3831 ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

Цель работы: изучение свойств вынужденного (индуцированного) излучения, определение характеристик газового He-Ne лазера.

Приборы и оборудование: He-Ne лазер с блоком питания, устройство для измерения диаметра лазерного пучка, поляризационное устройство с угломером, дифракционная решетка, измерительная линейка, экран.

 

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ И МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТА

 

Лазером называется устройство, обеспечивающее усиление электромагнитных волн за счет индуцированного (вынужденного или стимулированного) излучения. Иначе такое устройство называют также оптическим квантовым генератором (ОКГ).

Поведение атомов и молекул описывается законами квантовой механики, на основе принципов которой установлено, что энергия атомов (молекул) может принимать только ряд дискретных значений Е1, Е2, Е3, ..., которые называются энергетическими уровнями. Уровень с наименьшей энергией называют основным, а все остальные - возбужденными.

Далее для простоты будем рассматривать два энергетических уровня Е1 и Е2 атомов среды. Под действием внешнего излучения может быть осуществлен вынужденный переход из основного состояния с энергией Е1 в возбужденное состояние с энергией Е2. При этом происходит поглощение кванта с энергией

.                                   (1)

Указанный процесс называют поглощением (рис. 1,а).

 

Рис. 1

 

С другой стороны, атом, находящийся в возбужденном состоянии, может перейти в основное состояние с энергией Е1. Такой переход будет сопровождаться испусканием фотона с энергией по формуле (1). Если этот переход происходит без каких-либо внешних воздействий, то процесс называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением (рис. 1,б).

Пусть теперь на атом, находящийся в возбужденном состоянии 2, воздействует фотон с энергией, определенной в формуле (1). Этот фотон будет стимулировать переход атома из возбужденного состояния 2 в основное состояние 1 с испусканием фотона той же энергии  (рис. 1,в). Возникающее излучение называют вынужденным (индуцированным или стимулированным).

Важным моментом данного процесса является то, что индуцированный (вторичный) фотон имеет такие же фазу, частоту, поляризацию и направление распространения, что и вынуждающий (первичный) фотон. Поэтому вынужденное излучение когерентно со стимулирующим излучением, а вторичный фотон неотличим от первичного. Эти два фотона, двигаясь в одном направлении, приводят, в свою очередь, к стимулированному излучению два других возбужденных атома и т.д. В результате развития этого процесса произойдет лавинообразный рост числа фотонов, причем все фотоны испускаются почти одновременно. Эта особенность существенно отличает индуцированное излучение от спонтанного, когда фотоны испускаются в случайных направлениях и с разными фазами.

Таким образом, при прохождении излучения через среду существуют два конкурирующих процесса: поглощение и индуцированное излучение. Если в среде преобладают акты индуцированного излучения, то она является усиливающей, если же основным процессом является поглощение фотонов, то среда будет ослабляющей.

Ослабление интенсивности света при прохождении через поглощающую среду происходит в соответствии с законом Бугера

,                                    (2)

где a - коэффициент поглощения, х - толщина поглощающего слоя, I0 - интенсивность света, входящего в среду, I - интенсивность света, прошедшего слой толщиной x.

Показано, что в активной среде, т.е. в среде, усиливающей проходящее излучение, коэффициент поглощения a становится отрицательным. Поэтому активную среду иногда называют средой с отрицательным коэффициентом поглощения.

Число актов вынужденного излучения пропорционально концентрации атомов N2 в возбужденном состоянии. Число поглощенных фотонов, в свою очередь, пропорционально концентрации атомов N1 в основном состоянии. Установлено, что коэффициент пропорциональности в обоих случаях одинаков. Если пренебречь спонтанным излучением, что можно сделать в случае высокой объемной плотности энергии падающего излучения, то коэффициент a будет определяться только процессами поглощения и стимулированного излучения. Тогда этот коэффициент будет пропорционален разности N1-N2:

,                                 (3)

где k>0 - коэффициент пропорциональности.

