Учебное пособие по экспериментальной физике составлено в соответствие с программой по общему курсу физики и по физическому практикуму для студентов очного и заочного обучения инженерно-технических специальностей нефтегазовых университетов.
Скачать 2.09 Mb.
|
Контрольные вопросы
1. Трофимова Т.И. Курс физики. 2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6-5 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА Цель работы – изучение принципа действия гелий-неонового лазера, свойств лазерного излучения, определение длины волны излучения. Краткое теоретическое введение Постановка задачи Поглощение света. Спонтанное и вынужденное излучения. Согласно законам квантовой физики энергия электрона в атоме может иметь лишь определенный дискретный ряд значений: . Эти значения называются «уровнями энергии». Уровень с наименьшей энергией называется основным, другие уровни, с более высокими энергиями, – возбужденными. Схема энергетических уровней атома показана на рис. 1. При переходе электрона в атоме с одного энергетического уровня на другой атом может излучать или поглощать энергию. Эта энергия равна . (1) Между двумя энергетическими уровнями с энергиями и возможны три типа оптических процессов (рис. 2):
Дадим их краткое описание. 1. Спонтанное излучение. Пусть атом находится в одном из возбужденных состояний с энергией . Возбужденное состояние является неустойчивым, и спустя некоторое время, , атом спонтанно (самопроизвольно) перейдет в одно из состояний с меньшей энергией с излучением фотона (рис. 2, переход 1). Спонтанные переходы являются случайными процессами, поэтому момент испускания фотона, его направление, поляризация также случайны. Излучение обычных источников света, возникающее за счет актов спонтанного испускания, некогерентно, немонохроматично, ненаправленно, неполяризованно. 2. Вынужденное излучение. Этот вид излучения был теоретически предсказан А.Эйнштейном. Атом может перейти из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией не спонтанно, а под действием электромагнитного излучения (рис. 2, переход 2). Частота излучения должна удовлетворять соотношению (1). Переходы, происходящие под действием внешнего электромагнитного излучения, называются вынужденными (индуцированными). Отметим особенности вынужденного излучения. Фотон, излучаемый при вынужденном переходе, абсолютно неразличим с первичным фотоном, индуцировавшим этот переход. Оба фотона имеют одну и ту же частоту, фазу, поляризацию и направление движения. Эффект вынужденного излучения используется в оптических квантовых генераторах (лазерах). Лазерное излучение является вынужденным излучением. Оно монохроматично, когерентно, направленно и поляризованно. 3. Резонансное поглощение фотонов – это переходы под действием излучения из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией при условии (1). Этот процесс является обратным вынужденному излучению (рис. 2, переход 3). Лазеры. Квантовыми генераторами называются источники когерентного излучения, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения. Квантовые генераторы ультракоротких радиоволн называются мазерами. Квантовые генераторы, излучающие в оптическом диапазоне, называются лазерами или оптическими квантовыми генераторами. Термин «лазер» является аббревиатурой (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Рассмотрим принцип работы лазера.
1 - вынужденный переход (излучение); 2 - вынужденный переход (поглощение). Вероятности этих переходов одинаковы. Обозначим - число переходов , - число переходов . Для того чтобы получить усиление света, необходимо выполнение условия . Число атомов в состоянии с энергией называют населенностью уровня и обозначают , тогда – населенность уровня . Число переходов с энергетического уровня будет пропорционально его населенности . Рассмотрим систему, находящуюся в состоянии термодинамического равновесия. Распределение атомов по энергетическим состояниям определится законом Больцмана . Чем больше энергия уровня, тем меньше его населенность, то есть , следовательно, число переходов с излучением будет меньше числа переходов с поглощением света. Система, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия, не может усиливать электромагнитное излучение. Для получения усиления света необходимо создать такое неравновесное состояние в системе, при котором населенность верхнего энергетического уровня была бы больше населенности нижнего уровня . Такое состояние называется состоянием с инверсией населенности. Термин “инверсия” означает обращение, переворачивание. Необходимо отметить, что не любое возбуждение и не в каждом веществе может вызвать инверсию населенностей. Среду, в которой при определенных условиях может быть создана инверсия населенностей, называют лазерной (мазерной) активной средой, а соответствующий рабочий элемент – активным элементом. Уровни энергии, между которыми может быть создана инверсия населенностей, называют рабочими лазерными уровнями энергии.
