КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ

КАФЕДРА КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ И РАДИОСПЕКТРОСКОПИИ

ЛАБОРАТОРНЫЙ

ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ

КВАНТОВАЯ РАДИОФИЗИКА

ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

НА КРИСТАЛЛЕ РУБИНА И НА ГАЗОВОЙ СМЕСИ

ГЕЛИЯ И НЕОНА

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Гордеев Е.Ю.

Никитин С.И.

Родионова М.П.

Семашко В.В.

Силкин Н.И.

Юсупов Р.В.

2011 г.

2

УДК 535.14; 535.374:621.375.8

Методическое пособие к лабораторным работам «Рубиновый лазер» и «Гелий-

неоновый лазер» по курсу «Квантовая радиофизика» для бакалавров по

направлению 010800.62 – «Радиофизика», для специалистов по специальности

010801.65 – «Радиофизика и электроника» института Физики. Под редакцией д.ф.-

м.н., доц. Семашко В.В.

Составители: асс. Гордеев Е.Ю.

доц. Никитин С.И.

м.н.с. Родионова М.П.

доц. Семашко В.В.

проф. Силкин Н.И.

доц. Юсупов Р.В.

Рецензент: доктор физико-математических наук, в.н.с. Казанского физико-

технического института им. Е.К. Завойского КНЦ РАН, Зуйков В.А.

Институт Физики Казанского (Приволжского) федерального университета, 2011

3

Содержание

Введение ............................................................................................................................... 4

1. Физические основы функционирования оптических квантовых генераторов ......... 5

1.1 Спонтанное и индуцированное излучение ............................................................. 5

1.2 Возможность усиления и генерации излучения в квантовых системах .............. 8

1.3 Оптические резонаторы ............................................................................................ 9

1.4 Потери резонатора. Условие самовозбуждения ОКГ .......................................... 12

1.5 Спектр излучения ОКГ ........................................................................................... 14

Лабораторный практикум

2. Лабораторная работа № 1. Рубиновый лазер ........................................................ 17

2.1. Твердотельные оптические квантовые генераторы ............................................ 17

2.1.1. Инвертирование системы, состоящей из трех и четырех энергетических

уровней, методом оптической накачки ......................................................... 17

2.1.2. Источники и системы накачки твердотельных оптических квантовых

генераторов ...................................................................................................... 20

2.2 Устройство и принцип работы рубинового лазера .............................................. 23

2.3 Практические упражнения ..................................................................................... 28

2.3.1 Изучение режима свободной генерации лазера на рубине .......................... 28

Упражнение 1. Юстировка резонатора и активного элемента лазера ......... 29

Упражнение 2. Определение порога генерации и к.п.д. генерации ................... 31

Упражнение 3. Наблюдение временной зависимости лазерной генерации..... 32

2.3.2 Изучение режима модуляции добротности лазера на рубине ..................... 33

Упражнение 1. Юстировка резонатора с модулятором добротности......... 33

Упражнение 2. Измерение зависимости энергии генерации от положения

вращающейся призмы модулятора в момент накачки .......... 35

Упражнение 3. Определение порога и к.п.д. генерации ..................................... 36

Упражнение 4. Наблюдение временной картины энергии генерации ............. 36

2.3.3 Инструкция использования цифрового осциллографа BORDO в

лабораторной работе «Рубиновый лазер» .................................................... 37

2.3.4 Теоретические вопросы к работе «Рубиновый лазер» ................................. 42

3. Лабораторная работа №2. Гелий-неоновый лазер ............................................... 43

3.1 Газовые оптические квантовые генераторы ......................................................... 43

3.1.1 Процессы в плазме газового разряда ............................................................. 43

3.1.2 Создание инверсной населенности методом резонансной передачи энергии

при неупругих столкновениях атомов двух газов в газовом разряде ........ 45

3.1.3 Устройство ОКГ на смеси газов гелия и неона и его работа в непрерывном

режиме .............................................................................................................. 49

3.2 Описание лабораторной установки «Гелий-неоновый лазер» и порядок

выполнения работы ....................................................................................................... 52

3.2.1 Описание установки ......................................................................................... 52

3.2.2 Порядок выполнения работы .......................................................................... 53

Упражнение 1. Измерение расходимости лазерного пучка .............................. 53

Упражнение 2. Исследования поляризации выходного излучения .................... 53

3.3 Теоретические вопросы к работе «Гелий-неоновый лазер» ........................... 54

Литература ......................................................................................................................... 55

4

Введение

В 50-х годах XX века зародилась, и начала интенсивно развиваться область

физики, получившая название квантовой электроники.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генерации

электромагнитных колебаний и волн, основанные на использовании вынужденного

излучения, а также свойства квантовых усилителей и генераторов и вопросы их

применения [1]. Ее объектами исследования являются квантовые системы: атомов,

молекул, ионов и др. частиц вещества в различных агрегатных состояниях.

В основе работы квантовых усилителей и генераторов лежит гипотеза о

спонтанных и вынужденных переходах, сформулированная А. Эйнштейном в 1917

году, и впоследствии экспериментально подтвержденная Р. Ладенбургом в 1928

году. Первое предложение о практическом использовании эффекта

индуцированного излучения было сделано советским физиком В.А. Фабрикантом в

1939 году. Им же в соавторстве с М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой в 1951 году

было зарегистрировано открытие и получено авторское свидетельство на

изобретение, предметом которого являлся «Способ усиления электромагнитных

излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн),

отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с

помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по

сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на

верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям».

Затем в работах советских ученых Н.Г. Басова и А.М. Прохорова и независимо от

них американского исследователя Ч. Таунса были разработаны принципы

реализации первых квантовых генераторов и в 1954 году создан первый мазер на

пучке молекул аммиака. И, наконец, 16 мая 1960года Теодором Мейманом на

кристаллах рубина был создан первый оптический квантовый генератор – лазер. С

этого момента работа в этой области физики развернулась в исключительно

широком масштабе. Вскоре исследования приобрели и техническую направленность

– применение квантовых систем для целей навигации, локации, связи, телевидения,

вычислительной техники и т.д.

Настоящее методическое пособие призвано ознакомить обучающихся с

физическими принципами функционирования оптических квантовых генераторов на

кристаллах рубина и газовой смеси неона и гелия.

5

1. Физические основы функционирования оптических

квантовых генераторов

1.1. СПОНТАННОЕ И ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Процессы излучения и поглощения энергии представляют собой результаты

взаимодействия электромагнитного излучения и частиц вещества. При излучении

кванта энергии происходит переход частицы вещества (атома, иона, молекулы и

т.д.) из состояния с большей энергией (возбужденное состояние) в состояние с

меньшей энергией (основное или возбужденное состояние). Частота колебаний,

излучаемых квантовой системой, определяется разностью энергий начального и

конечного состояний и вычисляется как

hEEν 1221 , (1.1)

где 21 – частота излучаемых колебаний, 1E и 2E – энергия конечного и

начального состояний соответственно.

При поглощении кванта энергии происходит обратный процесс: из состояния с

меньшей энергией 1E система переходит в состояние с большей энергией 2E ,

поглощая излучение на частоте 12 , равной 21 .

Квант энергии может быть излучен во внешнее пространство в виде фотона или

выделен в виде тепловой энергии в окружающей среде (например, в

кристаллической решетке твердого тела, в материале стенок газоразрядных

приборов и т.п.). В первом случае переход называют излучательным, во втором -

безызлучательным.

Излучение квантов энергии связано с двумя процессами. Первый процесс –

самопроизвольные переходы возбужденных частиц с верхних энергетических

уровней на нижние с излучением энергии. Эти переходы не связаны с воздействием

каких-либо внешних переменных полей на квантовую систему.

Излучение, возникающее в результате самопроизвольных переходов,

называется спонтанным.

При спонтанном переходе различные частицы излучают не одновременно и

независимо, поэтому фазы излучаемых ими фотонов не связаны между собой.

Больше того, направление распространения излучаемого фотона и его поляризация

также носят случайный характер, а его энергия (частота излучения) изменяется в

некоторых пределах, определяемых соотношением неопределенности. Таким

образом, спонтанное излучение не направлено, не поляризовано и не

монохроматично.

Второй процесс - переходы с излучением энергии под воздействием внешнего

электромагнитного поля, частота которого совпадает с частотой квантового

перехода 21 . Это излучение, возникающее под воздействием внешнего

электромагнитного поля, называется индуцированным.

Индуцированное излучение обладает чрезвычайно важным свойством: частота,

фаза, поляризация и направление распространения кванта поля, излученного

индуцированным образом, точно совпадают с этими же характеристиками квантов

индуцирующего (внешнего) электромагнитного поля.

Наряду с процессами излучения в квантовой системе происходит также

6

поглощение энергии. Поглощение квантов энергии может происходить лишь при

наличии внешнего электромагнитного поля и в этом отношении оно является

качественно таким же эффектом, что и индуцированное излучение, но при этом

энергия электромагнитного поля поглощается веществом, а не излучается.

Еще до создания современного математического аппарата квантовой механики

А.Эйнштейном был предложен термодинамический подход к анализу процессов

излучения и поглощения энергии в квантовых системах.

Пусть имеется система из двух энергетических уровней 1E и 2E (рис.1.1)

Рис. 1.1 Схема энергетических уровней резонансной среды, учитывающая

спонтанные и вынужденные переходы. 1N и 2N – число частиц в единице

объема на соответствующих уровнях с энергиями 1E и 2E в момент

времени t . 21A и 12B , 21B – коэффициенты Эйнштейна соответственно для

спонтанных и вынужденных переходов

Совокупность частиц находится в электромагнитном поле, имеющем

спектральную плотность энергии νρ , под действием которого происходят переходы.

Частота этого внешнего электромагнитного поля hEE 1221 .

Вероятность спонтанного излучения не зависит от плотности энергии внешнего

электромагнитного поля. Поэтому для вероятности спонтанного перехода 21dW с

уровня 2 на уровень 1 за время dt можно записать следующее соотношение:

dtAdW 2121 , (1.2)

где 21A – коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения, который

определяет вероятность спонтанного излучения за единицу времени [с-1

].

Индуцированные переходы (излучение и поглощение) возникают под

действием внешнего электромагнитного поля. Вероятности этих процессов должны

быть пропорциональны как времени, так и плотности энергии электромагнитного

поля . Поэтому для вероятностей индуцированного излучения и поглощения

можно записать следующие соотношения:

dtBρdW ν 2121 (для переходов 2 1), (1.3)

dtBρdW ν 1212 (для переходов 1 2), (1.4)

где 21B и 12B – коэффициенты Эйнштейна для индуцированного излучения и

поглощения, которые выражают вероятности соответствующих переходов за

единицу времени, рассчитанные для единицы плотности энергии электромагнитного

поля [см3/Дж·с2

].

7

Коэффициенты 21A , 12B и 21B представляют собой величины, характеризующие

индивидуальные свойства данного типа частиц. Получим соотношения между

коэффициентами Эйнштейна. Количество частиц на уровне 2 уменьшается за счет

спонтанного и индуцированного излучения и увеличивается за счет поглощения

энергии частицами, находящимися на уровне 1, и перехода их на уровень 2.

Изменение числа частиц на втором уровне за время dt будет составлять:

dtBρNdt)Bρ(ANdt

dNνν 12121212

2 . (1.5)

Аналогичным образом можно получить уравнение и для изменения количества

частиц на уровне 1:

dt)Bρ(ANdtBρNdt

dNνν 21212121

1 . (1.6)

Если квантовая система находится в термодинамическом равновесии, то число

частиц на энергетических уровнях не меняется (населенности энергетических

уровней постоянны), т.е. 02

dt

dN, 01

dt

dN.

Для этого случая из кинетических уравнений (1.5) и (1.6) получим:

dtBρNdt)Bρ(AN νν 12121212 . (1.7)

Отсюда:

212112

21

221112

221

B/NNB

A

NBNB

NAρν . (1.8)

В равновесном состоянии отношение населенностей энергетических уровней

соответствует распределению Больцмана:

])([exp 212121 /kTEE/gg/NN , (1.9)

где 1g и 2g - статистические веса (кратность вырождения) соответствующих

уровней.

Так как 2112 hEE , то ]/exp[// 212121 kThggNN .

Тогда вместо формулы (1.8) будем иметь:

21122121

21

][exp BB/kTνh/gg

Aρν . (1.10)

Эйнштейн предположил, что в условиях термодинамического равновесия νρ

выражается формулой Планка для равновесного теплового излучения. Таким

образом, коэффициенты Эйнштейна связаны между собой следующими

соотношениями:

211212 / BggB , (1.11)

213

2121 8/ hcAB , (1.12)

где c – скорость света в среде.

Следовательно, чтобы вычислить значения коэффициентов 12B и 21B ,

достаточно определить коэффициент 21A , характеризующий спонтанное излучение.

А его можно определить, например, из экспериментов по исследованию затухания

спонтанного излучения по формуле спон21 /1 τA , где спонτ – спонтанное время

жизни уровня 2.

8

1.2. ВОЗМОЖНОСТЬ УСИЛЕНИЯ И ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В

КВАНТОВЫХ СИСТЕМАХ

Спонтанное излучение, носящее некогерентный, случайный характер,

обусловливает шум квантовых приборов и с точки зрения лазерной генерации учет

этого излучение не обязателен. Поэтому для простоты в дальнейшем будет

учитываться только процессы индуцированного излучения и поглощения.

