 |
Энергетические уровни гелий-неонового ОКГ
|
|
|
|
Рассмотрим теперь, как возникает инверсная заселенность атомов неона. Упрощенная схема уровней неона приведена на рис.5
Выше уровня E4 у неона имеется еще 28 уровней с энергией, меньшей E3, но они для нас не имеют значения и на рисунке не изображены. Возбуждение атомов неона происходит в результате столкновений их с электронами газоразрядной плазмы. При определенном режиме разряда этот процесс может привести к инверсной заселенности уровней E1 и E2. Однако заселенность уровней E1 и E3, а также уровней E4 и E3 остается неинверсной. Инверсной заселенности препятствует долгоживущий метастабильный уровень E5, лежащий немного ниже короткоживущего уровня E1. Заселенность уровня E5 велика, за счет этого происходит пополнение быстро опустошающего уровня E1, и инверсии заселенности между уровнями E1 и E3 не возникает.
Добавление гелия меняет дело. Из всех уровней гелия, помимо нормального E’0, для работы лазера имеют значения метастабильные уровни E’2 и E’3 с энергиями 19,82 и 20,61 эВ соответственно. Спонтанный радиационный переход с этих уровней на основной уровень E’0 «запрещен», т.е. происходит с очень малой вероятностью. Поэтому время жизни атома на уровнях E’2 и E’3 очень велико. В результате электронных ударов на этих метастабильных уровнях накапливается очень много атомов гелия. Но уровни гелия E’2 и E’3 почти совпадают с уровнями E2 и E3 неона. Благодаря этому при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона интенсивно происходит безызлучательные переходы атомов гелия в невозбужденное состояние с резонансной передачей энергии атомам неона. Этот процесс на рис. 5 символически изображен горизонтальными пунктирными стрелками. В результате концентрации атомов неона на уровнях E2 и E3 сильно возрастают, и возникает интенсивная заселенность по отношению к уровням E1 и E3, а разность заселенностей уровней E2 и E1 увеличивается в несколько раз.
|
|
|
Выясним в заключение влияние столкновений атомов неона со стенками трубки. Такие столкновения практически не влияют на заселенность уровней E2 и E3 и непосредственно уровня E1, так как все эти уровни короткоживущие. За время жизни в возбужденных состояниях на этих уровнях атомы неона практически не успевают доходить до стенок трубки. Указанные уровни разрушаются значительно раньше. Напротив, на уровне E5 возбужденные атомы живут долго, претерпевая в этих состояниях многочисленные столкновения со стенками трубки. Столкновения разрушают уровень E5, в результате чего атомы неона переходят с уровня E1 на уровень E5. Разница заселенностей уровней E3 и E1 увеличивается, что повышает эффективность работы лазера. Процесс опустошения уровня E1 происходит наиболее эффективно при некотором оптимальном диаметре трубки. Опыты показали, что максимальная мощность гелий - неонового лазера достигает при диаметре трубки ~7 мм. При больших диаметрах мощность лазера падает, несмотря на сильное увеличение объема рабочего газа (объем трубки пропорционален квадрату ее диаметра). Это связано с тем, что эффективное опустошение уровня E1 происходит у атомов, находящихся вблизи стенок трубки, а атомы, находящиеся вблизи ее центра, практически выключаются из процесса генерации.
В настоящей работе исследуются и изучаются следующие параметры ОКГ на смеси гелия и неона:
1. Знакомство с работой гелий-неонового лазера ЛГ-75.
2.Исследование характеристик его излучения (расходимость, ширина линии генерации, поляризация луча.).
Порядок выполнения работы
1. Изучить инструкцию по эксплуатации Гелий - неонового ОКГ. Проверить наличие заземления блока питания ОКГ и включить тумблер «Сеть»Установить ручку регулятора тока в среднее положение и через три-пять минут нажать на кнопку «Поджиг».Если прибор исправен, то на экране появится красное пятно, соответствующее излучению ОКГ. Установить регулятором величину тока -24 мА.
|
|
|
2.Изучение свойств лазерного луча.