- оптическая накачка, происходит за счет поглощения вспомогательного излучения (применяется в рубиновом лазере); - электрическая накачка – в высокочастотном газовом разряде (гелий-неоновый лазер); - инжекция носителей заряда в область p–n – перехода (инжекционные полупроводниковые лазеры). Практически накачка осуществляется по трехуровневой схеме, предложенной Басовым и Прохоровым (1955 г). Рассмотрим накачку на примере гелий-неонового лазера. Энергетическая диаграмма гелий-неонового лазера показана на рис.4. Активной средой в нем является плазма высокочастотного газового разряда в смеси гелия (He) и неона (Ne). Парциальные давления гелия и неона составляют, соответственно, 1мм.рт.ст и 0,1 мм.рт.ст. Атомы гелия за счет соударения с электронами переходят из основного энергетического состояния в возбужденное состояние (процесс 1). Состояние является метастабильным. Это означает, что в данном состоянии атом может находиться достаточно долго: среднее время жизни составляет . За это время возбужденные атомы He при неупругих столкновениях с атомами Ne передают им свою энергию (процесс 2). В результате создается инверсная населенность энергетического уровня атома Ne: . Переход атомов неона с уровня сопровождается вынужденным излучением (процесс 3). Лазерное излучение, проходя через активную среду, многократно усиливается.
Процесс генерации света заключается в следующем. Фотон, испущенный при переходе и движущийся параллельно оси резонатора, вызывает вынужденные переходы и рождает лавину фотонов, движущихся в том же направлении. Часть потока фотонов пройдет через полупрозрачное зеркало 2, часть отразится от него и пойдет в обратном направлении, продолжая усиливаться. Затем отразится от первого зеркала и т. д. При каждом проходе интенсивность света увеличивается, пока не будет достигнут установившийся режим. Фотоны, летящие под углом к оси резонатора, выходят из активной среды и в усилении не участвуют. Принципиальная схема лазера (рис. 6). Перечислим условия, необходимые для создания и работы оптических квантовых генераторов: 1. Необходимо рабочее вещество с инверсией населенностей (активная среда). 2. Необходима положительная обратная связь (резонатор). 3. Усиление света при прохождении через активную среду должно компенсировать потери фотонов при отражении в зеркалах. 4. Необходимо, чтобы фаза волны, возвратившейся в некоторую точку после отражения от зеркал, совпадала с фазой первичной волны, т.е. должно выполняться условие . Здесь – расстояние между зеркалами; – длина волны излучения; – целое число. Таким образом, общая схема любого лазера имеет вид, представленный на рис. 6. |
Похожие:
 | Учебное пособие по английскому языку для студентов заочного обучения экономических специальностей |  | Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения, обучающихся по направлению подготовки 43. 03. 03 Гостиничное дело.... |
| Методические указания предназначены для самостоятельного изучения предмета, выполнения контрольной работы и подготовки к экзамену... | | Методическое пособие для выполнения контрольной работы по курсу «Психология и педагогика» составлено старшим преподавателем Л. В.... |
| Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения для всех специальностей, предусматривающих... | | Учебное пособие предназначено для подготовки студентов экономико-управленческих специальностей по программе группового проектного... |
| Ч 15. English Grammar (Term I): Учебное пособие по грамматике английского языка для студентов всех специальностей очной и очно-заочной... | | Учебное пособие предназначено для студентов специальности 270105 Городское строительство и хозяйство, может быть использовано для... |
| Методические рекомендации предназначены для студентов и выпускников всех специальностей очного и заочного обучения, могут использоваться... | | Методические рекомендации предназначены для студентов и выпускников всех специальностей очного и заочного обучения, могут использоваться... |