Будем полагать, как и ранее, что квантовая система обладает двумя

энергетическими уровнями 1E и 2E . Внешнее электромагнитное поле на частоте

перехода 21 с плотностью энергии νρ индуцирует переходы между уровнями 2 и 1.

Для поглощенной и излученной мощности можно записать следующие

соотношения:

12121 BNhPпогл (для переходов 1 2) и (1.13)

21221 BNhPизл (для переходов 2 1). (1.14)

Результирующая мощность, с учетом соотношения (1.11), может быть

представлена в виде:

21211122 ))/(( BhNggNPPP поглизл . (1.15)

В зависимости от соотношения между населенностями уровней

результирующая мощность может быть отрицательной (случай поглощения) или

положительной (случай усиления падающего сигнала).

При тепловом равновесии по закону Больцмана 1122 )/( NggN , тогда имеем

0P , т.е. поглизл PP это означает, что внешнее электромагнитное поле на частоте

перехода 21 ослабляется.

Для того чтобы система усиливала падающее электромагнитное поле на частоте

перехода 21 , необходимо обеспечить условие инверсной населенности

энергетических уровней 1122 )/( NggN , т.е. такое состояние системы, при

котором на верхнем уровне 2 находится большее число частиц, чем на нижнем

уровне 1.

Вещество, в котором распределение частиц по энергетическим состояниям

не является равновесным и хотя бы для одной пары уровней энергии

осуществляется инверсия населенностей, называется АКТИВНОЙ СРЕДОЙ.

В этом случае результирующая мощность становится положительной, что

означает передачу энергии от системы частиц к электромагнитной волне, т.е.

усиление этой волны. Инверсное состояние населенностей уровней не

удовлетворяет распределению Больцмана и поэтому неустойчиво. Создание и

поддержание в течение некоторого времени такого состояния рабочего вещества

является одним из основных условий работы любого квантового прибора. Если в

среду, находящуюся в инверсном состоянии, извне не поступает энергия, то с

течением времени среда переходит в устойчивое, равновесное состояние,

определяемое распределением Больцмана при данной температуре. Избыток

энергии при таком переходе излучается или безызлучательно перераспределяется

внутри системы.

Генерацию когерентного излучения можно обеспечить, если в квантовый

усилитель ввести цепь положительной обратной связи. Принцип положительной

9

обратной связи содержится уже в самом явлении индуцированного излучения.

Возникшая в неравновесной среде или введенная в нее извне электромагнитная

волна порождает излучение той же частоты, фазы, поляризации и направления, что

и исходная волна. Если при выходе из усиливающей среды часть энергии волны

будет возвращена назад в среду, то процесс индуцированного излучения

продолжится, и амплитуда волны будет возрастать.

В квантовой электронике для создания положительной обратной связи

активное вещество помещают в резонатор с достаточно высокой добротностью.

1.3. ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ

Ранее говорилось, что для обеспечения генерации когерентного излучения в

квантовый усилитель необходимо ввести цепь положительной обратной связи. Для

этого активное вещество помещают в резонатор с достаточно высокой

добротностью. В оптическом диапазоне не могут быть использованы резонаторы,

подобные резонансным системам СВЧ, размеры которых соизмеримы с длиной

волны излучения. Невозможность использования подобных резонаторов в ОКГ

обусловлена следующими причинами:

1) трудностью изготовления резонаторов микроскопически малых размеров;

2) недостаточной "вместимостью" резонаторов малых размеров для получения

больших мощностей;

3) потерей резонансных свойств вследствие ухудшения добротности из-за

резкого возрастания потерь в стенках резонансной полости при переходе в

оптический диапазон (из-за скин-эффекта).

В качестве оптического резонатора советский ученый А.М. Прохоров

предложил использовать открытый резонатор - интерферометр Фабри-Перо,

который в настоящее время широко используется (рис.1.2).

Рис.1.2 Открытый резонатор оптического диапазона длиной L, образованный

зеркалами (1). Внутри резонатора размещена активная среда (2)

Такой резонатор состоит из двух плоских взаимно параллельных зеркал 1,

расположенных на некотором расстоянии L друг от друга перпендикулярно к оси,

соединяющей зеркала. В качестве отражающих поверхностей зеркал обычно

используются многослойные диэлектрические пленки, состоящие из 13-23

напылѐнных на кварцевую или стеклянную подложку чередующихся

четвертьволновых слоев сульфида цинка и фторида магния. Максимальный

коэффициент отражения диэлектрических покрытий очень велик и достигает 99,9 %.

Вместо плоских зеркал часто используются зеркала сферической или

параболической формы, а также призмы полного внутреннего отражения и границы

10

раздела сред с различными показателями преломления.

Индуцированное излучение, возникающее в активном веществе 2

первоначально благодаря спонтанному излучению, может многократно отражаться

от зеркал и многократно проходить через активное вещество, каждый раз

усиливаясь в нем. Если усиление поля в активном веществе достаточно для

компенсации потерь в резонаторе, то мощность индуцированного излучения

нарастает до стационарного значения, определяемого балансом мощностей. Часть

излучения необходимо вывести из резонатора для использования. Для этого одно из

зеркал должно иметь определенную прозрачность.

В зависимости от типа ОКГ, определяемого видом активного вещества и его

назначения, расстояние между отражающими поверхностями изменяется от долей

миллиметра до нескольких десятков метров. В любом случае линейные размеры

резонатора в огромное число раз превосходят рабочую длину волны, что

обусловливает появление очень большого числа видов колебаний резонатора (мод),

расположенных по частоте близко друг к другу.

Рассмотрим резонатор, образованный плоскими параллельными бесконечно

протяженными зеркалами. Электромагнитное поле в резонаторе есть результат

сложения плоских волн, распространяющихся между зеркалами в противоположных

направлениях. Устойчивое (стационарное) поле в резонаторе имеет характер

стоячих волн. Если направление распространения совпадает с осью резонатора

(осевые и продольные моды), то условие образования стоячих волн может быть

записано в виде:

2

λqqL , (1.16)

где q= 1,2,3,..., qλ - длина волны при выбранном значении q.

Каждому индексу q соответствует своя частота колебаний:

L

cq

c

q

q2λ

. (1.17)

В формулах (1.16) и (1.17) для простоты считаем, что коэффициент

преломления активного вещества равен 1.

Интервал между частотами соседних осевых мод, различающихся по величине

q на единицу, составляет:

L

cqq

21 . (1.18)

Относительная величина интервала:

q

1. (1.19)

Например, при длине резонатора см50L получаем МГц300 . Если

длина волны см10λ 4q , то q=10

6 и

610/ . Таким образом, индекс q осевых

видов колебаний очень велик, и в резонаторе может возбуждаться поле на очень

большом числе дискретных частот с относительно малым интервалом между

соседними частотами (рис.1.3).

Кроме осевых мод в резонаторе могут возбуждаться колебания, образованные

плоскими волнами, распространяющимися под некоторым углом к оси.

11

Собственные частоты этих угловых (или поперечных) мод равны:

L

cqq

2

cos. (1.20)

В случае конечных размеров зеркал необходимо учитывать дифракцию света на

краях зеркал. В результате дифракционных явлений поле на поверхности зеркал

должно иметь определенное распределение (структуру) и перестает быть

синфазным. Распределения поля на поверхности плоских круглых зеркал показаны

на рис.1.4,а. Стрелки указывают направление и модуль вектора напряженности

электрического поля. Поле в пределах зеркала может менять свое направление

ТЕМ00 ТЕМ01 ТЕМ02

TЕМ10 ТЕМ11 ТЕМ12

а) б)

Рис.1.4 Некоторые возможные комбинации для поперечных мод лазерного резонатора

(а – распределение электромагнитного поля (направление вектора электрической

составляющей) на поверхности зеркал резонатора, б – наблюдаемые модовые

конфигурации лазерного излучения)

Расчеты показывают, что искривление фронта электромагнитной волны у краев

зеркала обычно не велико, поэтому можно приближенно считать, что отсутствует

продольная составляющая поля и волна является поперечной электромагнитной

волной - ТЕМ. Число перемен знака поля по поверхности зеркал принято отмечать

поперечными индексами m и n. Эти индексы характеризуют распределение поля на

поверхности зеркал, т.е. в поперечном по отношению к оси резонатора. Для

=c/2L

q q+1 q+2 q-2 q-1

Рис.1.3. Резонансная характеристика идеального оптического

резонатора длиной L

12

круглых зеркал m обозначает число перемен вдоль радиуса, а n - по азимуту.

Каждой паре индексов m и n соответствует много значений индекса q, т.е.

много частот колебаний. Колебания с определенной комбинацией трех чисел q, m и

n называют ВИДОМ КОЛЕБАНИЯ (МОДОЙ). Оно может быть записано условно

как ТЕМqmn. Индекс q называют продольным индексом. Так как число q очень

велико (105

106 ) по сравнению с m и n, то в обозначении моды индекс q опускают

или не выражают числом.

Следует отметить, что распределение поля по поверхности любого зеркала

наблюдается как группа ярких областей свечения, разделенных темными

промежутками. Для круглых зеркал это изображено на рис. 1.4,б.

1.4. ПОТЕРИ РЕЗОНАТОРА. УСЛОВИЕ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ ОКГ

Оптический резонатор, как и любой другой, обладает собственными потерями

за счет дифракции света, неидеального отражения зеркал и др. Поэтому

резонансные кривые такого резонатора имеют конечную ширину (рис.1.5).

Ее величина равна:

Qp , (1.21)

где - резонансная частота, а Q - добротность резонатора

LQ

2, (1.22)

здесь - коэффициент суммарных потерь в резонаторе (безразмерный).

Рис.1.5 Упрощенная резонансная характеристика реального

оптического резонатора длиной L

Величина p весьма мала. Так, например, при =0,01 и см50L получаем

МГц1p .

Потери энергии в резонаторе, как и усиление, принято рассчитывать за один

обход резонатора, равный удвоенному расстоянию между зеркалами – 2L. К числу

основных потерь резонатора, можно отнести следующие:

1) потери за счет рассеяния излучения при его прохождении через активную

среду. При этом затухание за один обход составляет )2exp( Lp ,

где p – коэффициент потерь из-за рассеяния, см-1

;

2) потери вследствие не идеальности зеркал резонатора. При отражении

излучения от зеркал наблюдается частичное рассеяние и поглощение излучения, а

также частичное прохождение излучения через зеркала. Обычно эти виды потерь

13

учитывают коэффициенты отражения зеркал r1 и r2, так что коэффициент потерь при

отражении составит )1()1( 21 rrr ;

3) дифракционные потери. При отражении плоской волны от зеркала конечных

размеров происходит дифракция на краях зеркала. Отраженная волна перестает

быть плоской и распространяется в пределах некоторого дифракционного угла.

Дифракционные потери являются монотонно убывающей функцией числа Френеля

LaNF /2 , где а - радиус круглого зеркала. Установлено, чем больше NF, тем

меньше амплитуда поля на краях зеркала и, следовательно, тем меньше потери

энергии на дифракцию. Значение этих потерь можно грубо оценить по формуле: 2/ aLd . (1.23)

Помимо перечисленных, в резонаторе наблюдаются дополнительные потери из-

за непараллельности зеркал: после определенного числа отражений от зеркал

излучение может выйти через боковые поверхности активного вещества.

При распределении электромагнитной волны интенсивности I в активной среде

вдоль некоторого направления происходит усиление ее интенсивности: dxIGdI . (1.24)

Величина G, см-1

, называется коэффициентом квантового усиления

активной среды. Этот коэффициент характеризует относительное изменение

интенсивности волны при прохождении через элементарный слой среды.

Коэффициент квантового усиления активной среды зависит от величины разности

населенностей энергетических уровней.

Рис. 1.6 Схема развития лазерной генерации.

Коэффициенты отражения зеркал резонатора r1, r2.

Коэффициент усиления активной среды ).exp( lGg

Можно показать, что:

1

1

222112

1N

g

gNhB

cG . (1.25)

Очевидно, если учесть как усилительные свойства активной среды, так и

потери, то изменение интенсивности волны в активной среде будет выражаться

следующим соотношением:

dxIGdI )( , (1.26)

где – суммарные потери резонатора, см-1

, за исключением потерь на

разгрузку лазерного резонатора (вывод излучения из резонатора через частично

прозрачное зеркало). Проинтегрировав уравнение (1.26) в пределах удвоенной

длины резонатора, получим:

)(2exp0 LlGII , (1.27)

Активная среда

I0

I0g

I0gr2

I0g2 r2

I0r1r2g2

G ( l )

r1 r2 l

L

14

где I0 – начальная интенсивность излучения, l – длина активной среды, L –

длина резонатора.

После двух отражений на пути 2L интенсивность излучения (рис.1.6) составит:

210 )(2exp rrGlII . (1.28)

Волна будет самоподдерживающейся, если эта интенсивность больше

начальной или равна ей, т.е. I I0. Логарифмируя это условие, получим

21

1ln

2

1

rrLG . (1.29)

Обозначим 21

пор

1ln

2

1

rrLG , тогда условие (1.29) запишется в виде

порGG . (1.30)

Условие (1.30) – условие самовозбуждения ОКГ. Генератор

самовозбудится, если коэффициент квантового усиления его активной среды

больше или равен пороговому коэффициенту усиления Gпор.