Упражнение 1. Определите расходимости лазерного луча.
Оценка расходимости лазерного луча производится по отношению разности радиусов лазерных пятен к расстоянию между точками, в которых эти радиусы определялись (рис.6.).Диаметр первого пятна определяется вблизи выходного окна головки ОКГ, а диаметр второго - на некотором расстоянии L.
головка ОКГ
Рис.6. Схема для определения расходимости луча ОКГ.
Э- экран, d 
, d 
- размеры пятен в точках 1 и 2.
Задания:
1. По результатам измерений оценить угловую расходимость лазерного пучка: 
2. Сравнить полученный результат с расчётом, полученным по формуле (13).
3. Зарисовать в тетради структуру лазерного пучка на экране (желательно на достаточно большом расстоянии, где структура проявляется более отчётливо) и дать качественное объяснение наблюдаемой картины.
Упражнение 2.Определение плоскости поляризации луча ОКГ.
Ввиду особой конструкции трубки (брюстеровские окна), излучение гелий-неонового лазера ЛГ-75 является поляризованным.
Определение плоскости поляризации луча производится с помощью анализатора-поляроида или стопы, образованной из набора плоскопараллельных стеклянных пластин.
Помещая на пути луча анализатор (рис.7) и вращая его относительно оси, наблюдается изменение интенсивности пучка на экране.
Э
НС П
Рис. 7. Схема для определения плоскости поляризации луча ОКГ.
НС - нейтральный светофильтр, П - поляризатор, Э - экран.
Примечание а) при использовании поляроида направление его оптической оси известно; б) при использовании стопы луч дополнительно ослабляется нейтральным светофильтром для того, чтобы эффект был хорошо заметен.
Задания:
1. По результатам наблюдения определить плоскость поляризации луча лазера (плоскость электрического вектора световой волны).
2. Объяснить действие стопы.
3. Зарисовать в тетради расположение брюстеровских окон трубки в лазерной головке (вид сбоку или сверху).
|
|
|
Упражнение 3.Фотографирование спектра излучения ОКГ. (рис. 8.). 
С помощью поворотного зеркала направить луч лазера на входную щель спектрографа ИСП-51. Вращая ручку настройки спектрографа добиться появления на выходе спектрографа линии излучения лазера. (При настройке прибора к выходному окну спектрографа прикладывается матовая пластинка).Входную щель спектрографа подобрать экспериментально. Поставить кассету с фотопластинкой и сфотографировать для нескольких положений кассеты линии излучения ОКГ. Отключить лазер и не передвигая кассету сфотографировать излучение источника (газоразрядная лампа) с известными линиями (репер).
Рис. 8. Схема для фотографирования спектра излучения ОКГ.
Задания:
1. После обработки пластинки, зная дисперсию спектрального прибора, определить длину волны излучения гелий-неонового ОКГ.
2. С помощью микрометра МИР измерить ширину спектра полученной экспериментальной линии и оценить ширину линии излучения гелий - неонового ОКГ.
Контрольные вопросы
1. Физическая основа работы оптических квантовых генераторов:
а) понятие индуцированного излучения, инверсной заселённости;
б) условие усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами.
2. Основные характеристики лазерного излучения (спектральный состав, расходимость, пространственная структура).
3. Устройство и принцип действия газовых лазеров.
4. Механизм создания инверсной заселённости в газовой смеси.
5. Энергетические уровни гелий-неонового лазера.
ЛИТЕРАТУРА
1. Э.В.Шпольский. Атомная физика. М.., Просвещение, 1974 г., т.1., с.312-328.
2. Е.Ф.Ищенко, Ю.М.Климков. Оптические квантовые генераторы. Сов.радио, 1968 г., гл. 3.
|
|
|