 

Рис. 2

В случае термодинамического равновесия число атомов N2 (населенность возбужденного уровня 2) меньше числа атомов N1 (населенность основного уровня 1), то есть N2/N1<1. Поэтому a>0 и процесс поглощения падающего излучения будет преобладать над процессом индуцированного излучения. Если же N2/N1>1, то a<0 и среда является усиливающей, как это следует из формулы (2). Чтобы создать такую среду, необходимо получить неравновесное состояние системы, когда число атомов N2 в возбужденном состоянии было бы больше, чем число атомов N1 в основном состоянии. Такие состояния называются инверсными (обращенными) или состояниями с инверсией населенностей. Процесс перевода среды в состояние с инверсией населенностей называется накачкой.

Есть различные методы накачки в зависимости от типа лазера. В газовых ОКГ создание инверсной заселенности уровней осуществляется с помощью электрического разряда, возбуждаемого в газах. На рис. 2 представлена упрощенная схема энергетических уровней и переходов между ними газового He-Ne лазера. Сначала электроны, образующиеся в газовом разряде, путем столкновения с атомами Не переводят их в возбужденное состояние, обозначенное цифрой 3. Эти возбужденные атомы Не, сталкиваясь с атомами Ne, передают им энергию. В результате атомы переходят в возбужденное состояние 3¢, близкое по энергии к уровню 3 Не. Время жизни состояния 3¢ атома Ne значительно превышает время жизни одного из низших уровней 2¢ этого атома. Поэтому уровни 3¢ и 2¢ оказываются инверсно населенными, что позволяет осуществить индуцированный переход 3¢®2¢, дающий лазерное излучение с длиной волны 632,8 нм.

Вынужденное излучение в активной среде может быть индуцировано фотоном спонтанного излучения, который приводит к появлению лавины вторичных фотонов. Таким образом, активная среда усиливает спонтанное излучение. Если далее вынужденное излучение, полученное при прохождении всей длины активной среды, значительно превосходит по мощности спонтанное излучение, то на выходе источника появляется сигнал, полученный в отсутствие внешнего сигнала. Такой режим называют генерацией. Однако фотоны, рождающиеся спонтанно, создают лавины, распространяющиеся в разных направлениях.

Чтобы решить проблему направленности излучения и осуществить режим генерации, используют устройство, называемое оптическим резонатором. В качестве резонатора служит пара параллельных или вогнутых зеркал, которые обращены друг к другу, причем одно из зеркал полностью отражает излучение, а второе является частично прозрачным. Между зеркалами помещается активная среда. Фотоны, движущиеся параллельно оси резонатора, отражаются от поверхности зеркал и вновь проходят активную среду, вызывая стимулированное испускание вторичных фотонов. Поэтому поток фотонов, параллельных оси резонатора, будет лавинообразно нарастать. Некоторая доля таких фотонов проходит через частично прозрачное зеркало, формируя лазерный пучок. Спонтанно испущенные фотоны, которые летят не параллельно оси резонатора, выходят из активной среды через боковую поверхность, не давая вклада в лазерный пучок.

Волновые свойства света накладывают дополнительные условия для осуществления режима генерации. Так, длина пути L активной среды и длина волны l излучения должны быть связаны следующим соотношением:

или , (n=1, 2, ...).                       (4)

В этом случае волны, выходящие при каждом отражении из лазера, находятся в фазе между собой, что приводит к резкому возрастанию амплитуды результирующей волны из-за интерференции многих когерентных волн, имеющих разность фаз DФ, кратную 2p:

.                                    (5)

Таким образом, на длине L должно укладываться целое число n стоячих полуволн (обычно n=105¸106).

Режим генерации будет иметь место, если усиление на длине 2L компенсирует потери фотонов при отражении от зеркал. Пусть R1 и R2 - коэффициенты отражения от зеркал 1 и 2. После прохождения активной зоны длиной L и отражения от зеркала 1 начальное излучение интенсивностью I0 будет иметь интенсивность  [использована формула (2) для усиливающей среды]. Аналогично после следующего прохождения активной зоны и отражения от зеркала 2 получим . Поэтому количественно усиление К¢ можно оценить следующим образом:

.                           (6)