1.5. СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ ОКГ

Количество излучающих мод, которые могут возникнуть в резонаторе с

активной средой, определяется спектральной линией излучения активного вещества

и резонансной характеристикой оптического резонатора.

При излучательных переходах частиц с верхнего энергетического уровня 2E на

нижний 1E частота излучения определяется постулатом Бора: hEEν 1221 . Если

бы уровни были бесконечно тонкими, то возбужденные частицы излучали бы строго

монохроматические волны одной частоты. Однако энергетические уровни всегда

имеют конечную ширину, или "размытость". Поэтому частота 21 не является строго

фиксированной, и частицы излучают или поглощают целый спектр частот,

образующий спектральную линию определенной ширины и формы. Обычно под

шириной спектральной линии понимают расстояние между двумя точками ее

контура, соответствующими интенсивности, равной 0,5 от максимальной величины

(см. рис.1.7).

Рис.1.7 Ширина спектральной линии

Если время жизни уровня , то по принципу неопределенности Гейзенберга его

энергия определена с точностью до:

15

2

hE . (1.31)

Таким образом, спектральная линия излучения изолированной покоящейся

частицы должна иметь естественную ширину 2

1.

В действительности спектральные линии неизолированных движущихся

(колеблющихся) частиц кроме естественной ширины имеют дополнительное

уширение спектральных линий. Это дополнительное уширение обусловлено рядом

причин:

1) эффектом Доплера;

2) соударением частиц газа друг с другом и со стенками сосуда;

3) релаксационными процессами;

4) взаимодействием атомов твердого тела между собой.

Так, в газовых лазерах ширина линии излучения при квантовом переходе

определяется в основном эффектом Доплера, в твердотельных – взаимодействием

между атомами.

Если среда является газом, то ее частицы находятся в непрерывном движении,

причем скорость их зависит от температуры газа и может достигать значительных

величин. Это приводит к уширению спектральной линии за счет эффекта Доплера.

Известно, что в оптическом диапазоне допплеровское уширение может достигать

единиц ГГц.

В твердых телах происходит сдвиг и уширение атомных уровней при

взаимодействии атомов между собой. Колеблясь около положения равновесия в

узлах решетки твердого тела, атом испытывает изменяющееся во времени

воздействие своих соседей по решетке. Энергия атомных уровней от этого

изменяется, уровни сдвигаются и уширяются, причем, как правило, на величину,

значительно превышающую естественную ширину уровня. В момент

излучения/поглощения координата колеблющихся атомов относительно

равновесного положения подчиняется законам статистики и, следовательно, этим же

законам подчиняются соответствующие уровни энергии. Ширина линии излучения в

этом случае также достигает значений нескольких ГГц. А, поскольку, на практике

ширина линии излучения измеряется по спектрам флюоресценции, эту ширину

часто называют шириной линии флюоресценции. В дальнейшем под шириной

спектральной линии излучения будем иметь в виду допплеровскую ширину в случае

газовых лазеров и ширину линии флюоресценции в случае твердотельных лазеров.

Как правило, ширина линии излучения активного вещества гораздо больше,

чем расстояние между соседними частотами резонатора р, поэтому спектр

излучения будет состоять из нескольких резонансных частот. Так, например, при

длине резонатора L=50 см при ширине излучения =1 ГГц резонансные условия

выполняются для трех - четырех видов колебаний, отличающиеся номером q (для

простоты рассматриваем лишь осевые, продольные моды резонатора ТЕМq00). На

рис.1.8 представлены спектральная линия излучения активного вещества (а),

резонансная кривая оптического резонатора (б) и результирующие характеристики

усиления активной среды, помещенной в резонатор (в, г, д).

В случае, изображенном на рис.1.8 в, инверсия населенностей уровней мала

настолько, что ни на одной из частот резонатора не выполняется условие

16

самовозбуждения, т.е. G Gпор. В этом случае возможно лишь спонтанное излучение,

спектр которого в основном определяется формой спектральной линии излучения

(флюоресценции).

С увеличением разности населенностей верхнего и нижнего уровней

излучательного перехода усиление активной среды возрастает, и условие

самовозбуждения может быть выполнено для одной или нескольких частот (на

рис.1.8 г частоты 1, 2, 3). На фоне спонтанного излучения теперь будут

выделяться интенсивные колебания на указанных частотах.

Рис.1.8 Форма спектральной линия усиления активной среды (а),

резонансная кривая оптического резонатора (б) и результирующие

характеристики усиления активной среды, помещенной в резонатор (в, г, д)

при различных коэффициентах усиления

При дальнейшем росте инверсии населенностей усиление в активной среде на

всех частотах резонатора увеличится (рис.1.8, д) и условие самовозбуждения будет

выполняться для большего числа частот (от 1 до 7 ). Произойдет как увеличение

числа одновременно генерируемых частот, так и расширение полосы спектра

излучения ОКГ.

17

Лабораторный практикум

Лабораторная работа № 1

РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР

2.1. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

В ОКГ на твердых телах используются кристаллические или аморфные (стекла)

среды, в которые вводятся примеси некоторых элементов. Основной материал среды

(матрица) обычно не участвует непосредственно в физических процессах,

приводящих к генерации. Индуцированное излучение и генерация происходят при

переходах между энергетическими уровнями атомов или ионов примеси,

называемой активатором. Содержание частиц примеси в матрице обычно составляет

не более нескольких процентов.

Атомы (ионы) примеси находятся в электрическом поле кристаллической

решетки. Это приводит к расщеплению и уширению дискретных уровней энергии.

Характер и величина внутрикристаллического поля сказываются как на ширине и

положении полос поглощения примесных атомов (ионов), так и на величине

вероятностей излучательных и безызлучательных переходов.

Из всего многообразия сред, принципиально пригодных для создания лазеров,

на практике наиболее широко используются лишь некоторые из них. Это, во-

первых, рубин – кристаллическая решетка Al2O3 c внедренными в нее

трехзарядными ионами хрома Cr3+

(активатор). Во-вторых, стекло, иттрий-

алюминиевый гранат Y3Al5O12, вольфрамат кальция CaWO4, активированные

примесью неодима. Для получения инверсной населенности в твердотельных ОКГ

обычно используется метод оптической накачки. Поскольку в двухуровневой

квантовой системе с помощью оптической накачки невозможно создать условия

инверсной заселенности из-за обратимости процессов поглощения и вынужденного

излучения (подробнее см., например, [2]-[7], [9]-[12]), оптические квантовые

генераторы работают либо по трехуровневой, либо по четырехуровневой схемам.

2.1.1 Инвертирование системы, состоящей из трех и четырех энергетических

уровней, методом оптической накачки

Впервые на возможность использования трехуровневых систем для создания

инверсной населенности указали Н.Г. Басов и А.М. Прохоров в 1955 году.

Оптическая накачка заключается в том, что вещество подвергается воздействию

мощного излучения, которое, поглощаясь веществом, выводит его из состояния

равновесия. В начальный момент вещество находилось в состоянии

термодинамического равновесия, и распределение атомов по уровням описывалось

формулой Больцмана:

kT

EE

N

N nm

n

m exp , (2.1)

где m и n=1, 2, 3. В оптическом диапазоне энергетический зазор (расстояния по

частоте) между энергетическими уровнями настолько велики, что практически для

18

всех рабочих температур kTEE nm , т.е. все частицы в состоянии равновесия

практически находятся на нижнем (основном) уровне, а верхние уровни пусты.

Вероятности безызлучательных переходов с нижних уровней на верхние

пренебрежимо малы.

Трехуровневая схема. Оптическая накачка, особенно если в качестве источника

излучения накачки используется лампа, в трехуровневой схеме может быть

использована эффективно, если система уровней обладает следующими свойствами:

1) уровень 3 достаточно широкий, переход 1 3 разрешен правилами отбора,

вероятность перехода сравнительно велика, скорость заселения большая, время

жизни уровня 3 мало;

2) при опустошении уровня 3 наибольшую вероятность имеет

безызлучательный переход 3 2;

3) уровень 2 имеет относительно большое время жизни, что способствует

накоплению атомов в этом возбужденном состоянии (рис.2.1).

Рис. 2.1 Трехуровневая схема оптического квантового генератора

Рассмотрим реализацию инверсной населенности уровней 2 и 1 в случае

оптической накачки на переходе 1→3. Пусть N1, N2, N3 – населенности

энергетических уровней 1, 2, 3, а N – полное число частиц на всех трех уровнях в

единице объема, т.е.:

NNNN 321 (2.2)

Пусть W13=W31 – вероятности индуцированных переходов, возбуждаемых в

среде излучением накачки; W12=W21 – вероятности индуцированных переходов,

возбуждаемых лазерным излучением; wmn - вероятность переходов с уровня m на

уровень n, в общем случае определяемая как сумма вероятностей спонтанного спmnw и

безызлучательного безmnw переходов, т.е.

безспmnmnmn www (2.3)

В соответствии с указанной выше особенностью оптического диапазона будем

учитывать только вероятность переходов с более высокого уровня на более низкий;

вероятности обратных переходов будем считать пренебрежимо малыми.

Запишем кинетические уравнения для энергетических уровней 1, 2, 3:

19

212313311312211 )()( wNwNNNWNNW

dt

dN (2.4 а)

32321212212 )( wNwNNNW

dt

dN (2.4 б)

32331331133 )( wNwNNNW

dt

dN (2.4 в)

В стационарном режиме производные dt

dN i равны нулю. Приравняв к нулю

правые части этих уравнений, получим систему линейных уравнений. С учетом

равенства (2.2) достаточно рассмотреть не всю систему, а только какие-либо два ее

уравнения. Выберем второе и третье. Ограничиваясь только вышеперечисленными

свойствами вещества, определяющими высокую эффективность оптической

накачки, можно считать, что N3<<N1, так как частицы, переведенные излучением

накачки на уровень 3, довольно быстро переходят на уровень 2. В этом случае

уравнения системы (2.4 б), (2.4 в) и равенство (2.2) принимают вид:

0)( 3232121221 wNwNNNW (2.5 а)

0)()( 323133113 wwNNNW (2.5 б)

NNN 21 (2.5 в)

При решении системы уравнений (2.5) с целью определения разности

населенностей уровней 2 и 1 следует учесть, что вероятности переходов должны

подчиняться неравенству w32>>w31. Иначе, в противном случае, если предположить,

что w31>w32, то инверсная населенность уровня 2 относительно уровня 1 вообще не

может быть реализована. В этом случае:

13

3231

1332 Www

Ww (2.6)

и решение системы (2.5) приобретает вид:

132121

211312

2 WwW

wWNNN (2.7)

Как выше уже отмечалось, в общем случае безспmnmnmn www . В реальных

кристаллах роль спонтанного и безызлучательного процессов для различных

переходов различна. Так, переход 3 2 происходит в основном за счет

безызлучательных процессов, т.е. без3232 ww , а вероятности w21 и w31 определяются

обычно спонтанными переходами, т.е. сп2121 ww и

сп3131 ww . Тогда условие (2.7)

можно записать в виде:

13сп2121

сп2113

122 WwW

wWNNN (2.8)

Из (2.8) видно, что для создания инверсной населенности между уровнями 2 и 1

( 012 NN ) необходимо, чтобы сп2113 wW . Следовательно, чем меньше

вероятность спонтанного перехода с верхнего лазерного уровня на нижний

лазерный уровень, тем проще создать инверсную населенность между этими

уровнями. В реальных кристаллах в качестве уровня 2 выбирается так называемый

метастабильный уровень. «Метастабильность» этого уровня является относительной

20

и, по сути, определяется отношением вероятности его заселения W13 к вероятности

его опустошения сп21w и не может быть охарактеризована только его временем

жизни.

В проведенном расчете мы приняли N3 << N1 т.е. уровень 3 практически пуст.

Полное число частиц в 1 см3 системы равно 21 NNN . Если на каждом из

уровней в 1 см3 находится 2/21 NNN частиц, то инверсия населенностей

уровней 1 и 2 равна нулю. Если же создана ненулевая инверсная населенность, то

это означает, что 2/2 NN . Причем, грубо говоря, только та часть частиц на

уровне 2, которая превышает 2/N , дает вклад в инверсию, а переброс 2/N частиц с

уровня 1 на уровень 2 лишь уравновешивает населенности рабочих уровней.

Поэтому в трехуровневой схеме нужны большие мощности излучения

накачки, причем значительная часть этой мощности расходуется лишь на

уравнивание населенностей рабочих уровней.

Четырехуровневая схема. От такого недостатка свободна четырехуровневая

схема лазерного генератора, поскольку в этой схеме нижним лазерным уровнем

выступает не основное, а возбужденное состояние квантовой системы (рис.2.2).

