Изучение работы газового лазера

Мотивационная характеристика темы. Квантовая электроника изучает методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием вынужденного излучения квантовых систем. Достижения в этой области знаний находят все большее применение в медицине.

Цель лабораторной работы: ознакомление с физическими основами работы оптического квантового генератора. Определение длины волны излучения лазера дифракционным методом. Применение когерентного излучения для измерения размеров дисперсных частиц в среде.

К работе необходимо:

Знать	Уметь
1.Что такое когерентные волны. 2.Интерференция и дифракция света. 3.Дифракционная решетка и дифракционная картина.	1.Объяснить физические процессы, происходящие в квантовом генераторе. 2.Использовать дифракционный метод для определения длины волны лазерного излучения. 3.Применять когерентное излучение для определения геометрических размеров дисперсных частиц в среде.

Литература:

1. А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика. М.,1999, Гл.14.

2.А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика. М.,1987, Гл.14.

3.И.А.Эссаулова и др. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. М., 1987, Лб.44.

Контрольные вопросы для определения

исходного уровня знаний

1.Сформулируйте свойства когерентных волн.

2.Какие условия необходимы для наибольшего усиления и ослабления волн.

3.В чем проявляется интерференция света в тонких пленках.

4.Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля и объясните его назначение.

5.Что собой представляет дифракционная решетка и дифракционный спектр.

Информационный блок

Оптические квантовые генераторы (лазеры) основаны на генерации и усилении света с помощью вынужденного индуцированного излучения.

Индуцированное - это такое излучение электромагнитных волн, которое возникает, если атом переходит из возбужденного состояния в основное под действием внешнего излучения (фотона). Такое взаимодействие фотона с возбужденным атомом может быть, если энергия hv фотона равна разности уровней энергий атома в возбужденном и основном состояниях (рис.1). В этом случае после взаимодействия фотона с атомом от атома будут распространяться уже два фотона: вынуждающий и вынужденный, т. е. наблюдается усиление света. Образовавшееся при этом вынужденное излучение имеет ту же частоту и фазу, что и стимулирующее этот процесс, и распространяется в том же направлении, т. е. индуцированное излучение когерентно вынуждающему излучению.

При взаимодействии фотонов с веществом наряду с вынужденным излучением идет процесс поглощения фотонов, при котором атомы вещества переходят из основного состояния в возбужденное. В обычном состоянии невозбужденных атомов в веществе значительно больше, чем возбужденных, поэтому при взаимодействии фотонов с веществом преобладает процесс поглощения и усиления света нет. Интенсивность света, прошедшего через слой вещества, зависит от толщины слоя по закону Бугера:

I=I₀exp(-cL)

где I₀ - интенсивность падающего света, c - показатель поглощения. При взаимодействии света с веществом в обычном состоянии I<I₀ и c>0.

Для того чтобы процесс вынужденного излучения преобладал над поглощением, необходимо изменить распределение атомов облучаемого вещества по энергетическим уровням. Усиление света будет в том случае, если концентрация атомов вещества на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденному состоянию, больше, чем на нижних. Такое состояние называется инверсной населенностью.

Интенсивность света, прошедшего через среду с инверсной населенностью атомов, увеличивается (I>I₀), что соответствует, по закону Бугера, отрицательному значению показателя поглощения х<0.

В состоянии термодинамического равновесия распределение атомов по энергетическим уровням определяется законом Больцмана:

N_i=c exp[-E_i/(kT)]

где N_I- число атомов, находящихся при температуре Т в состоянии с энергией Е_i; k – постоянная Больцмана; с – коэффициент пропорциональности.

Пусть E_n и E_m – значения двух энергетических уровней, причем E_n>E_m. Тогда для обычного состояния вещества

При инверсной же населенности число атомов в состоянии Е_n больше, чем в состоянии E_m (N_n>N_m):

Логарифмируя это выражение, получаем

откуда

.

Так как N_n/N_m>1, то ln (N_n/N_m)>0 и T<0.

Состояние вещества с инверсной населенностью - это состояние с отрицательной термодинамической температурой. Понятие отрицательной термодинамической температуры характеризует термодинамическую неравновесность такого состояния вещества, при котором большая часть атомов находится в возбужденном состоянии.

Советский физик В.А.Фабрикант впервые рассмотрел возможности получения сред с отрицательной температурой и, изучая распространение света в таких средах, сформулировал принцип молекулярного усиления. Из этого принципа следует, что интенсивность света возрастает по мере его распространения в среде с отрицательной температурой.

Принцип молекулярно­го усиления был положен советскими учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и американским физиком Ч. Таунсом в основу устройства первых квантовых генераторов электромагнитных волн. Генераторы, дающие излучение в оптическом диапазоне длин волн, получили название лазеров.

Рассмотрим устройство и принцип действия газового гелий-неонового лазера. Основным его элементом является разрядная трубка, заполненная смесью газов - гелия и неона. Парциальное давление гелия 1 мм рт. ст., неона - 0,1 мм рт. ст. Атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия—вспомогательными, необходимыми для создания инверсной населенности атомов неона.

