Теоретичні відомості. Вивчення принципу дії і спектрального складу випромінювання

Вивчення принципу дії і спектрального складу випромінювання

Гелій-неонового лазера

Мета: Вивчити будову і принцип дії гелій-неонового лазера. Дослідити, що активним середовищем лазера є суміш газів гелія та неону.

Прилади і матеріали: оптична лава; газовий гелій-неоновий лазер; спектроскоп; високовольтний генератор „Спектр-1”;блок живлення (6-8В); спектральні трубки(з гелієм і неоном); розсівний екран.

Теоретичні відомості

Слово “лазер” – абревіатура англійської назви цього приладу Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER), що в перекладі означає: підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання. У науковій літературі часто вживають іншу назву: оптичний квантовий генератор (ОКГ).

Для того, щоб зрозуміти принцип дії цього джерела світла, необхідно розглянути процеси випромінювання і поглинання світла атомами. Цей процес має такі особливості. По-перше, внутрішня енергії атома змінюється дискретно. По-друге, перехід атома з одного енергетичного стану в інший відбувається стрибкоподібно з виділенням або поглинанням кванта енергії-фотона, який має енергію та імпульс . Процес виділення енергії атомами відбуваються за рахунок нагромадженої в системі внутрішньої енергії. Внутрішня енергія таких систем має дискретний спектр, тобто внутрішня енергія цих систем може набувати багатьох певних дискретних значень, які називаються енергетичними станами (рівнями). Рівень з мінімальною енергію називають основним. Інші енергетичні рівні відповідають більшій за значенням внутрішній енергії і називаються збудженими рівнями. При переході квантової системи з одного енергетичного рівня на інший внутрішня енергія системи змінюється на величину, що дорівнює різниці енергії цих рівнів.

Розглянемо систему з однакових атомів, що має лише два енергетичні рівні і , енергія яких відповідно рівна і , причому . Якщо атом знаходиться на збудженому рівні , то він може перейти на нижчий рівень , при цьому виділяється фотон з енергією . Убільшості випадків атом віддає енергію без будь-якого зовнішнього впливу. Таке
випромінювання називається спонтанним (рис. 1).

Рис. 1.

Коли ж на таку систему подіяти іншим фотоном (або зовнішнім електромагнітним полем), то цей фотон, пролітаючи повз збуджений атом, може захопити фотон тієї ж енергії, що його і власна (якщо енергія збудженого атома дорівнює енергії пролітаючого фотона).

При цьому фази, частоти, поляризація і напрям поширення електромагнітних коливань цих двох фотонів співпадають. Переходи такого типу і зумовлене ними випромінювання називається вимушеним (або індукованим, або стимульованим) (рис. 2а).

Рис. 2а. Рис. 2б.

Крім спонтанного і вимушеного випромінювання, у системі атомів під дією зовнішнього електромагнітного поля може відбуватися також резонансне поглинання. Атом, енергія якого дорівнює , перебуваючи на нижньому енергетичному рівні, під дією електромагнітних квантів може перейти на вищий енергетичний рівень , поглинувши при цьому квант енергії . Це і є резонансне поглинання (рис. 2б).

У звичайних джерелах світла випромінювання відбувається в основному за рахунок саме спонтанних процесів. У таких джерелах, як правило, квантова система перебуває в термодинамічній рівновазі з випромінюванням. Щоб у такій системі пережну роль відігравали процеси індукованого випромінювання, треба порушити стан термодинамічної рівноваги системи. Характеристика не рівноважного стану дворівневої системи є від'ємна температура. Поняття від'ємної температури відрізняється від поняття термодинамічної температури, і пояснити його можна так.

У стані термодинамічної рівноваги системою і випромінюванням населеність двох енергетичних рівнів визначається розподілом Больцмана:

, .

Звідси знаходимо:

,

.

Проаналізуємо останню формулу:

1) Коли , то , а температура адекватна термодинамічній абсолютній температурі, і населеність вищих енергетичних рівнів завжди менша від населеності нижніх (рис. 3).

2) Якщо , то , і число частинок на обох рівнях однакове.

3) Якщо , то (температуру називають від'ємною).

Рис. 3.

Як бачимо з рис. 3, при і енергетичні рівні заселені однаково. Для температур і фізичні стани системи протилежні. У цих випадках має місце „інверсія населеності рівнів”. У стані рівноваги () верхні рівні завжди заселені менше, ніж нижні, а при інверсній населеності верхні рівні заселені більше ніж нижні. Поняття від'ємної температури використовується для характеристики інверсної дворівневої системи.

В ОКГ відбуваються підсилення оптичного випромінювання, хоча в реальних речовинах завжди є причина послаблення випромінювання. Звернемось знову до дворівневої системи( і ). Таке середовище називається активним (див. рис. 1). Якщо через активне середовище проходять електромагнітні кванти з енергією , то їхня загальна кількість може збільшуватися. При цьому числу індукованих переходів з рівня на рівень переважатиме число переходів з рівня на рівень . Така система здатна підсилювати світло, підсилення відбувається за рахунок внутрішньої енергії атомів, попередньо треба надати системі енергію.