Рис. 2.2 Четырехуровневая схема оптического квантового генератора

В этом случае нижний лазерный уровень (если Е2>>kT) до включения

излучения накачки пуст, и, следовательно, нет необходимости расходовать

мощность накачки на выравнивание населенностей. Для того, чтобы получить

инверсию населенностей между состояниями 3 и 2, необходимо накопить на уровне

3 порядка )/exp( 2 kTEN частиц. При kTE2 четырехуровневая схема переходит в

трехуровневую.

2.1.2 Источники и системы накачки твердотельных оптических квантовых

генераторов

Для реализации оптической накачки необходимы достаточно интенсивные

источники излучения. Важно, чтобы основная масса излучаемой этими источниками

энергии попадала в полосы поглощения активного вещества и тем самым

эффективно использовалась для создания инверсной населенности между рабочими

лазерными уровнями. Так, для кристалла рубина одна из полос поглощения лежит в

области 0,41 мкм. Для того, чтобы максимум излучения источника лежал в области

21

0,41 мкм, нужно иметь источник, соответствующий абсолютно черному телу с

температурой 10000 К. Эффективные температуры 5000 - 10000 К реализуются в

излучении газоразрядных ламп, в частности, ксеноновых, обладающих наиболее

высоким КПД (до 50%).

Для повышения доли энергии, излучаемой лампой, которая может быть

поглощена активным веществом, используются различные отражающие и

фокусирующие устройства (система накачки). Для оптической накачки

твердотельных ОКГ целесообразно использовать прямые трубчатые импульсные

лампы и отражатели, имеющие форму круговых и эллиптических цилиндров с

зеркальной отражательной поверхностью. При использовании отражателей в форме

эллиптического цилиндра лампы и стержень активного вещества располагаются в

фокальных осях. Благодаря этому удается сфокусировать большую часть излучения

источника накачки (Л) на активном веществе (АВ) (рис.2.3)

Рис. 2.3 Схема эллиптического осветителя активного элемента

Во многих моделях ОКГ используются цилиндрические отражатели

выполненные в виде моноблока из кварца или цветного стекла, в котором имеются

отверстия для крепления стержня активного вещества и лампы накачки.

Рис. 2.4 Различные схемы эллиптических многоламповых осветителей

Для отвода тепла от лампы накачки и активной среды, а также для

стабилизации температурного режима ОКГ широко используется охлаждение –

22

воздушное, водяное или сжиженными газами. В мощных ОКГ приходится

использовать для накачки несколько ламп. В этом случае фокусирование света

обеспечивается многоэллипсными отражателями. На практике применяют двух- и

четырехэллипсные отражатели (рис.2.4).

В ОКГ на рубине для улучшения КПД системы накачки используют стержни с

сапфировой (Al2 O3 ) оболочкой или с сапфировым раструбом (рис.2.5).

Рис. 2.5 Практические конструкции активных элементов,

повышающие эффективность системы накачки

Для рубинового стержня с сапфировым раструбом применяется накачка в торец

активного вещества через раструб, в котором используется эффект полного

внутреннего отражения.

23

2.2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ РУБИНОВОГО ЛАЗЕРА

Первый в истории физики лазер был твердотельным. Он был создан в 1960 г.

американским физиком Т. Мейманом, который использовал в качестве активного

вещества кристалл рубина.

Основными элементами твердотельного ОКГ на кристаллах рубина являются:

резонатор с помещенной в него активной средой, источник накачки с оптической

системой накачки, источник питания и схема запуска. Блок-схема лазера приведена

на рис.2.6.

Рис. 2.6. Блок-схема лазера на рубине

Большинство твердотельных ОКГ работает в импульсном режиме. Источником

накачки для них служат импульсные газоразрядные лампы. Необходимая энергия

для работы таких ламп накапливается в батарее конденсаторов емкостью несколько

сотен микрофарад. Батарея конденсаторов подключается непосредственно к

выходам лампы. Зажигание газового разряда в лампе осуществляется пусковым

импульсом, поступающим от схемы запуска (поджига), где формируется

высоковольтный (10 50 кВ) импульс малой длительности. Этот импульс создает

ионизированный канал в лампе, благодаря которому становится возможным разряд

накопительной емкости через лампу, сопровождающийся интенсивным свечением

плазмы разряда.

Излучаемая лампой световая энергия фокусируется в активной среде и

частично поглощается ею. Примесные атомы (ионы) активной среды переходят в

возбужденные состояния, и через некоторое время населенность верхнего уровня

излучательного перехода может превысить населенность нижнего уровня.

Возникают условия для усиления светового излучения. При превышении

коэффициента оптического усиления потерь в активной среде и резонаторе в

последнем возбуждаются электромагнитные колебания. Через полупрозрачное

зеркало резонатора осуществляется отбор энергии колебаний и на выходе

оптической излучающей головки создается монохроматический направленный

пучок света.

Активный элемент лазера – рубин представляет собой кристалл окиси

алюминия Al2O3, в кристаллической решетке которого часть ионов алюминия Al3+

замещена примесными ионами хрома Cr3+

. Структура энергетических уровней иона

24

хрома обусловлена взаимодействием электронной оболочки 3d иона Cr3+

c

внутрикристаллическим полем (рис. 2.7) и сильно отличается от структуры уровней

свободного иона (для обозначения состояний, возникающих под действием

кристаллического поля, часто применяют символику Малликена см. [8], стр.56). 4А2

- основной уровень, 2Е - метастабильные долгоживущие состояния (два

близкорасположенных уровня 2А и Е). Переход 2Е─

4A2 запрещен правилами отбора.

Рис. 2.7 Схема энергетических состояний трехвалентных ионов

хрома в кристаллах рубина

Два широких уровня 4F1 и

4F2 соответствуют состояниям с малым временем

жизни, причем наиболее вероятен безызлучательный переход 4F1,2─

2E (избыток

внутренней энергии иона переходит в тепловую энергию кристаллической решетки).

Инверсная населенность энергетических уровней создается методом

оптической накачки по трехуровневой схеме. Излучение накачки поглощается в

кристалле на переходах 1─3.

Энергетический спектр рубина содержит две широкие полосы поглощения с

максимумами на 0,41 мкм и 0,56 мкм. В результате поглощения излучения накачки

ионы Cr3+

переходят в одно из состояний 3. Некоторые из возбужденных ионов

возвращаются снова в основное состояние 1, но большая их часть в результате

безызлучательного (релаксационного) перехода оказывается в состоянии 2.

Следует отметить, что основной уровень 1 также расщеплен на два очень

близколежащих подуровня ( E=0,38 см-1

), поэтому каждая из линий R1 и R2 является

дублетом. Но так как ширина линий значительно больше расстояния между

компонентами дублета (например, R1=11 см-1

при Т=300 К), то дублетной

структуры линий R1 и R2 при комнатной температуре невозможно заметить.

25

Рассмотрим работу твердотельного ОКГ в режиме "свободной генерации",

когда в резонатор не вводятся дополнительные оптические элементы, управляющие

его свойствами.

Рис. 2.8. Динамика развития лазерной генерации режиме "свободной генерации"

После подачи на лампу накачки импульса поджига (см. рис.2.8, в момент

времени t=0) начинается разряд накопительной емкости через импульсную лампу.

Мощность света накачки изменяется во времени, как показано на рис.2.8, а.

Длительность вспышки обычно составляет 0,1 – 1 мсек. Под действием излучения

накачки населенность верхнего уровня излучательного перехода увеличивается и

когда она превысит пороговую величину N2пор, возникнет лазерная генерация

(рис.2.8, б и 2.8, в). Время запаздывания генерации t3 относительно момента

включения лампы накачки составляет от десятков до нескольких сотен

микросекунд.

Индуцированное излучение в резонаторе ОКГ возникает из слабого

спонтанного излучения, распространяющегося в малом телесном угле вдоль

оси резонатора.

Первоначально при значениях t не намного превышающих t3, энергия

индуцированного излучения в резонаторе мала, соответственно мало число

индуцированных переходов, и под действием накачки продолжается накопление

частиц на верхнем уровне перехода, т.е. увеличивается усиление активной среды.

Так как энергия индуцированного излучения со временем экспоненциально

возрастает, интенсивность индуцированных переходов непрерывно растет, и,

начиная с некоторого момента времени, поступление частиц за счет накачки

оказывается недостаточным, чтобы скомпенсировать индуцированные переходы с

верхнего уровня. В результате с этого момента времени N2 уменьшается. Однако

энергия индуцированного излучения еще возрастает, пока N2 не снизится до N2пор и

среда не потеряет усилительные свойства. Скорость убывания N2 при

26

возвращении к пороговому значению наибольшая, так как в этот момент поле в

резонаторе максимально. Когда N2 становится меньше N2пор условие

самовозбуждения перестает выполняться, генерация срывается и поле в резонаторе

начинает убывать. Таким образом, формируется первый импульс излучения. С

уменьшением поля в резонаторе интенсивность индуцированных переходов падает

и, поскольку излучение накачки продолжает возбуждать квантовую систему, вновь

начинается накопление возбужденных частиц на втором уровне. Превышение N2

значения N2пор снова приводит к возрастанию поля в резонаторе, и далее процесс

качественно повторяется. Появляется следующий импульс и т.д.

Теоретический анализ для упрощенной модели лазера показывает, что при

установлении колебаний в резонаторе должна возникать последовательность

убывающих по амплитуде импульсов, которая в пределе стремится к стационарному

уровню. Однако наблюдаемая на опыте картина генерации во многих случаях не

соответствует теоретическим представлениям. Как правило, излучение

твердотельных ОКГ состоит из последовательности нерегулярных по амплитуде и

временному положению импульсов - "пичков". Длительность пичков составляет

обычно несколько десятых долей микросекунды, а временной интервал между ними

- единицы микросекунд. Природа пичкового режима твердотельных ОКГ

окончательно еще не выяснена. Считается, что хаотичность пульсаций

обуславливается наличием многих типов колебаний в резонаторе, пространственной

неоднородностью накачки и ее пульсациями, наличием неоднородностей и

нелинейно поглощающих примесей в кристаллах, неоднородностью поля в

резонаторе и другими факторами. Хотя детали процесса генерации не

воспроизводимы, общий характер, усредненные и интегральные характеристики

процесса сохраняются от вспышки к вспышке и в достаточной мере согласуются с

теоретическими представлениями.

Процесс генерации импульсных ОКГ характеризуют двумя основными

величинами: энергией излучения во вспышке, представляющей собой интегральную

во времени излученную энергию лазерной генерации, и временем генерации.

Иногда также приводят мощность излучения, под которой понимают усредненное

значение мощности за время генерации.

Энергию излучения лазерной генерации определяют величина энергии накачки

и коэффициент пропускания полупрозрачного (выходного) зеркала резонатора.

Анализируя процесс генерации, можно констатировать, что энергия лазерного

излучения пропорциональна превышению энергии накачки над ее пороговым

значением. Энергия, излучаемая лампой накачки к моменту t3, расходуется на

обеспечение условий, необходимых для возникновения генерации. Остальная

энергия (пропорциональная заштрихованной площади на рис.2.8,а) расходуется на

создание избытка возбужденных частиц над пороговым значением. Это количество

частиц непосредственно участвует в процессах индуцированного излучения и

обуславливает излучаемую лазерным генератором энергию. Таким образом, для

энергии излучения ОКГ Елаз можно записать соотношение:

)( нак.порнаклаз EEСE , (2.9)

где С – постоянная, определяемая эффективностью утилизации активным

элементом энергии излучения лампы накачки, эффективностью отражателя,

внутренними потерями в резонаторе и пропусканием полупрозрачного зеркала;

27

Енак – энергия накачки; Енак.пор – пороговое значение энергии накачки.

Коэффициент полезного действия лазера (КПД) η может быть выражен:

нак

лаз

E

E (2.10)

Характерные экспериментально наблюдаемые зависимости энергии излучения

и КПД лазера от уровня энергии накачки приведены на рис.2.9.

0 100 200 300 400 500 600 7000

1

2

3

4

5Е

изл

, Д

ж

Ен, Дж

Рубин L = 80 мм, d = 8 мм

Рис. 2.9. Характерные зависимости энергии излучения и КПД

лазера от энергии накачки, подводимой к импульсной лампе

Они качественно совпадают с теоретическими оценками. Предельное значение

КПД лазера существенно зависит от величины внутренних потерь в в кристалле

активного вещества и эффективности использования света лампы накачки. Для

рубинового стержня с малыми потерями ( в 0,01 см-1

) удается получить свыше

1%. Увеличение же в до 0,05 0,08 см-1

приводит к резкому падению до 0,2 0,1 .

28

2.3. ПРАКТИЧЕСКИЕ УПРАЖНЕНИЯ

2.3.1 Изучение режима свободной генерации лазера на рубине

Цель работы: освоение метода юстировки резонатора твердотельного лазера,

определение порога генерации и к.п.д. рубинового лазера, наблюдение на экране

осциллографа пичковой структуры излучения лазера в режиме свободной

генерации, измерение длительности генерации и длительности одного пичка при

разных уровнях накачки.

Блок-схема установки по изучению характеристик рубинового лазера в режиме

свободной генерации приведена на рис. 2.10.

