при большой временной задержке , то говорят, что излучение источника S имеет большую временнýю когерентность. Наибольшая оптическая разность хода Δl волн, испущенных одной точкой излучателя, при которой еще возможна их устойчивая интерференция, называется длиной когерентности излучения. Соответствующий временной интервал  называется временем когерентности. Временнáя когерентность снижается, если излучение немонохроматично, то есть содержит волны разных частот. Для белого света длина когерентности мала - порядка 1 мкм, для лазерного излучения может достигать нескольких километров.

Под пространственной когерентностью излучения понимают способность к интерференции волн, испущенных различными точками излучающей поверхности. Радиусом когерентности  (см. рисунок 5.1б) называется наибольшее расстояние между точками C и D излучателя, дающими в равноудаленной от них точке E экрана N устойчивую интерференционную картину. Как правило, у лазеров радиус когерентности равен поперечному размеру пучка, в то время как у обычных источников составляет лишь доли микрометра.

Рассмотрим принцип действия источников когерентного электромагнитного излучения – лазеров. В соответствии с основными положениями квантовой механики энергия структурных единиц вещества: атомов, ионов, молекул (далее будем называть их атомами), - может принимать только некоторые разрешенные значения. Совокупность этих разрешенных значений (энергетических уровней) образует энергетический спектр атома и изображается с помощью энергетической диаграммы (рисунок 5.2).

При абсолютном нуле (Т =0 К) все атомы вещества находятся в так называемом основном состоянии с наименьшей возможной энергией E₀. При T >0 К часть атомов переходит в различные возбужденные состояния с энергиями E₁, E₂, E₃, … Насёленностью  уровня  называется количество атомов в единице объема вещества, находящихся в состоянии с энергией . В обычных условиях термодинамического равновесия населённость уровней уменьшается с ростом энергии уровня.

Испускание и поглощение света в среде происходит при так называемых излучательных переходах атомов среды из состояний с одной энергией в состояния с другой энергией. Если начальная энергия атома E_n больше конечной E_m (переход "сверху вниз"), то при излучательном переходе испускается квант электромагнитного излучения с энергией . Излучательный переход "снизу вверх" (E_n<E_m) требует поглощения кванта с энергией .

По А. Эйнштейну возможны два типа излучательных переходов. Во-первых, это спонтанные (самопроизвольные) переходы "сверху вниз" (смотри рисунок 5.3а).

Поскольку возможно множество различных спонтанных переходов (E₁→E₀, E₂→E₁, E₂→E₀ и другие), а каждому из них соответствует своя частота испущенной волны, то возникающее из-за спонтанных переходов излучение немонохроматично. При этом фаза, направление распространения и поляризация волн, соответствующих излучаемым квантам, различны. Немонохроматическое, ненаправленное, неполяризованное излучение обычных источников, имеющее малую когерентность, обусловлено именно спонтанными переходами.

Во-вторых, между каждой парой уровней E_n и E_m (будем считать, что E_n>E_m) возможны вынужденные (индуцированные) переходы, вызываемые идущим сквозь среду электромагнитным излучением, у которого энергия квантов удовлетворяет условию

.                                                  (5.1)

Если атом находился в состоянии с меньшей энергией E_m, то его вынужденный переход в состояние с энергией E_n сопровождается поглощением кванта (рисунок 5.3б). Такие переходы "снизу вверх" являются причиной ослабления (поглощения) излучения в веществе.

Если атом находился на верхнем уровне E_n, то при вынужденном переходе на более низкий уровень E_m он отдает высвобождающуюся энергию в виде кванта  (рисунок 5.3в). Замечательно, что при таких вынужденных переходах "сверху вниз" частота, фаза, направление распространения и поляризация испускаемой при этом волны такие же, как и у волны, вызвавшей этот переход. То есть при таких переходах происходит когерентное усиление излучения.

Для одной частицы вероятности встречных вынужденных переходов E_n→E_m и E_m→E_n равны, но так как при термодинамическом равновесии более населен нижний из уровней, то при прохождении сквозь вещество излучения с частотой, удовлетворяющей условию (1), вынужденные переходы "снизу вверх" происходят чаще, чем "сверху вниз", и поглощение излучения преобладает над усилением. Но если в среде создать инверсную населенность (инверсию), когда населенность хотя бы одного из верхних уровней (E_n) больше населенности хотя бы одного из нижних уровней (E_m), то усиление излучения с частотой ν =(E_n - E_m)/h будет преобладать над поглощением. Среду с инверсной населенностью называют также активной. Такая среда есть оптический квантовый усилитель (ОКУ), усиливающий свет указанной частоты, но не вырабатывающий его сам.