Підсилювальну дію активного середовища можна підвищити, застосувавши принцип додатного зворотного зв'язку, на основі якого підсилений сигнал треба повернути знову в активне середовище. Внаслідок багаторазового проходження електромагнітних квантів через активне середовище їх інтенсивність помітно зростає. Коли підсилення перевищує сумарні втрати в полі зворотного зв'язку, то підсилювач сам збуджується і починає генерувати електромагнітні кванти. В ОКГ для створення зворотного зв'язку робочу речовину вмішують у так званий відкритий резонатор: між двома паралельними дзеркалами, що знаходяться на певній відстані одне від одного.

Існування додатного зворотного зв'язку недостатнє, щоб підсилювач став генератором оптичного випромінювання. Для цього число збуджених атомів в активному середовищі повинно бути більшим від деякого порогового значення, яке в свою чергу визначається коефіцієнтом відбивання напівпрозорого дзеркала. Дуже важливо для роботи ОКГ вибрати спосіб утворення в середовищі інверсної населеності рівнів.

Є різні способи:

1. Сортування атомних і молекулярних пучків у просторі.

2. Допоміжне опромінювання (накачування).

3. Інверсія населеності у газах за допомогою електричного розряду.

4. Інверсія населеності в напівпровідниках:

а) інжекція носіїв заряду;

б) оптичне накачування;

в) бомбардування пучком електронів великої енергії.

У наш час існує багато видів ОКГ, однак кожний з них складається з таких основних елементів: 1– активне середовище; 2 – оптичний резонатор; 3 – джерело збудження і живлення.

Основним елементом ОКГ є активне середовище або робоче тіло. Залежно від типу робочого тіла лазери поділяються на твердотілі, напівпровідникові, рідинні і газові, а за режимом роботи — на прилади безперервного та імпульсного випромінювання. Перший ОКГ з оптичним накопичуванням створив у 1960 р. Т. Мейман (США), а гелій-неоновий лазер, в якому для збудження використовувався електричний розряд, створив у 1960 році А. Джван (США). У газових лазерах робочим тілом є газ або суміш газів. За способом накопичування вони поділяються на кілька типів:

1. Газостатичні — активну речовину збуджує електричний струм високої напруги.

2. Газодинамічні — теплове накачування газової суміші і з наступним різким розширенням та охолодженням суміші.

3. Електродинамічні — збудження молекул за рахунок електричного розряду.

4. Електроіонізаційні — збудження активної речовини за рахунок створення під дією іонізуючого випромінювання електропровідності газової суміші.

5. Хімічні — для накачування використовується енергія, яка звільняється в результаті хімічних реакцій.

Газові лазери помітно відрізняються від інших типів ОКГ. У газоподібному середовищі інверсія населеностей відбувається на рівнях майже ізольованих частинок. Оскільки в газах взаємодія між частинками менша, ніж у твердих тілах і рідинах, лінії робочих переходів дуже вузькі, а ширина лінії генерації мінімальна (1 Гц). Газове середовище характеризується значною оптичною однорідністю, тому втрати на розсіювання та дифракційні втрати в газах мінімальні. Лазери на газах працюють як в імпульсному так і в неперервному режимах, причому потужність їх може бути дуже великою.

Основним елементом газового лазера є газорозрядна трубка, заповнена газом (рис. 4). Скляна або кварцова трубка-кювета 2, діаметром 3-5 мм і більше, довжиною від 20-30 см до кількох метрів, піддається досить складній технологічній обробці. Торці трубки закривають плоско паралельні кварцові пластинки 1, які утворюють з віссю резонатора лазера кут Брюстера (для зменшення втрат).

Трубку заповнюють газом або сумішшю газів, що є робочим тілом. У трубці розміщенні електроди 3 для утворення розряду в газовому середовищі. Найчастіше в газових лазерах накачування здійснюється за рахунок процесів у плазмі газового розряду, що виникає безпосередньо в самому активному середовищі; використовується також накачування опромінюванням активного середовища зовнішніми джерелами.

Рис. 4.

Перший газовий лазер було створено на суміші газів гелію () і неону (). Різноманітні моделі такого типу лазера (ЛГ-52, ЛГ-55, ЛГ-56, ЛГ-72, ЛГ- 09, ЛГ-209) зараз широко використовуються. В них використовується суміш і , взяту у співвідношенні приблизно 10:1; загальний тиск у трубці — близько 133,3 Па (1 мм. рт. ст.)

Індуковане випромінювання здійснюють атоми неону, а атоми гелію використовуються для передавання енергії від джерела до атомів неону. Енергетичні діаграми і подано на рис. 5. Накачування проводять високочастотним генератором () або джерелом постійного струму, які спричиняють тліючий розряд у гелій-неоновій суміші.

Рис. 5.

Внаслідок цього частина атомів гелію іонізується, утворюється плазма, що містить електрони та іони, які прискорюються електричним полем. Збуджені атоми з метастабільних рівнів передають енергію атомам , а самі повертаються в основний стан.

Для лазерного випромінювання характерні:

1. Просторова і часова когерентність.

2. Монохроматичність.

3. Висока напрямленість.

4. Поляризованість.

Ці головні властивості лазерного випромінювання обумовлюють широке застосування лазерів в різних галузях наукових досліджень і народному господарстві.

Дата добавления: 2015-07-12