Накачка 3000ИКТ-1Н

11

1 2

3

4

56

7

89

10

1213

Рис. 2.10. Блок-схема лабораторной установки. Цифрами обозначены: 1 – гелий-неоновый лазер

(юстировочный), 2 – юстировочное зеркало, 3 – фотодиод, 4 – отклоняющая пластинка, 5 –

«глухое» зеркало резонатора (R=99.6%), 6 – активный элемент, 7 – импульсная лампа накачки, 8 –

«выходное» зеркало (R=60%), 9 – головка измерителя мощности ИКТ-1Н, 10 – экран, 11 – ПК с

цифровым осциллографом «Bordo», 12 – блок питания импульсной лампы «Накачка-3000», 13 –

измеритель мощности ИКТ-1Н.

Кратко рассмотрим предназначение основных блоков данной лабораторной

установки. В качестве активного элемента используется кристалл рубина ( =5 мм,

L=80 мм) с плоскопараллельными торцами, перпендикулярными оси элемента.

Оптическая накачка активного элемента осуществляется импульсной лампой ИФП-

800. Кристалл рубина, импульсная лампа и кварцевый отражатель находятся в

квантроне и охлаждаются проточной водой с помощью устройства охлаждения.

Импульсный разряд в лампе обеспечивается блоком «Накачка-3000». Энергия

разряда определяется напряжением на накопительной емкости (С=400 мкФ),

которое может быть установлено в пределах от 850 до 1700 В. Инициирование

разряда в лампе осуществляется высоковольтным импульсом амплитудой около 20

кВ. Таким образом, квантрон с лампой и блок питания лампы являются

источниками высокого напряжения, и работать с ними необходимо, соблюдая

29

инструкцию по эксплуатации и правила техники безопасности. Для измерения

энергии лазерного излучения используется калориметрический измеритель энергии

ИКТ-1Н. Фотодиод и цифровой осциллограф «Bordo» предназначены для

визуального наблюдения временной зависимости генерируемого рубиновым

лазером излучения. Детальные описания инструкций по эксплуатации и принципов

работы на блок «Накачка-3000», измеритель энергии ИКТ-1Н и цифровой

осциллограф «Bordo» приведены в их технических описаниях.

Упражнение 1. Юстировка резонатора и активного элемента лазера

Рассмотрим теперь последовательность юстировки оптического резонатора.

Для юстировки в данной работе используется метод оптического «рычага». В

качестве источника света используется гелий-неоновый лазер, излучение которого

обладает малой расходимостью и удобно для визуального наблюдения. При

выполнении процедуры юстировки из всех приборов лабораторной установки

включается только гелий-неоновый лазер. Используемый в лабораторной работе

He-Ne лазер имеет мощность около 2 мВт и его излучение опасно для глаз.

Поэтому во все время работы необходимо соблюдать правила техники

безопасности с источниками лазерного излучения! Особенно необходимо быть

внимательным при установке оптических элементов с отражающими

поверхностями, при этом необходимо помнить, что отраженный луч может

быть направлен в сторону одного из ваших коллег. Гелий-неоновый лазер должен быть установлен на оптическом стенде таким

образом, чтобы его луч распространялся параллельно плоскости стенда (в данной

лабораторной установке это условие не является строго обязательным, однако

существенно упрощает процедуру юстировки). Ход луча гелий-неонового лазера

определяет оптическую ось всей установки. Перед He-Ne лазером устанавливается

зеркало 2, которое также используется для юстировки. Это зеркало имеет в центре

круглое отверстие. Зеркало устанавливается под некоторым углом к оптической оси,

а излучение гелий-неонового лазера должно проходить через центр отверстия, не

касаясь ее краев. Угол наклона зеркала выбирается таким образом, чтобы лучи He-

Ne лазера, отраженные от оптических элементов рубинового лазера, попадая на

зеркало, давали изображение на экране 10. При юстировке поворотную пластинку 4

необходимо удалить из оптической схемы.

В первую очередь правильно устанавливается квантрон с активным элементом.

Для этого зеркала 5 и 8 временно удаляются из оптической схемы. Излучение гелий-

неонового лазера должно точно проходить через центр активного элемента. Для

этого необходимо регулировать высоту установки квантрона, его положение по

горизонтали относительно оптической оси, а также наклоны вверх-вниз и влево-

вправо. Это проверяется наблюдением равномерно освещенного правильного

круглого пятнышка на экране из белой бумаге, установленной за активным

элементом. Отраженный от передней грани луч должен попадать в центр зеркала 2.

Это легко контролируется по наблюдаемому на экране 10 изображению

отраженного от зеркала 2 луча. Оно должно иметь вид равномерно освещенного

кольца. Кольцо наблюдается, поскольку луч гелий-неонового лазера, проходя до

активного элемента и возвращаясь к зеркалу, расходится и становится немного шире

отверстия в зеркале.

30

Следующей операцией является установка зеркала 8. Если следовать

принципам юстировки оптических систем, то необходимо было бы начинать

юстировку именно с этого зеркала. Оптические элементы всегда устанавливаются

последовательно, начиная с самого удаленного от юстировочного лазера. В этом

случае наблюдению отраженного от них света на экране не мешают отражения от

других элементов оптической схемы. Кроме этого, не все элементы схем являются

плоскопараллельными пластинами и устанавливаются нормально оптической оси. В

этом случае отраженный от оптического элемента луч может изменить свое

направление, и юстировка будет неверной. В нашем случае квантрон с оптическим

элементом является достаточно громоздким и при его установке можно задеть

зеркало 8, нарушив юстировку. Поэтому в нашем случае мы несколько отошли от

идеализированного правила юстировки, установив сначала квантрон с активным

элементом, а затем начав устанавливать зеркало 8. Зеркало 8 устанавливается

аналогично активному элементу. При этом для точности юстировки, чтобы

отражение от торца активного элемента не мешало наблюдать отражения от зеркала

на экране, столик активного элемента немного (на несколько градусов) отклоняют

либо по высоте, либо по горизонтали.

После завершения юстировки зеркала 8 активный элемент возвращается в

исходное состояние в исходное положение. Для удобства и увеличения точности

юстировки других оптических элементов резонатора (например, зеркала 5) блик

отражения от зеркала 8 убирают, устанавливая, например, лист бумаги или любой

другой непрозрачный экран между зеркалом 8 и активным элементом. Данный

принцип устранения бликов от уже съюстированных оптических элементов широко

используется на практике.

Наконец, устанавливается зеркало 5. Принцип его юстировки абсолютно такой

же, как и при установке квантрона с активным элементом и зеркала 8. Однако,

необходимо помнить и всегда контролировать, что в центр зеркала 2 попадает блик,

отраженный от рабочей поверхности зеркала 5 с диэлектрическим покрытием. Дело

в том, что лазерный пучок юстировочного гелий-неонового лазера испытывает

отражение на любых разделах сред, отличающихся показателем преломления

(Френелевское отражение). В результате может наблюдаться несколько бликов от

одного и того же оптического элемента (от каждой из его поверхностей). В случае

юстировки резонатора рубинового лазера подсказкой к тому, какой же из бликов

соответствует отражению от рабочей поверхности зеркала (от поверхности зеркала с

напыленным диэлектрическим покрытием), является интенсивность блика: более

интенсивный блик является искомым отражением, тогда как менее интенсивный –

соответствует отражению от нерабочей поверхности зеркала 5. Это обусловлено

тем, что длина волны гелий-неонового лазера (λ=632,8 нм) и длина волны генерации

рубинового лазера (λ=694 нм) близки друг к другу и коэффициент отражения

излучения гелий-неонового лазера от рабочей поверхности «глухого» зеркала на

λ=694 нм намного превысит френелевское отражение от нерабочей поверхности

этого же зеркала (от границы «стекло-воздух»).

Точность юстировки с помощью используемого метода достаточно высока.

Угловая точность установки зеркал и активного элемента определяется выражением

Ss 2/ , – угол, который составляет перпендикуляр к юстируемой

поверхности с лучом гелий-неонового лазера, s – линейное смещение отраженного

31

луча на экране относительно отверстия в зеркале, S – расстояние между юстируемой

поверхностью и экраном.

Проверка качества юстировки лазера определяется в следующем упражнении

при определении порога генерации.

Упражнение 2. Определение порога генерации и к.п.д. генерации

При выполнении этого упражнения используются устройство охлаждения, блок

«Накачка-3000» и измеритель лазерной энергии ИКТ-1Н. Предварительно

необходимо ознакомиться с их правилами эксплуатации, приведенными в

технических описаниях.

Порогом генерации называется минимальное значение энергии накачки, при

котором возникает генерация. Наличие генерации фиксируется визуально по

характерной яркой красной точке на черном экране, установленном между зеркалом

8 и головкой измерителя энергии.

Для определения порога генерации необходимо выполнить следующие

действия:

1. Установить между зеркалом 2 и рубиновым лазером черный экран, чтобы

излучение рубинового лазера не привело к повреждению зеркал He-Ne лазера.

2. Установить перед головкой измерителя мощности ИКТ-1Н черный экран.

3. Включить насос водяного охлаждения (отсутствие водяного охлаждения

при разряде импульсной лампы приведет к термическому разрушению

кристалла рубина);

4. Включить блок «Накачка-3000» (тумблер «сеть»).

5. На блоке накачки нажать кнопку «заряд», при этом заряжается

накопительный конденсатор.

6. Вращением ручки «уровень» установить минимальное напряжение (850 В).

7. Нажатие кнопки «одиночный» приведет к разряду в импульсной лампе.

8. При нажатии кнопки «одиночный» визуально наблюдать наличие

генерации на черном экране, установленном между зеркалом 8 и головкой

измерителя энергии.

9. Увеличивая с шагом 50 В напряжение на накопительных конденсаторах,

определить пороговое значение напряжения накачки Uпор.

10. Если измеренное значение Uпор превышает 1000 В, это означает, что

юстировка резонатора лазера выполнена неудовлетворительно и ее надо повторить

(Упражнение 1). При этом необходимо сначала выключить блок «Накачка-3000»

- нажать кнопку «разряд» (при этом разряжаются накопительные емкости) и

выключить блок тумблером «сеть». Затем выключить устройство охлаждения.

11. Если измеренное пороговое значение Uпор 1000 В, продолжить выполнение

данного упражнения. Пороговое значение энергии накачки определяется по

формуле: 2/2порпор СUЕ .

12. Для измерения энергии генерации рубинового лазера включить в режиме

измерения энергии и откалибровать измеритель энергии ИКТ-1Н, согласно его

технического описания.

13. Убрать черный экран перед головкой измерителя мощности ИКТ-1Н.

14. Изменяя напряжение накачки от Uпор до 1700 В с шагом 50 В, выполнить

измерения энергии генерации.

32

15. Выключить установку, как в пункте 10.

16. Построить зависимость Еген от Енак ( 2/2накнак СUЕ ). Объяснить

полученную зависимость.

17. По графику этой зависимости определить к.п.д. генерации,

дифференциальный к.п.д. генерации.

Упражнение 3. Наблюдение временной зависимости лазерной генерации

В режиме свободной генерации поперечное распределение излучения

твердотельных лазеров имеет сложный характер и только в очень редких случаях

может быть отождествлено с поперечными модами резонатора без активной среды.

Временные развертки поперечного распределения показывают, что в отдельном

пичке наблюдается преимущественно одна поперечная мода, причем ее диаметр

меньше, чем задаваемый резонатором и активным элементом. От пичка к пичку

изменяется как порядок моды, так и ее локализация на поперечном сечении

активного элемента. Интегральное поперечное распределение отличается сильной

нерегулярностью с характерными пятнами малого диаметра. Целью настоящего

упражнения является наблюдение пичкового режима генерации твердотельных

лазеров на примере рубинового лазера в режиме свободной генерации.

Для изучения временной зависимости генерации в упражнении используется

кремниевый фотодиод ФД-7к и цифровой осциллограф «Bordo». Временное

разрешение фотодиода около 1 мкс. Излучение рубинового лазера направляется на

фотодиод отклоняющей пластинкой 4. Ни в коем случае не устанавливайте

фотодиод напротив лазерного резонатора! Это приведет к его порче.

Последовательность выполнения упражнения следующая:

1. Установить отклоняющую пластинку по гелий-неоновому лазеру так, чтобы

луч, отраженный от зеркала 5, попадал на фотодиод.

2. Включить цифровой осциллограф “Bordo”. Работать с осциллографом

согласно инструкции, приведенной в п. 2.3.3.

3. Установить между зеркалами 2 и 4 черный экран, чтобы излучение

рубинового лазера не привело к повреждению зеркал He-Ne лазера.

4. Установить перед головкой измерителя мощности ИКТ-1Н черный экран.

5. Затем последовательно выполнить процедуры 3-5, как в упражнении 2.

6. Вращением ручки «уровень» установить пороговое напряжение генерации

Uпор.

7. При нажатии кнопки «одиночный» визуально наблюдать на экране

осциллографа временную развертку излучения рубинового лазера. Величина

сигнала на экране осциллографа при этом не должна превышать 0,3 В, если

величина сигнала больше, перед фотоприемником установить белую бумажку в

качестве ослабителя светового потока. Измерить длительность одного пичка и

длительность генерации.

8. Проделать пункт 8 для напряжений накачки на 200 и 400 В выше

порогового.

9. Выключить установку как в пункте 10 упражнения 1.

10. Объяснить полученные результаты.