Чтобы превратить ОКУ в лазер, то есть генератор излучения, активную среду помещают в оптический резонатор - систему отражателей, возвращающих в активную среду прошедшее сквозь нее излучение (рисунок 5.4). Простейший резонатор - два плоских или слегка искривленных зеркала, параллельных друг другу, между которыми размещена активная среда. Затравкой излучения являются кванты, возникающие в активной среде при спонтанных переходах E_n → E_m.

Пусть один из таких квантов (квант а на рисунке 5.4) движется вдоль оптической оси лазера. Проходя сквозь активную среду, он порождает несколько новых идентичных квантов (кванты б), которые отражаются от зеркала (г), вновь проходят через активную среду, вызывая появление новых квантов (д), и опять отражаются от противоположного зеркала в активную среду (е). Одно из зеркал (выходное) делают частично прозрачным, и через него выходит когерентное лазерное излучение (кванты в). Если усиление света в активной среде превысит потери из-за пропускания света зеркалами и других причин, то система перейдет в режим генерации, длящийся, пока поддерживается достаточный уровень инверсии.

В качестве активных сред используется множество веществ в различных агрегатных состояниях; для них разработан ряд методов получения инверсии: сортировка возбужденных и невозбужденных атомов, оптическая накачка (возбуждение атомов среды при ее интенсивном освещении лампой накачки) и другие.

Наиболее распространены газовые лазеры, а из них лазер на смеси гелия и неона. При электрическом разряде в этой смеси многие атомы гелия возбуждаются, причем один из возбужденных уровней гелия совпадает с одним из уровней неона. При столкновении возбужденных атомов гелия с атомами неона атомы гелия возвращаются в основное состояние, а атомы неона возбуждаются. При правильном подборе соотношения между гелием и неоном в результате описанного выше процесса большинство атомов неона оказываются возбужденными и образуют активную среду. Гелий-неоновый лазер может генерировать излучение на нескольких длинах волн. Наиболее часто оптический резонатор гелий-неонового лазера делают из зеркал, хорошо отражающих только красный свет, и в этом случае лазер генерирует красный свет с длиной волны λ = 0,63 мкм.

Газовые лазеры отличаются наивысшей монохроматичностью и когерентностью, в силу чего они широко используются для оптических измерений, в голографии, для передачи информации. Но их мощность, как правило, сравнительно невелика. Так, выходная мощность большинства гелий-неоновых лазеров составляет несколько милливатт.

Большую мощность имеют твердотельные лазеры (на стекле, рубине, гранате и др.), что позволяет применять их для обработки материалов и изделий: сверления, резки, сварки, упрочнения поверхности и т.д.

В оптоэлектронике используются маломощные миниатюрные полупроводниковые лазеры, имеющие высокий КПД. Для воздействия на вещество когерентным излучением с требуемой частотой применяют жидкостные лазеры, частоту излучения которых можно перестраивать в некоторых пределах. Свои области применения имеют мощные химические и еще более мощные газодинамические лазеры.

По режиму генерации различают импульсные лазеры и лазеры непрерывного действия, по конструкции резонатора - линейные и кольцевые.

Описание установки

Основная часть установки – гелий-неоновый лазер с блоком питания (рисунок 5.5). Длина волны его излучения λ = 0,63 мкм, выходная мощность – до 1 мВт. Смесь He и Ne находится в стеклянной трубке 1 с впаянными электродами 2, к которым от блока питания прикладывается напряжение для зажигания и поддержания газового разряда. Трубка находится между двумя зеркалами. Заднее (3) - хорошо отражающее, слегка вогнутое, переднее (выходное) – плоское, частично прозрачное (4). Трубка и зеркала укреплены на каркасе внутри защитного кожуха 5, установленного на штативе 6. На оправах зеркал имеются винты для их юстировки, то есть правильной установки. Трогать эти винты категорически запрещается! В боковой стенке кожуха проделано прямоугольное отверстие, через которое выходит люминесцентное излучение газового разряда. Луч лазера направляется вдоль оптической скамьи, на которую для проведения опытов устанавливаются на штативах различные оптические устройства из имеющегося на стенде комплекта.

Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений

ВНИМАНИЕ! УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Запрещается направлять лазерный луч в лицо человеку, заглядывать в выходное зеркало, трогать винты на оправах зеркал!

Упражнение 1. Оценка угла расходимости лазерного пучка.

Установить на оптическую скамью экран с миллиметровой сеткой. Для двух положений экрана 1 на скамье измерить диаметры d₁ и d₂ пучка (рисунок 5.6), для чего на экране карандашом обвести наиболее яркую часть пятна, создаваемого лучом лазера (исключая более слабый ореол, окаймляющий пятно).

Угол расходимости  рассчитать по формуле

,

где  – расстояние между двумя положениями экрана (не менее 0,5 м);

        – изменение диаметра пучка.

Зарисовать схему опыта, сделать вывод о высокой направленности (малой расходимости) лазерного пучка.

