35 вивчення раб газового лазера
Лабораторна робота №35
ВИВЧЕННЯ РОБОТИ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА
Мета роботи:ознайомитися з пристроєм та принципом дії газового лазера; визначити розбіжність лазерного променя, довжину хвилі випромінювання за допомогою дифракційних ґрат; вивчити принцип отримання голографічних зображень.
Прилади та приладдя:газовий лазер ЛГН-109, дифракційна решітка, вимірювальна лінійка, рухомий екран, оптична лава типу ФОС-67, набір голограм.
Оптичні квантові генератори (лазери) засновані на генерації та посиленні світла за рахунок вимушеного індукованого випромінювання. Індуковане випромінювання електромагнітних хвиль виникає, якщо атом під впливом фотона зовнішнього випромінювання переходить із збудженого стану в основне, випромінюючи при цьому новий фотон. Така взаємодія фотона з збудженим атомом може бути, якщо енергія hνфотона дорівнює різниці рівнів енергій атома в збудженому та основному станах. І тут після взаємодії фотона з атомом від атома поширюватимуться вже два фотони, тобто. спостерігається посилення світла. Вимушене випромінювання, що утворилося при цьому, має ту ж частоту і фазу, що і випромінювання, що стимулює цей процес.
У звичайному стані незбуджених атомів у речовині значно більше, ніж збуджених, тому при взаємодії фотонів з речовиною переважає процес поглинання та посилення світла не спостерігається.
Щоб процес вимушеного випромінювання переважав над поглинанням, необхідно змінити розподіл атомів речовини за енергетичними рівнями. Посилення світла буде в тому випадку, якщо концентрація атомів речовини на верхніх енергетичних рівнях, що відповідають збудженомустаном, більшим ніж на нижніх. Такий стан називається інверсною населеністю.
Перші квантові генератори електромагнітних хвиль були розроблені українськими вченими Н.Г. Басовим та А.М. Прохоровим, та американським фізиком Ч. Таунсом.
Генератори, які дають випромінювання в оптичному діапазоні довжин хвиль, отримали назву лазерів.
Розглянемо принцип дії та пристрій (рис.2) газового гелій-неонового лазера. Основним конструктивним елементом є газорозрядна трубка 1, заповнена сумішшю газів - гелію і неону. Парціальний тиск гелію 1мм.рт.ст., неону – 0,1мм.рт.ст., атомів неону у 10 разів менше, ніж атомів гелію. Атоми неону є випромінюючими (робочими), атоми гелію – допоміжними, необхідні створення інверсної населеності атомів неона. На рис.1 зображено енергетичні рівні атомів гелію та неону.
При електричному розряді, що виникає, в трубці збуджуються атоми гелію і переходять у стан 2. Перший збуджений рівень He(2) збігається з енергетичним рівнем 3 атомів Ne, тому, стикаючись з атомами неону, атоми гелію передають їм свою енергію і переводять їх у збуджений стан 3 . Таким чином, у трубці створюється активне середовище, що складається з атомів неону з інверсною населеністю. Спонтанний перехід атомів неону з енергетичного рівня 3 до рівня 2 викликає випромінювання фотонів. При подальшій взаємодії цих фотонів з збудженими атомами неону виникає індуковане когерентне випромінювання і трубці відбувається збільшення потоку фотонів. Для збільшення потужності випромінювання трубку поміщають у дзеркальний резонатор, що складається з двох дзеркал 5 та 6 (рис.2). Відбиваючись від дзеркал, потік фотонів, що летять уздовж осі трубки, проходить багаторазово її. При цьому процес індукованого випромінювання включаєтьсядедалі більше атомів неону, інтенсивність генерованого випромінювання зростає. Посилений потік випромінювання через дзеркало виходить 5 назовні. Газовий лазер працює у безперервному режимі випромінювання. Внаслідок того, що енергетичні рівні 2 і 3 атомів неону мають складну структуру, лазер може випромінювати до 30 різних довжин хвиль в інфрачервоному та видимому діапазонах. Дзеркала 5 і 6 резонатора роблять багатошаровими, щоб створити внаслідок інтерференції необхідний коефіцієнт відображення однієї хвилі. Таким чином, лазер дає строго монохроматичне випромінювання. Так червоним гелій-неоновим лазером випромінюється довжина хвилі 632,8 нм.