33

2.3.2 Изучение режима модуляции добротности лазера на рубине

Цель работы: исследование режима модуляции добротности рубинового лазера

с использованием механического модулятора, определение порогового значения

энергии накачки и к.п.д. генерации в режиме модуляции добротности, наблюдение

гигантского импульса излучения на экране осциллографа, измерение длительности

импульса при разных уровнях накачки.

Упражнение 1. Юстировка резонатора с модулятором добротности

Целью настоящей работы является исследование режима модуляции

добротности рубинового лазера. Метод модуляции добротности позволяет получать

лазерную генерацию в виде коротких импульсов длительностью до нескольких

наносекунд с высокой пиковой мощностью (до десятков мегаватт). Основная идея

метода состоит в следующем. Предположим, что в резонатор лазера помещен

затвор. Если затвор закрыт, то генерация возникнуть не может и инверсия

населенностей может достичь значения, которое намного превышает пороговое,

имеющее место в отсутствие затвора (режим свободной генерации). Если теперь

резко открыть затвор, то усиление существенно превысит потери и накопленная

энергия выделится в виде короткого и интенсивного светового импульса. Поскольку

при этом происходит переключение добротности резонатора от низкого значения к

высокому значению, то данный метод называется модуляцией добротности. Блок-

схема установки по изучению характеристик рубинового лазера в режиме

модуляции добротности приведена на рис.2.11.

Для реализации режима модуляции добротности используют различные типы

затворов, в том числе: электрооптические затворы, механические модуляторы,

акустооптические модуляторы добротности, модуляторы на основе насыщающихся

поглотителей. Упомянутые первые три типа устройств попадают под категорию

активных модуляторов добротности, поскольку ими необходимо управлять.

Модуляцию добротности можно также осуществить автоматически, не используя

каких-либо управляющих устройств. Модуляторы такого типа называются

пассивными модуляторами добротности (насыщающиеся поглотители).

В настоящей работе для реализации режима модуляции добротности

используется механический способ, который состоит в использовании в качестве

«глухого» зеркала резонатора вращающейся 90°-ой пентапризмы, у которой ребро

прямого угла перпендикулярно оси вращения.

Такая призма имеет следующее свойство: если свет распространяется в

плоскости, перпендикулярной ребру прямого угла, то отраженный луч всегда

параллелен падающему, независимо от вращения призмы относительно ребра

прямого угла. Это гарантирует то, что соосность между призмой и вторым зеркалом

резонатора в плоскости, перпендикулярной ребру прямого угла, достигается в

любом случае.

При этом эффект вращения призмы заключается в том, чтобы условие

соосности выполнялось в заданном направлении. Модуляторы добротности с

вращающейся призмой являются простыми и надежными устройствами, однако они

обеспечивают медленную модуляцию добротности, вследствие того, что скорость

вращения призмы ограничена.

34

При выполнении этого упражнения предполагается, что предыдущие задания и

упражнения пункта 2.3.1 выполнены. В этом случае гелий-неоновый лазер, зеркало

2 и активный элемент с квантроном установлены правильно. Для выполнения

процедуры юстировки из оптической схемы необходимо удалить поворотную

пластинку 4 и зеркало 5.

Накачка 3000

ИКТ-1Н

11

1 2

3

4

56

7

89

10

12

13Формирователь импульсов

синхронизации

Г5-53

13

14

15

16

17

18

ТЭС18

Рис. 2.11. Блок-схема лабораторной установки, цифрами обозначены: 1 – гелий-неоновый лазер, 2

– юстировочное зеркало, 3 – фотодиод, 4 – отклоняющая пластинка, 5 – «выходное» зеркало

резонатора (R=60 %), 6 – активный элемент, 7 – импульсная лампа накачки, 8 – вращающаяся

призма модулятора добротности, 9 – головка измерителя энергии ИКТ-1Н, 10 – экран, 11 – ПК с

цифровым осциллографом “Bordo”, 12 – блок питания импульсной лампы «Накачка-3000М», 13 –

измеритель энергии ИКТ-1Н, 14 – экран, 15 – двигатель для вращения призмы, 16 – лабораторный

блок питания ТЭС-18, 17 – формирователь импульсов синхронизации, 18 – генератор Г5-63.

Для юстировки призмы модулятора добротности необходимо выполнить

следующие действия:

1. Установить призму (см. рис. 2.11) в держателе так, чтобы луч попадал

примерно в центр передней грани призмы.

2. Повернуть призму относительно оси вращения таким образом, чтобы

отраженный от нее луч можно было наблюдать на экране 14. Необходимый угол

поворота можно установить, включая и выключая блок питания двигателя вращения

призмы при напряжении порядка 5-10 В (в этом случае призма вращается медленно).

На экране будет наблюдаться два пятна, которые получаются за счет отражения от

передней грани призмы и двух других ее граней.

3. Совместить эти два пятна путем изменения угла наклона призмы относительно

вертикальной оси. Совпадение пятен по положению означает, что плоскость падения

луча на призму перпендикулярна ребру призмы. В этом случае луч, отраженный от

передней грани призмы, и луч, отраженный от двух других граней, распространяются

параллельно.

4. Итак, на экране наблюдается одно пятно, причем на нем видна горизонтальная

полоска. Наличие этой полоски связано с неидеальностью изготовления призмы –

35

ребро призмы между двумя перпендикулярными гранями всегда имеет некоторую,

хоть и малую толщину. Свет на нем рассеивается и, соответственно, отражения не

происходит. Если ребро прямого угла призмы и ось резонатора лежат в одной

плоскости (в этом случае луч попадает точно в центр призмы), то горизонтальная

полоска находится в середине пятна. Этого можно добиться вращением

соответствующей рукоятки держателя призмы, который перемещает призму вдоль

вертикальной оси.

5. Далее проверяется точность установки активного элемента, аналогично как в

упражнении 1 (пункт 2.3.1).

6. Выходное зеркало 5 устанавливают аналогично как при юстировке резонатора

в режиме свободной генерации.

Упражнение 2. Измерение зависимости энергии генерации от положения

вращающейся призмы модулятора в момент накачки

При осуществлении модуляции добротности на основе вращающейся призмы

необходимо синхронизовать разряд импульсной лампы с определенным

положением призмы в резонаторе. Для этого в корпусе призмы находится датчик

положения призмы, который формирует импульсный сигнал при определенном

положении призмы. Блок 17 при нажатии кнопки «запуск» формирует импульс

синхронизации, задержанный относительно сигнала с датчика положения примерно

на 5 мс. Импульс синхронизации запускает генератор Г5-63, с помощью которого

устанавливается регулируемая задержка времени разряда импульсной лампы, блок

«Накачка-3000» работает в режиме внешней синхронизации (для поджига лампы

накачки необходимо нажать кнопку «запуск» блока 17, никаких дополнительных

переключений на блоке «Накачка-3000» делать не нужно).

Для проверки корректности юстировки призмы и измерения зависимости

энергии генерации от положения вращающейся призмы модулятора добротности в

момент накачки активного элемента необходимо выполнить следующую

последовательность действий:

1. Правильно отъюстировать все элементы установки!!!

2. Установить между зеркалами 2 и 5 головку измерителя лазерной энергии

(измеритель энергии уже включен и откалиброван при выполнении лабораторной

работы по п. 2.3.1) и установить перед ней черный экран.

3. Включить насос водяного охлаждения (отсутствие водяного охлаждения

при разряде импульсной лампы приведет к термическому разрушению

кристалла рубина).

4. Включить блок питания двигателя призмы 16 и установить на нем

напряжение 28,5 В. Включить тумблер «сеть» на блоке 17.

5. Включить блок «Накачка-3000» и установить напряжение на накопительных

конденсаторах ~ 1600 В.

6. При нажатии кнопки «запуск» на блоке формирования импульсов

синхронизации 17 визуально наблюдать наличие генерации на черном экране,

установленном между зеркалом 5 и головкой измерителя энергии при

установленной на генераторе 18 задержке 600-800 мкс.

7. Если генерация наблюдается, измерить энергию генерации, она должна быть

порядка 150 мДж (головка измерителя энергии в этом упражнении устанавливается

36

между зеркалами 2 и 5); в этом случае можно переходить к выполнению следующих

действий. Если энергия генерации существенно меньше необходимо повторно

провести юстировку резонатора.

8. При напряжении накачки 1600 В измерить зависимость энергии генерации

от времени задержки запуска импульсной лампы. При этом не забудьте

откалибровать измеритель энергии и провести установку нуля. После каждого

измерения дождитесь пока стрелка вернется на нулевое положение. Время задержки

регулируется на генераторе 18 в пределах 200 – 900 мкс с шагом 20 мкс. Построить

график зависимости, объяснить полученный результат.

9. Выключить блок «Накачка-3000» и затем выключить устройство

охлаждения.

Дополнение:

Генератор импульсов Г5-63:

Запуск «Внешний»;

Период повторения 1000 мкс;

Длительность ~ 32 мкс;

Амплитуда ~ 15 В (положительной полярности);

Тумблеры: 1:2 в правое положение

1:10 в правое положение

1:1000 в правое положение

Упражнение 3. Определение порога и к.п.д. генерации

Выполнение данного упражнения практически не отличается от выполнения

аналогичного упражнения при исследовании режима свободной генерации.

Предварительно необходимо установить на генераторе 18 оптимальное значение

времени задержки импульса синхронизации. Это значение определяется по

зависимости, измеренной в предыдущем упражнении, и соответствует

максимальному значению энергии генерации.

По измеренным данным построить график зависимости энергии генерации от

энергии накачки, определить пороговую энергию накачки, к.п.д. генерации,

дифференциальный к.п.д. генерации. Сравнить результаты, полученные в режимах

модуляции добротности и свободной генерации.

Упражнение 4. Наблюдение временной картины энергии генерации

Выполнение данного упражнения аналогично выполнению упражнения 3 п.

2.3.1. Последовательность операций следующая:

1. Убрать головку измерителя энергии 9 и установить отклоняющую пластинку

4 по гелий-неоновому лазеру так, чтобы луч, отраженный от зеркала 5, попадал на

фотодиод 3.

2. Включить цифровой осциллограф «Bordo». Работать с осциллографом

согласно инструкции, приведенной в п. 2.3.3.

3. Установить перед зеркалом 2 черный экран, чтобы излучение

рубинового лазера не привело к повреждению зеркал He-Ne лазера.

4. При напряжении накачки 1100 В визуально пронаблюдать на экране

осциллографа временную развертку излучения рубинового лазера (следить за

насыщением сигнала фотодиода). Скопировать осциллограмму на кальку.

37

Измерить длительность импульса генерации.

5. Проделать аналогичные измерения при напряжениях накачки 1300 В и

1500 В.

6. Выключить установку как в пункте 10 упражнения 1 (пункт 2.3.1).

7. Объяснить полученные результаты.

2.3.3 Инструкция использования цифрового осциллографа BORDO в

лабораторной работе «Рубиновый лазер»

1. Запустить программу «Осциллограф»

2. Нажмите «Ок» ( калибровка будет проведена в пункте 6 )

3. Отключите 2-ой канал осциллографа, затем нажмите «Ок»

4. Подготовка к измерениям.

Нажмите « »

38

5. Для наилучшего использования всего динамического диапазона осциллографа

нажмите на кнопку «Лучший вид» (сигнал на весь экран)

После чего на экране появится линия нуля. Зеленая стрелка указывает на

приблизительное положения уровня нуля. Так как регистрируемые импульсы будут

отрицательной полярности, с помощью ползунка «Уров.», необходимо добиться

положения уровня нуля ближе к верхней границе экрана.

39

6. Калибровка уровня нуля.

Нажмите кнопку «Свойства»

Выберите «Калибровка», далее «Уровень нуля», «Старт» и дождитесь

окончание калибровки. После окончания нажмите «Ок»

40

После калибровки снова запустите программу « »

7. Настройка синхронизации. Нажмите кнопку «Свойства», выберите «Синхр.»,

выбрать Режим «Ждущ.»

Источник «Внутр.»

Вход синхронизации «Закр.»

Далее нажмите «Ок»

41

8. Нажмите кнопку «Свойства», выставьте:

«Развертку» - 1мкс/дел

«Пре/Пост – ист.» - 0 (0с) (начало экрана)

«Размер сегмента» - 60000 (600 мкс) (от начала)

Убрать галочку в пункте «Гистограмма» и «Фиксиров. память»

Нажмите «Ок»

9. Подайте сигнал на 1-ый канал осциллографа.

На экране должны появиться импульсы отрицательной полярности.

ВНИМАНИЕ! После каждого импульса (щелчка) картина на осциллографе

42

ДОЛЖНА изменяться! В противном случае необходимо настроить синхронизацию

осциллографа, путѐм изменения положения ползунка «СИНХР.»

В случае отсутствия полезного сигнала попробуйте изменить диапазон развертки:

«Пре/Пост – ист.» - ????? (???мкс)

«Размер сегмента» - ????? (???мкс)

10. Чтобы сохранить данные: Нажмите «Пауза», далее «Файл», «Экспорт».

Переставьте точку на «Секунд», укажите путь куда необходимо сохранить и

нажмите «Ок».

2.3.4 Теоретические вопросы к работе «Рубиновый лазер»

1. Уравнение переноса излучения в усиливающей среде. Коэффициент

усиления.