Упражнение 2. Сравнение монохроматичности люминесцентного излучения газового разряда и выходного излучения лазера.

Зарисовать схему опыта (рисунок 5.7). Установить на оптической скамье в нескольких (3-4) сантиметрах перед выходным зеркалом лазера 1 дифракционную решетку 2 с собирающей линзой 3, а за ней – экран 4 белой стороной к лазеру. Эта система позволяет наблюдать на экране спектр падающего на решетку излучения.

Не сдвигая дифракционную решетку, повернуть лазер к оптической скамье боком с отверстием 5 для выхода люминесцентного излучения газового разряда и, перемещая по скамье экран, получить на экране четкое изображение шнура газового разряда. Над и под изображением шнура должны наблюдаться разноцветные полоски - спектры излучения разряда. Для улучшения видимости спектров желательно выключить свет и задернуть шторы. Затем, не сдвигая дифракционную решетку и экран (их положение должно оставаться неизменным и при выполнении упражнения 3), направить лазер вдоль скамьи и получить на экране спектр выходного излучения лазера. Сравнить эти спектры и сделать вывод о монохроматичности исследованных излучений.

Упражнение 3. Оценка длины волны лазерного излучения

Повернуть экран стороной с миллиметровой сеткой к лазеру. Наблюдая на экране, как в упражнении 2, спектр выходного лазерного излучения, измерить расстояние  от нулевого до первого дифракционного максимума и расстояние  от дифракционной решетки до экрана. Оценить длину волны лазерного излучения по формуле

,

где d = 10 мкм – период решетки.

Упражнение 4. Анализ временнóй когерентности лазерного излучения

Поместить на скамью вплотную друг к другу три штатива (рисунок 5.8). В ближайшем к лазеру 1 штативе установить перпендикулярно лучу лазера экран 2 (белой стороной – от лазера) с отверстием так, чтобы луч проходил сквозь отверстие. В самом дальнем от лазера штативе установить толстую стеклянную пластинку 4 с плоскопараллельными гранями перпендикулярно лучу так, чтобы отраженные от ее передней и задней поверхностей световые пучки падали на обратную сторону экрана как можно ближе к отверстию. Эти пучки, накладываясь, дают на обратной стороне экрана интерференционную картину. Для увеличения размеров этой картины поместить в штатив между экраном и отражающей стеклянной пластинкой пластиной рассеивающую линзу 3. Получить на обратной стороне экрана интерференционную картину в виде чередующихся темных и светлых колец.

Зная толщину отражающей стеклянной пластины d и показатель преломления n стекла (они указаны на стенде), оценить оптическую разность хода интерферирующих лучей по формуле

.

Зарисовать схему опыта. Сделать вывод о временнóй когерентности лазерного излучения.

Упражнение 5 (выполняется по указанию преподавателя). Анализ поляризации выходного излучения лазера

Свет есть поперечная электромагнитная волна, в которой вектор напряженности электрического поля  колеблется в плоскости, перпендикулярной направлению распространения луча. Если направление колебаний напряженности электрического поля хаотически изменяется, оставаясь в плоскости, перпендикулярной лучу, то свет называется естественным. Такой свет вырабатывают обычные тепловые и люминесцентные источники. Поляризованным называется световое излучение, в котором направление колебаний вектора  упорядочено. В частности, линейно поляризованным называется свет, для которого направление колебаний напряженности электрического поля постоянно.

Схема опыта показана на рисунке 5.9. Поместить на пути луча поляризатор 1, пропускающий только свет с определенным направлением колебаний электрического поля, а за ним – экран 2. Вращая поляризатор вокруг оси, совпадающей с лучом лазера, наблюдать на экране изменение интенсивности прошедшего сквозь поляризатор света. Определить угол, на который необходимо повернуть поляризатор, чтобы интенсивность прошедшего пучка изменилась от максимума до минимума. Зарисовать схему опыта. Сделать вывод о характере поляризации лазерного излучения.

Контрольные вопросы

1. Что такое монохроматичность и когерентность излучения?

2. Спонтанные и вынужденные переходы в квантовых системах.

3. Что такое инверсная населенность? Способы ее получения.

4. Принцип действия, устройство лазеров и их отличие от обычных источников излучения.

5. Основные типы лазеров, их характеристики и области применения.

Список рекомендуемой литературы

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов. - 11-е изд., стер. / Т.И. Трофимова. - М.: Изд. центр «Академия», 2006. - §§ 232, 233.

2. Детлаф, А.А. Курс физики: учеб. пособие для студ. втузов. - 6-е изд., стер. / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Изд. центр «Академия», 2007. - §§ 40.1, 40.2.

3. Концепции современного естествознания: Курс лекций для студентов гуманитарных специальностей. Гл. 9. Основы квантовой механики / БГИТА; Сост. К.Н. Евтюхов. – Брянск, 2001. – 16 с.