На рис.2 изображены энергетические уровни атомов неона и гелия. При электрическом разряде в трубке возбуждаются атомы гелия и переходят в состояние 2. Первый возбужденный уровень 2 гелия совпадает с энергетическим уровнем 3 атомов неона. Поэтому, соударяясь с атомами неона, атомы гелия передают им свою энергию и переводят их в возбужденное состояние 3. Таким образом, в трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона с инверсной населенностью.

Спонтанный переход отдельных атомов неона с энергетического уровня 3 на уровень 2 вызывает появление фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами неона возникает индуцированное когерентное излучение последних и в трубке возникает увеличивающийся поток фотонов с энергией hn.

Для увеличения мощности излучения трубку помещают в зеркальный резонатор. Отражаясь от зеркал, поток фотонов многократно проходит вдоль оси трубки, при этом в процесс индуцированного излучения включается все большее число атомов неона и интенсивность генерируемого излучения возрастает.

Лазер будет работать в режиме генерации, если потери энергии световой волны при каждом отражении от зеркал резонатора меньше, чем прирост энергии в результате индуцированного излучения при прохождении ее вдоль трубки через активную среду. В связи с этим очень важным является качество зеркал резонатора. Резонатор состоит из плоского 5 и вогнутого 6 зеркал с многослойными диэлектрическими покрытиями (рис.3). Коэффициент отражения этих зеркал очень высок – 98 - 99%. Коэф-

фициент пропускания света одним зеркалом составляет около 0,1%, другим - около 2%. Применение зеркального резонатора позволяет получить мощный и узкий пучок света.

Вследствие того что энергетические уровни 2 и 3 атома неона обладают сложной структурой, лазер может излучать до 30 различных длин волн в инфракрасном и видимом диапазонах. Зеркала резонатора делают многослойными для того, чтобы создать вследствие интерференции необходимый коэффициент отражения для одной длины волны. Таким образом, лазер излучает строго определенную длину волны.

Резонансная трубка 1 (рис.3) с торцов закрыта плоско-параллельными стеклянными пластинками 4, установленными под углом Брюстера к оси трубки. Такое положение пластинок обеспечивает прохождение через них поляризованного излучения неона без потерь на отражение и приводит к плоской поляризации излучения лазера. Для создания в трубке электрического разряда в нее введены два электрода: анод 2 и катод 3.

Индуцированное излучение газового лазера является высококогерентным, исключительно монохроматическим, плоскополяризованным, остронаправленным. На этих свойствах основано применение лазеров. В настоящее время лазеры широко используются в различных областях медицины. Впервые с лечебной целью лазер был применен в офтальмологии. Эксперименты на животных показали, что воздействие лучей лазера небольшой энергии (сотые и десятые доли джоуля) вызывает слипчивое воспаление между внутренними оболочками глаза с последующим образованием мощного соединительного рубца. Офтальмологи используют лазер прежде всего для лечения отслоения сетчатки. Луч лазера позволяет «приварить» отслоенную сетчатку к лежащей под ней сосудистой оболочке. Лучи лазера с успехом применяют и для лечения некоторых начальных форм внутриглазных опухолей без удаления глазного яблока.

Исключительный интерес представляет возможность использования лазера в хирургии. Луч лазера позволяет абсолютно стерильным «световым скальпелем» рассекать ткани и проводить операции почти без кровотечений. Объясняется это тем, что при рассечении лучом лазера мелкие и средние сосуды спаиваются и лишь крупные сосуды необходимо перевязывать. Использование лазера позволило производить хирургические операции на паренхиматозных органах. Разрушительное действие лазерного луча используется для лечения пигментных пятен, бородавок и опухолей.

Применение гибких световодов позволило использовать лазериое излучение для получения голограмм некоторых внутренних органов, а также для внутренней коагуляции.

Для определения длины волны излучения гелий-неонового лазера в данной работе предлагается использовать дифракционную решетку. Она представляет собой стеклянную пластинку, на которой через равные промежутки а нанесены параллельные непрозрачные штрихи шириной Ь. Величина с=а-+-Ь называется периодом дифракционной решетки. При освещении решетки монохроматическим светом происходит дифракция. Вторичные когерентные волны, образующиеся в результате дифракции, распространяясь по всем направлениям, интерферируют, образуя дифракционную картину.

При нормальном падении света главные дифракционные максимумы возникают при условии

C sina=±kl (1)

Зная период с решетки и угол a, под которым виден максимум k-го порядка, можно определить длину волны падающего света:

(2)

Если в качестве дифракционной решетки использовать монослой мелких круглых частиц одинакового размера, расположенных хаотично, то на экране можно наблюдать дифракционную картину, представляющую собой сумму дифракционных картин от отдельных частиц. Эта картина будет иметь вид концентрических чередующихся темных и светлых колец, окружающих светлый центральный круг.

Из дифракционной теории Гюйгенса-Френеля следует, что при дифракции параллельных лучей на круглой преграде темные кольца получаются при условии

, ,

где l -длина волны света; r - радиус преграды; a - угловой радиус кольца (рис.4).