2. Инверсия населенностей.

3. Основные методы создания инверсии в средах. Трехуровневые системы.

4. Спектр мод резонатора.

5. Динамика процессов в лазере. Режим стационарной генерации.

6. Порог генерации, к.п.д. генерации.

7. Режим модуляции добротности.

8. Лазер на кристалле рубина.

43

Лабораторная работа №2

ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР

3.1 ГАЗОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

В газовых ОКГ активной средой служат газообразные вещества. В газовых

средах инверсия создается на возбужденных состояниях изолированных атомов,

ионов или молекул. Поскольку в газе взаимодействие между частицами среды

минимально, ширины линий спонтанного излучения или поглощения оказываются

также наименьшими по сравнению аналогичными линиями вещества в других

агрегатных состояниях (10-7

– 10-8

мкм). Вследствие этого ширина линии генерации

газового лазера минимальна среди всех видов ОКГ и она может составлять ~1 Гц.

Другая особенность газовых сред - высокая оптическая однородность, поэтому

в газовых лазерах сравнительно просто возбудить только один тип

электромагнитных волн. В результате удается существенно повысить

направленность лазерного излучения, которая может достигать дифракционного

предела. Расходимость светового луча газового лазера в области видимого света

составляет 10-5

– 10-4

рад., а в инфракрасной области 10-4

– 10-3

рад. Кроме того,

высокая оптическая однородность позволяет использовать для генерации

значительные объемы активного вещества и получить за счет этого высокую

интенсивность излучения. Область длин волн, в которой работают газовые лазеры,

простирается от ультрафиолетовой (~ 0,2 мкм) до далекой инфракрасной области

спектра (~ 400 мкм), частично захватывая даже миллиметровую область. КПД

газовых лазеров может достигать 30% (например, в ОКГ на СО2). Газовые лазеры

принято разделять на три группы: атомные, ионные и молекулярные.

В большинстве газовых ОКГ создание инверсии населенностей в рабочем

веществе осуществляется за счет различных процессов в плазме газового разряда.

3.1.1. Процессы в плазме газового разряда

Известно, что существует множество разновидностей электрических разрядов в

газах, но для возбуждения газовых ОКГ используются лишь некоторые из них (см.

рис. 3.1).

В плазме газового разряда, в основной его части, называемой положительным

столбом, существуют:

1) нейтральные атомы и молекулы в невозбужденном состоянии;

2) нейтральные атомы и молекулы в возбужденном состоянии;

3) ионы (положительные и отрицательные) в невозбужденном состоянии;

4) ионы в возбужденном состоянии;

5) свободные электроны.

Поскольку концентрации положительных и отрицательных частиц одинаковы,

плазма остается электрически нейтральной. Все частицы плазмы находятся в

непрерывном хаотическом тепловом движении, а заряженные частицы дрейфуют

под действием внешнего электрического поля, поддерживающего разряд, к

соответствующему электроду.

Когда разряд отсутствует, средняя кинетическая энергия хаотического

44

движения частиц определяется только их температурой. В условиях разряда

заряженные частицы приобретают дополнительную энергию, ускоряясь в

электрическом поле. За счет соударений энергия от заряженных частиц передается

нейтральным, а направленное движение частиц превращается в хаотическое.

Поэтому средняя энергия хаотического движения частиц в плазме возрастает.

Рис. 3.1 Типы разрядов, используемых в газовых лазерах

Свободные электроны при соударении с атомами почти не теряют своей

энергии вследствие большой разницы масс. Ионы же интенсивно обмениваются

энергией с атомами, и поэтому их средняя энергия значительно меньше энергии

электронов. Нейтральные атомы непосредственно не ускоряются полем, а

воспринимают энергию только при соударениях с ионами. Поэтому их энергия

всегда меньше энергии заряженных частиц. Таким образом, в плазме газового

разряда выполняется следующее условие:

аиэ ЕЕЕ , (3.1)

где Еэ, Еи и Еа, соответственно, энергии свободных электронов, ионов и

нейтральных атомов.

Различают упругие соударения частиц в плазме, при которых суммарная

кинетическая энергия сталкивающихся частиц не меняется, и неупругие

соударения, когда общая кинетическая энергия сталкивающихся частиц меняется за

счет их внутренней энергии. Если суммарная кинетическая энергия частиц убывает

и за счет этого возрастает внутренняя энергия одной (или обеих) частиц, то такое

неупругое соударение называется неупругим соударением первого рода. Если же

при неупругом соударении суммарная кинетическая энергия сталкивающихся

частиц увеличивается за счет их внутренней энергии, то такое соударение носит

название неупругого соударения второго рода. Создание возбужденных состояний

в плазме газового разряда (и инверсии населенностей рабочих уровней) происходит

Разряд, используемый

в газовых ОКГ

Импульсный разряд Стационарный

разряд

Дуговой разряд Тлеющий разряд

Стационарный разряд

Разряд

постоянного тока

Высокочастотный

разряд

45

только в результате неупругих соударений. Наибольший интерес здесь

представляют следующие процессы:

а) прямое электронное возбуждение

Быстрый электрон e сталкивается с атомом (ионом) в основном состоянии A и

передает ему часть своей кинетической энергии. В результате атом переходит в

возбужденное состояние:

ē + A e + A*

Отличительной чертой прямого электронного возбуждения является то, что это

пороговый процесс: только электрон с кинетической энергией равной или большей

энергии возбуждения атома (иона), может возбудить атом.

б) ступенчатое электронное возбуждение

Быстрый электрон может столкнуться с атомом, который уже приведен в

возбужденное состояние прямым электронным возбуждением, и перевести его на

более высокий энергетический уровень А**

:

ē + A* e + A**

в) ионизация электронным ударом

Если энергия электрона достаточно велика, то при столкновении с атомом

возможна ионизация атома:

ē +A 2e +A+

Рассмотренные неупругие соударения являются неупругими соударениями

первого рода. В изменении населенностей энергетических уровней участвуют и

неупругие соударения второго рода. К таким видам соударения относятся

процессы:

а) электронное девозбуждение

При взаимодействии медленного электрона с возбужденным атомом атом

отдает часть своей внутренней энергии и переходит в невозбужденное состояние.

Электрон же, получив избыток энергии, увеличивает свою скорость:

e + A* ē + A

Этот процесс наряду со спонтанными переходами является основным

процессом, разрушающим возбужденные состояния.

б) передача возбуждения

Если происходит соударение атома одного газа в возбужденном состоянии с

атомом другого газа, находящимся в основном состоянии, то возможна передача

энергии от одного атома к другому. При этом атом, первоначально находившийся в

основном состоянии, переходит в возбужденное состояние, а атом, находившийся в

возбужденном состоянии, - в основное состояние:

B* + A B + A*

Этот процесс носит резонансный характер. Считается, что передача энергии

идет интенсивно, если

kTEEЕ AB** , (3.2)

где Т - температура взаимодействующих частиц.

3.1.2. Создание инверсной населенности методом резонансной передачи

энергии при неупругих столкновениях атомов двух газов в газовом разряде

Задача получения инверсного состояния облегчается, если использовать разряд

46

в смеси двух газов - А и В. Инверсия создается между энергетическими уровнями

основного газа А. Примесный (вспомогательный) газ В легко возбуждается в

результате неупругих соударений первого рода в газовом разряде (главным образом

путем прямого электронного возбуждения), а затем эффективно передает энергию

возбуждения атомам рабочего (основного) газа. Примесный и основной газы

должны обладать определенной структурой энергетических уровней (рис. 2.13).

Чтобы был возможен обмен энергией между газами А и В, их возбужденные

энергетические уровни BE3 и AE3 должны отличаться не более, чем на величину

энергии теплового движения частиц газа:

kTEE AB33 (3.3)

Первичное возбуждение квантовой системы, состоящей из атомов двух сортов

А и В, осуществляют электроны, возникшие в результате газового разряда

(электронное возбуждение).

Рис. 3.2 Схема реализации инверсной населенности между состояниями основного газа А путем

резонансной передачи энергии при неупругих столкновениях атомов вспомогательного газа B и

атомов газа А

Электроны, обладающие достаточным запасом кинетической энергии, при

столкновениях возбуждают атомы основного и примесного газов, и в результате

этого происходит заселение уровней 2 и 3 газа А и уровня 3 газа В.

ē + A A* ( AE2 ) + e с вероятностью AW12 ,

ē + A A* (

AE3 ) + e с вероятностью AW13 ,

ē + В В* ( BE3 ) + e с вероятностью BW13 ,

Полученное таким образом распределение частиц по энергетическим уровням в

дальнейшем изменяется вследствие взаимодействия частиц газовой смеси.

Для основного газа это процессы:

1) передача возбуждения

В (BE3 ) + А В + А

* (

AE3 ) с вероятностью BAW ,

А* (

AE3 ) + В А + В* (

BE3 ) с вероятностью ABW ;

2) ступенчатое электронное возбуждение –

ē + А* (

AE2 ) е + А* (

AE3 ) с вероятностью 23W ;

3) электронное девозбуждение –

е + А* (

AE3 ) ē + А с вероятностью 31W

е + А* (

AE3 ) ē + А* (

AE2 ) с вероятностью 32W

2

1

3 AE3

AE2

AE1

BE3

BE1

BW13

W13B AW12

AW13

47

е + А* ( AE2 ) ē + А с вероятностью 21W

4) спонтанные переходы – AE3

AE1 , AE3AE2 , AE2

AE2 с вероятностями, соответственно, сп

31W , сп32W ,

сп21W .

Все переходы между уровнями 3 и 2 имеют малую вероятность по сравнению с

остальными переходами. Пренебрегая вероятностями 23W , 32W , сп32W , напишем

кинетические уравнения для населенностей уровней 3 и 2 газа А:

)()( сп31313131

3 WWWNWWNdt

dNAB

ABA

AA

(3.4 а)

)( сп31212121

2 WWNWNdt

dN AAA

(3.4 б)

где AN1 ,

AN2 , AN3 – населенности соответствующих уровней газа А.

В стационарном режиме 023

dt

dN

dt

dN AA

т.е.:

0)()( сп31313131 WWWNWWN AB

ABA

A (3.5 а)

0)( сп31212121 WWNWN AA (3.5 б)

Выражая AN3 и

AN2 через AN1 из системы (3.5), найдем:

12сп

3131

сп212113

2

3

)(

)()(

WWWW

WWWW

N

N

AB

BA

A

A

(3.6)

Далее:

21

12

31

сп31

31

31

13

21

сп21

13

3112

31

сп31

31

2113

21

сп21

13

2

3

1

11

1

11

W

W

W

W

W

W

W

W

W

W

W

W

WWW

W

W

W

WWW

W

W

W

N

N

AB

BA

AB

BA

A

A

(3.7)

Можно показать, что

kT

EE

g

g

N

N

W

W nm

n

m

n

m

mn

nm exp (3.8)

если переходы осуществляются только за счет электронных ударов.

Тогда выражение (3.7) преобразуется так:

kT

EE

g

g

W

W

W

W

kT

EE

g

g

W

W

W

W

N

N

AB

BA

A

A

12

1

2

31

сп31

31

13

1

3

21

сп21

13

2

3

exp1

exp11

(3.9)

Условие возбуждения примесного газа В за счет электронных ударов имеет

вид:

kT

EE

g

g

N

NB

B13

1

3

1

3 exp (3.10)

Подставляем в выражение (3.9) условие (3.10) и получаем:

48

kT

EE

g

g

N

N

W

W

W

W

W

W

W

W

N

N

B

BAB

BA

A

A

12

1

2

3

1

31

сп31

31

21

сп21

13

2

3

exp1

11

(3.11)

Условием получения инверсной населенности (рабочими уровнями будем

считать уровни 3 и 2) является соотношение:

12

3

A

A

N

N (3.12)

Это возможно при одновременном выполнении следующих двух требований:

kT

EE

g

g

N

N

W

WB

B12

1

2

3

1

21

сп21 exp1 (3.13)

31

сп31

3113

11W

W

W

W

W

W ABBA (3.14)

Вместо соотношения (3.13) запишем более жесткое требование, а в

соотношении (3.14) вычтем из обеих частей единицу. Получаем:

kT

EE

g

g

N

N

W

WB

B12

1

2

3

1

21

сп21 exp , (3.1315, a)

31

сп31

3113 W

W

W

W

W

W ABBA , (3.14, a)

Поскольку уровень 3 выбирается метастабильным, то для выполнения

неравенства (3.14, а) необходимо, чтобы

ABBA WWW сп31 , (3.16)

следовательно,

ABBA WW , (3.17)

т.е. вероятность возбуждения основного газа А примесным газом В должна

быть больше вероятности обратного процесса.

Условие (3.13, а) приводит к требованию:

21сп

21 WW , (3.18)

что также нетрудно объяснить, так как для обеспечения "стока" частиц с уровня

2 необходима большая вероятность спонтанного излучения на основной уровень сп

21W .

49

Рис. 3.3 Характерная зависимость инверсной населенности

между энергетическими состояниями рабочего газа А от тока

разряда в смеси газов А и B

Для каждой газовой смеси существует некоторый оптимальный ток разряда Iопт,

при котором обеспечивается наибольшая инверсия населенностей (рис. 3.3). Для

достижения этого, используя качественные соображения, экспериментально

подбирают состав смеси и оптимальный режим разряда.