Газорозрядна трубка 1 із торців закрита плоскопаралельними скляними пластинами 4, які встановлені під кутом Брюстера до осі трубки. Таке їхнє становище призводить до плоскої поляризації променів лазера. Для створення в трубці електричного розряду в неї вмонтовані два електроди: анод 2 і катод 3, до яких підводиться високовольтна напруга (1,5-2 кВ).
Індуковане випромінювання лазера є висококогерентним, виключно монохроматичним, плоскополяризованим, гостронаправленим, енергоємним. На цих властивостях ґрунтується застосування лазерів. В даний час лазери широко використовуються в різних галузях медицини.
Вперше лазер був застосований в офтальмології для лікування відшарування сітківки. Промені лазера застосовуються і для лікування деяких початкових форм внутрішньоочних пухлин. У хірургії промінь лазера дозволяє абсолютно стерильним світловим скальпелем розсікати тканини і проводити операції майже без кровотеч, так як дрібні і середні судини спаюються. Руйнівна дія лазерного променя використовується для лікування пігментних плям, бородавок та пухлин.
Висока когерентність лазерного випромінювання дозволилаздійснити новий метод фотографування – отримання тривимірного зображення. У звичайній фотографії зображення виходить двовимірним. Тривимірне зображення було названо голограмою, а метод голографією.
Н
Після прояву фотодетектора виходить негатив, який і називається голограмою об'єкта. На голограмі фіксується інтерференційна картина, що виникає в результаті додавання двох когерентних світлових хвиль: відбитої від об'єкта (об'єктна або сигнальна хвиля) та допоміжної (опорна хвиля). За своєю суттю метод голографії є інтерференційним методом, тому його здійснення потрібні світлові хвилі з високим рівнем когерентності. При освітленні голограми когерентною світловою хвилею, тотожною опорною (зчитує хвиля), відбувається дифракція цієї хвилі на елементах зафіксованої на голограмі інтерференційної картини. В результаті такої дифракції відновлюється (стає спостерігається) зафіксоване на голограмі зображення об'єкта. Отже, отримання зображень голографічним методом двоетапним. На першому етапі з об'єкта "знімають" голограму (етап записуголограми), на другому етапі з голограми відновлюють зображення об'єкта, що спостерігається (етап зчитування голограми).
Якщо фотодетектор має товщину світлочутливого шару порівнянну з відстанню між сусідніми інтерференційними смугами, одержують звичайну двомірну, плоску голограму, якщо ж товщина шару набагато більша за відстань між смугами - отримують тривимірну (об'ємну) голограму. Відновити зображення з об'ємної голограми можна в білому світлі (сонячне світло або світло звичайної лампи розжарювання) - голограма сама "вибирає" з суцільного спектра ту довжину хвилі, яка зможе відновити записане на голограмі зображення.
Голограми знаходять застосування у медицині. Так, наприклад, на основі гелій-неонового лазера з використанням волоконної оптики розроблені гастроскопи, що дозволяють голографічно формувати об'ємне зображення внутрішньої порожнини шлунка.
Лазер (1) встановлюється на оптичній лаві на певній відстані від екрана (3) (рис.4). Поблизу вихідного вікна лазера на підставці встановлюється дифракційна решітка (2). На екрані (Е) можна спостерігати дифракційну картину (рис.5).
Довжина хвилі лазера визначається за формулою , де - період грати; k - порядок максимуму і - кут. Синус кута можна знайти з формули
Для визначення розбіжності лазерного променя, змінюючи положення екрану, вимірюють діаметри D1 і D2 лазерної плями при двох положеннях 1 і 2 екрана та відстань L (рис.6).
Порядок виконання роботи
1. Визначення довжини хвилі випромінювання газового лазера.
Встановити на оптичній лаві дифракційнуґрати перпендикулярно осі лазера.
Отримати на екрані точне зображення дифракційної картини. Домогтися, щоб на екрані було видно максимуми не менше трьох порядків.
Виміряти лінійкою відстань L(рис.5) між решіткою та екраном.
Виміряти відстань X(рис.5) між максимумами першого порядку.
За формулою (1) визначити довжину хвилі λ1випромінювання газового лазера.
Провести аналогічні вимірювання та обчислення для максимумів другого порядку та визначити λ2.
Результати вимірювань та обчислень занести до таблиці.