Условия получения светлых колец:

,

Таким образом, используя дифракционную картину, можно определить размеры частиц, на которых происходит дифракция:

(3)

где m – коэффициент, соответствующий данному кольцу.

Описание установки

Схема установки для определения длины волны излучения лазера изображена на рис.5. Все детали установки располагаются на оптической скамье 1. Вблизи одного из выходных окон лазера 2 на неподвижной подставке устанавливается дифракционная решетка 8, закрепленная так, чтобы ее можно было поворачивать вокруг вертикальной оси. На экране 4 наблюдается дифракционная картина. Для закрепления на нем листа бумаги имеются пазы. Вдоль оптической скамьи расположена шкала 5 для измерения расстояния между решеткой и экраном.

Для того чтобы определить длину волны лазера по формуле (2), необходимо знать период с решетки, порядок максимума k и угол a. При правильном расположении всех деталей установки можно получить на экране максимумы нулевого, первого, второго порядка и т.д. Период дифракционной решетки обычно указывается на ее оправе. Угол a можно найти из формулы

tga=x/(2L), (4)

где L - расстояние между решеткой и экраном; х — расстояние между максимумами одного порядка, расположенными симметрично относительно центрального максимума. Под расстоянием между максимумами понимают расстояние между центрами наблюдаемых полос.

Для определения размеров частиц используется гистологиче­ский препарат эритроцитов крови кролика. Размер эритроцита определяется по формуле (3). Угол a находят из соотношения

tg=D/(2L), (5)

где D — диаметр дифракционного кольца. Так как в установке после частиц, вызвавших дифракцию света, не установлен объектив и используется непосредственно удаленный экран, дифракционные кольца получаются широкими. Поэтому

D=(D₁+D₂)/2 (6)

где D₁ и D₂ — внешний и внутренний диаметры кольца.

Значения коэффициента m берутся соответственно номеру кольца. Кольца нумеруются с первого темного кольца, окружающего центральный светлый круг.

!! Включать и настраивать лазер разрешается только в присутствии преподавателя или лаборанта?

Всякое перемещение лазера как во включенном, так и в выключенном со­стоянии студентам категорически воспрещается. Попадание в глаза прямого лазерного излучения опасно для зрения.

Учебные задачи:

Приборы и принадлежности: газовый лазер, дифракционная решетка, оптическая скамья, экран, гистологический препарат эритроцитов крови кроликов.

Задание 1. Определение длины волны излучения газового лазера:

1.Установите на оптической скамье дифракционную решетку и экран и расположите их перпендикулярно оси лазера, включите лазер;

2.Перемещая экран вдоль оптической скамьи, получите на нем четкое изображение дифракционной картины. При этом необходимо добиться, чтобы на экране были видны максимумы не менее трех порядков;

3.Измерьте по шкале, укрепленной на оптической скамье, расстояние L между решеткой и экраном;

4.Измерьте расстояние х₁ между максимумами первого порядка, определите tga₁ для максимумов первого порядка по формуле (4);

5.Зная tga₁, найдите по таблице sina₁;

6.Вычислите длину волны l₁ излучения газового лазера по формуле (2);

7.Произведите аналогичные измерения и вычисления для максимумов второго, третьего порядков и т. д.;

8.Вычислите среднюю длину волны álñ излучения лазера;

9.Результаты измерений и вычислений занесите в табл.1;

10.Вычислите погрешность Dl определения длины волны с доверительной вероятностью a = 0,95 (См. Лб.раб №).

Таблица 1.

k	L, мм	X, мм	tg a	sin a	l, мм	álñ,мм
				Dl =
				При a= 0,95

Задание 2. Определение размеров эритроцита:

1.Установите на оптической скамье исследуемый препарат и экране.

2.Получите на экране четкую дифракционную картину.

3.Измерьте расстояние L между препаратом и экраном.

4.Измерьте внешний D₁ и внутренний D₂ диаметры первого темного кольца и вычислите диаметр кольца D по формуле (6).

5.Вычислите tg a₁ по формуле (5) и по таблице найдите sin a₁.

6.Вычислите размер эритроцита r₁ по формуле (3).

7.Проделайте аналогичные измерения и вычисления для следующих светлых и темных колец.

8.Вычислите средний размер эритроцита á rñ;

9.Результаты измерений и вычислений занесите в табл.2.

Таблица 2.

Номер дифракционного кольца	m	L, мм	D1, мм	D2, мм	D, мм	tga	sin a	r, мм	<г>, мм

Сделайте вывод, в котором обсудите результаты полученные при выполнении заданий 1 и 2.

Вопросы для контроля результатов усвоения

1.Опишите механизм возникновения спонтанного и индуцированного излучения атомов.

2.Укажите основные свойства индуцированного излучения. Какое состояние называется инверсной населенностью?

3.Опишите устройство и принцип действия газового лазера.

4.Как создается инверсная населенность атомов в гелий-неоновом лазере? Каково назначение резонатора в газовом лазере?

5.Укажите возможности применения лазеров в медицине.

6.Как с помощью дифракционной решетки определить длину волны света?

7.Как в работе определить размер эритроцита?

Дата добавления: 2015-07-12