Для газовых смесей He-Ne, He-Xe, Ne-O2, Ar-O2 и некоторых других механизм

возбуждения близок к рассмотренному. В ОКГ на смеси гелия и неона, исходя из

требования (3.14, а), соотношение парциальных давлений гелия (примесный газ) и

неона (основной, рабочий газ) выбирают от 5:1 до 10:1.

3.1.3. Устройство ОКГ на смеси газов гелия и неона и его работа в

непрерывном режиме

Первый газовый лазер на смеси гелия и неона был создан в конце 1960 года

Джаваном, Беннетом и Эрристом (США). Основными элементами газового ОКГ

являются оптическая излучающая головка (ОИГ) и источник питания (ИП) (см.

рис. 3.4). ОИГ состоит из газоразрядной трубки (1) и резонатора, образованного

двумя зеркалами (2). Газоразрядная трубка изготавливается из кварца или

высококачественного стекла, подвергается термообработке, откачивается и

заполняется рабочей смесью при давлении около 1 мм.рт.ст. Выходные окна 3

газоразрядной трубки устанавливаются под углом Брюстера к оптической оси

резонатора. Наличие брюстеровских окон определяет поляризацию генерируемых

колебаний.

Катод

Луч лазера

Выходной

элемент

Смесь гелия и неона

Излучающаятрубка

Стеклянная оболочка

Анод

Зеркало

Рис. 3.4 Устройство гелий-неонового лазера

В такой схеме наибольшее усиление реализуется для волны, поляризованной в

плоскости, проходящей через ось резонатора и нормаль к плоскости выходного

окна. В этой плоскости поляризовано выходное излучение газового ОКГ.

AA NN 23

Iопт Iопт

50

Возбуждение газовой среды может быть обеспечено как при высокочастотном

разряде, так и при разряде на постоянном токе. Высокочастотный разряд в трубке

создается с помощью ВЧ-генератора, напряжение которого подводится к внешним

кольцевым электродам. Генератор обеспечивает мощность несколько десятков ватт

на частоте несколько десятков МГц. При питании постоянным током наиболее

целесообразным считается использование подогревных катодов, так как они

подвергаются меньшей бомбардировке положительными ионами и поэтому газовая

смесь в меньшей степени загрязняется частицами материала катода. Напряжение

горения разряда обычно составляет 1000-2000 В, величина разрядного тока - до

нескольких десятков миллиампер. Для зажигания разряда (включения лазера) на

электроды трубки необходимо подавать специальный пусковой импульс.

Гелий-неоновый лазер является типичным лазером на нейтральных атомах.

Индуцированное излучение создается атомами неона, а атомы гелия участвуют

лишь в передаче энергии к атомам неона. Диаграмма нижних энергетических

уровней гелия и неона приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5 Схема энергетических уровней гелия и неона, участвующих в

процессах создания инверсной населенности и генерации лазерного

излучения

Под действием разряда часть атомов газовой смеси ионизируется, образуется

плазма, содержащая положительные ионы и электроны. Электроны, обладающие

достаточной кинетической энергией, возбуждают атомы обоих газов.

Состояния 21S0 и 2

3S1 гелия являются метастабильными, переходы с этих

уровней в основное состояние в дипольном приближении запрещены, а других

уровней, лежащих между основным состоянием и этими двумя уровнями, нет. В

самом деле, переход 21S1 – 1

1S2 запрещен, так как J =0, а переход 2

3S1 – 1

1S2

запрещен, так как S=1 (правилами отбора для дипольных переходов разрешены

переходы при S = 0; L = 1; J = 0, 1, переход J =0 – J =0 запрещен). Время жизни этих

уровней в 104 –10

5 раз больше времени жизни других уровней, с которых разрешены

51

дипольные переходы. Поэтому в результате переходов с верхних уровней (на

рис. 3.5 не показаны) атомы скапливаются на этих состояниях.

В энергетическом спектре неона состояния 3S и 2S (точнее, четыре состояния

каждого типа) случайно оказались совпадающими с метастабильными уровнями

гелия (для обозначения состояния неона здесь применена символика Пашена).

Благодаря этому в возбужденной смеси происходит обмен энергией между

возбужденным гелием и невозбужденными атомами неона. В результате неупругих

столкновений с неоном метастабильные состояния гелия разрушаются, а у неона,

наоборот, оказываются населенными состояния 3S и 2S. Схематично этот процесс

может быть записан таким образом:

He* (2

1S0) + Ne He + Ne

* (3S)

He* (2

3S1) + Ne He + Ne

* (2S)

Электрический разряд возбуждает практически все уровни Ne, заселяя их

приблизительно в соответствии с больцмановским законом. В результате

взаимодействия He с Ne происходит дополнительное избирательное дозаселение

уровней 3S и 2S, принадлежащих атомам неона. Процесс оказался достаточно

эффективным, чтобы обеспечить инверсию на некоторых переходах, начинающихся

с 3S и 2S.

С уровней типа 3S существуют разрешенные переходы на уровни типа 3Р и 2Р

(всего около 60 переходов), а с уровней типа 2S на 2Р (около 30 переходов).

Наиболее эффективная лазерная генерация наблюдается на следующих переходах:

2S2 ─ 2Р4 (λ= 1152,3 нм)

3S2 ─ 3Р4 (λ= 3391,4 нм)

3S2 ─ 2Р4 (λ= 632,8 нм)

В процессе индуцированного излучения частицы переходят выше, на уровень

3Р или 2Р, с которого через малый промежуток времени попадают на уровень 1S

(спонтанный переход). Опустошение этого уровня происходит за счет диффузии

частиц и их соударений со стенками газоразрядной трубки, где они теряют часть

энергии и переходят в основное состояние. Диффузия частиц наблюдается, в

основном, для частиц с энергией уровня 1S, так как время жизни их в этом

состоянии весьма велико, и в процессе движения внутри сосуда они успевают,

сохраняя энергию уровня 1S, встретиться со стенками трубки. С этой целью диаметр

газоразрядной трубки делается относительно небольшим (0,7 - 1 см).

Зависимость мощности излучения от тока в газоразрядной трубке для гелий-

неонового лазера изображена на рис. 3.5. Характер приведенной зависимости

целиком определяется механизмом возбуждения газовой среды (см. рис. 3.1). С

увеличением разрядного тока возрастает концентрация электронов в плазме и,

соответственно, увеличиваются населенности всех энергетических уровней атомов

как гелия, так и неона. Населенности верхних уровней лазерных переходов при этом

непрерывно возрастают вследствие передачи энергии от гелия и непосредственного

возбуждения электронами. При больших токах возрастание населенностей этих

уровней происходит несколько медленнее, чем при малых, так как с увеличением

концентрации возбужденных атомов неона существенно увеличивается передача

энергии от атомов Ne к атомам Не. Изменение населенностей нижних лазерных

уровней имеет другой характер: чем больше Iраз, тем быстрее происходит их

увеличение

Ризл

52

Рис. 3.5 Типичная зависимость мощности излучения гелий-

неонового лазера от величины тока газового разряда

Это объясняется наличием у неона состояния 1S с большим временем жизни.

Через уровень 1S происходит ступенчатое возбуждение атомов неона и заселение

уровней 3Р и 2Р. Чем больше ток разряда, тем выше концентрация атомов неона в

состоянии 1S и тем интенсивнее происходит дополнительное заселение уровней 3Р

и 2Р. Таким образом, инверсия населенностей с ростом разрядного тока

первоначально растет, достигает максимума и затем убывает. Точно так же

изменяется излучаемая мощность.

3.2 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ "ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ

ЛАЗЕР" И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.2.1 Описание установки

В работе используется промышленный гелий-неоновый лазер типа ЛГН-111.

Лазер состоит из двух частей: излучающей головки и стабилизатора тока (рис. 3.4).

В излучающей головке находится активный элемент (газоразрядная трубка длиной

25 см с анодом и подогревным катодом), оптический резонатор, образованный

сферическим и плоским зеркалами, и трансформатор поджига газоразрядной трубки.

Питание подводится через разъем, расположенный на торце защитного кожуха

излучающей головки со стороны сферического зеркала.

Газоразрядная трубка наполнена смесью газов неона и гелия. Торцы трубки

отшлифованы под углом Брюстера и закрыты выходными стеклами из оптического

кварцевого стекла.

Стабилизатор тока поддерживает разряд в газоразрядной трубке ОКГ за счет

постоянного напряжения величиной 1500 вольт, прикладываемого к электродам

трубки. Включение разряда осуществляется при нажатии кнопки "поджиг" (при

этом разряжается конденсатор через первичную обмотку поджигающего

трансформатора).

Для измерения мощности лазерного излучения применяется измеритель типа

ИЛД-2М.

Iраз

53

3.2.2 Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Измерение расходимости лазерного пучка

Измерить сечение пучка на различных расстояниях от выходного зеркала

лазера и определить угол расходимости излучения. Для этого направить лазерный

луч на экран, расположенный на расстоянии l1=1.5-2 м от выходного зеркала лазера,

и измерить диаметр пучка d1. Затем передвинуть экран от лазера на расстояние l2=3-

5 м и вновь измерить диаметр пучка d2. Рассчитать по полученным данным

значение расходимости лазерного излучения. Результаты выразить в угловых

минутах. Обосновать выполненный расчет. Если структура пучка такова, что его

поперечное сечение не является кругом, то измерения провести в двух взаимно

перпендикулярных направлениях и определить расходимость в горизонтальной и

вертикальной плоскостях.

Упражнение 2. Исследования поляризации выходного излучения

Выходное излучение газовых ОКГ обычно линейно поляризовано. Поэтому,

если на пути луча поставить поляризатор с известным направлением максимального

пропускания света, с его помощью можно определить направление поляризации

выходного излучения. Для исследования поляризации выходного излучения гелий-

неонового лазера в работе использован пленочный поляризатор, помещенный в

обойму с кругом, на котором нанесена шкала от 0 до 360 градусов. Для определения

поляризационных характеристик лазерного излучения необходимо установить

поляризатор между выходным зеркалом излучателя и измерительной головкой

ИЛД-2М и измерять мощность излучения, прошедшего через поляризатор, от угла

его поворота.

Последовательность операций следующая:

1. Ознакомиться с описанием прибора ИЛД-2М.

2. Включить сетевой тумблер на блоке преобразования и регистрации (БПР)

прибора ИЛД-2М, при этом загорается индикаторная лампочка. Работать при

использовании измерительного канала «А». Прогреть измеритель в течение 5 минут.

3. Установить переключатель (4) на БПР в положение «А, 3·10-6

».

4. Установить поляризатор в нулевое положение.

5. Измерить мощность излучения, считывая показания со стрелочного

индикатора ИЛД-2М.

6. Увеличивая угол поворота поляризатора на 10 измерять значение мощности

излучения до значения угла поворота 360 .

7. По полученным данным построить график в полярных координатах и

определить направление и степень поляризации выходного излучения ОКГ. Степень

поляризации лазерного излучения рассчитывать по формуле (3.19):

minmax

minmax

PP

PP, (3.19)

где Pmax и Pmin – соответственно, максимальная и минимальная регистрируемые

мощности лазерного излучения.

54

3.3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ К РАБОТЕ «ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР»

1) Спонтанное и вынужденное излучение.

2) Инверсия населенностей.

3) Принцип действия лазера.

4) Отличительные особенности газовых лазеров.

5) He-Ne лазер. Схема энергетических уровней атомов He и Ne. Механизмы

накачки лазерных уровней атомов неона. Линии генерации.

6) Мощность излучения и КПД Не-Ne лазера. Зависимость мощности

излучения от тока разряда.

55

Выражаем благодарность доценту кафедры квантовой электроники и

радиоспектроскопии Степанову В.Г., на основании методических пособий

которого составлена настоящая работа. Также выражаем благодарность

студентам 655 группы Салахутдинову Л.Ф. и Павлову В.В. за помощь в

оформлении работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Физика. Энциклопедия. (под ред. Ю.В. Прохорова). М.: Большая Российская

энциклопедия, 2003 г.

2. А.Л. Микаэлян, М.Л. Микаэлян, Ю.Г. Турков. Оптические генераторы на

твердом теле. М.:"Сов.радио", 1967г.

3. Е.Ф. Ищенко, Ю.М. Климков. Оптические квантовые генераторы. М.:

«Сов.радио», 1968г.

4. С.А. Альтшулер, Б.М. Козырев. Электронный парамагнитный резонанс

соединения элементов промежуточных групп. М.:"Наука", 1972 г.

5. О. Звелто, Принципы лазеров. М.: «Лань», 2008 г.

6. Н.В. Карлов, Лекции по квантовой электронике. М.: «Наука»,1988 г.

7. Ю. Айхлер, Г.И. Айхлер, Лазеры. Исполнение, управление, применение. М.:

«Техносфера», 2008 г.

8. В.И. Дудкин, Л.Н. Пахомов, Квантовая электроника. Приборы и их

применение. М.: «Техносфера», 2006 г.

9. Л.В. Тарасов. Физика лазера. М.: Книжный дом «Либроком», 2011 г.

56