Лабораторна робота – 2.
ВИМІРЮВАННЯ ВИХІДНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОРОЗРЯДНОГО ГЕЛІЙ - НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА
ДЛЯ РОБОТИ ПОТРІБНІ: Не-Ne лазер на 0, 63, 1, 15 і 3, 39 мкм, вимірювач потужності випромінювання ИМО - 2, поляризатор, оптична лава, екран, лінза, набір щілин, фотоприймач з гальванометром, фотоапарат, ЕОП.
МЕТА РОБОТИ: Вивчення принципу дії та конструкції неперервного гелій - неонового лазера з накачуванням поздовжним тліючим розрядом низького тиску. Освоєння методики вимірювання енергетичних характеристик лазера.
газі.
ТЕОРЕТИЧНІ ПИТАННЯ ПРОГРАМИ, ЗНАННЯ ЯКИХ НЕОБХІДНІ ДЛЯ ВИКОНАННЯ РОБОТИ:
Механізм створення інверсної населеності в Не-Ne лазері.
Умови одержання інверсної населеності в двокомпонентному
Зв’язок потужності лазерного випромінювання з величиною
заселеності лазерних рівнів.
Будова гелій- неонового лазера і призначення основних елементів.
Основні характеристики лазерного випромінювання: потужність (енергія), направленість, монохроматичність, когерентність, поляризація, ширина лінії випромінювання.
Методи вимірювання: довжини хвилі генерації, величини потужності лазерної генерації, ККД і когерентності випромінювання.
КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ І ОПИС СТЕНДУ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ВИХІДНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОРОЗРЯДНОГО ГЕЛІЙ - НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА
В даній лабораторній роботі вивчається універсальний гелій- неоновий лазер, який генерує на трьох довжинах хвиль. Перемикання
ген здійснюється з допомогою револьверної головки, на якій закріплені
три різні діелектричні дзеркала з високими коефіцієнтами відбивання на
0,63 мкм, 1,15 мкм і 3,39 мкм відповідно.
Газорозрядна трубка наповнена сумішами газів гелію і неону при тисках:
PHe 1, 33 Па,
PNe 0, 133 Па.
Газовий розряд збуджується джерелом постійної напруги 2-3 кВ при струмах 20-100 мА.
Конструкція і паспортні дані описані в технічній інструкції до лазера.
А).ВимірюванняпотужностігенераціїНе-Neлазера.
У видимому і ІЧ-діапазоні спектру поширеним приладом для вимірювання середньої потужності і енергії лазерного випромінювання є ИМО-2. Приймачем лазерного випромінювання є термобатарея, яка видає еквівалентне значення термоерс і вимірюється блоком реєстрації. Функціональна схема приладу приведена на рис.2.1. Вимірювальна головка складається з двох термоелектричних
Рис.2.1. Функціональна схема ИМО-2: 1 – трансформатор, 2 – калібратор, 3 – підсилювач постійного струму, 4 – подільник, 5 – вимірювальна головка.
секцій - робочої і компенсаційної, які розміщені в конусних приймачах масивного термостату. До блоку реєстрації входить підсилювач постійного струму із вимірним приладом М2027 (Р1), перемикач S1-2, подільник і калібратор. Вимірний прилад відградуйований в одиницях потужності Вт або енергії Дж. Перемикач служить для вибору режиму роботи і меж вимірювання. На передній панелі є ручка точного виставлення нуля приладу Р1, а на задній - резистор грубого установлення нуля.
Процес вимірювання полягає у відліку показів приладу Р1 при попаданні лазерного випромінювання у вимірну головку.
Для вимірювання середньої потужності лазерного випромінювання 1-100 Вт використовується обтюраторний ослаблювач. Величина коефіцієнту послаблення визначається числом секторних вікон і величиною кута сектора. Змінні диски забезпечують додаткові межі вимірювання середньої потужності лазерного випромінювання 3, 10, 30 і 100 Вт.
З допомогою ИМО-2 вимірюється середня потужність випромінювання неперервних і імпульсних лазерів з частотою не менше 5Гц при максимальній густині потужності не більше 3 Вт/см2 і густині енергії не більше 20 Дж/см2 з тривалістю не менше 0,1нс. Робочий діапазон вимірювань з ослаблювачем
середня потужність, Вт 310-4...100
енергія, Дж 310-3...10
діаметр пучка, мм 4 12
діапазон довжин хвиль, мкм 0,4… 10,6.
Б).Вимірюваннякоефіціентакорисноїдіїлазера.
Коефіцієнт корисної дії лазера:
= Рген Рген, (2.1)
Рел І U
де Рген -потужність генерації лазера, Рел- = І·U електрична потужність, яка вкладається в активне середовище, І, U- електричний струм і напруга відповідно.
Б).Вимірюваннякогенентностігелій-неоновоголазера.
Лазерне випромінювання є когерентним. Це є найбільш важлива характеристика лазера. Розрізняють часову і просторову когерентність.
Часова когерентність характеризує властивість світлових хвиль інтерферувати між собою в різні моменти часу. Її можна описати інтервалом часу (час когерентності) або довжиною когерентностіl=ct, в межах яких випромінювання зберігає когерентні властивості. Теоретично показано, що часова когерентність зв’язана з шириною спектральної смуги випромінювання:
t1
c
2
c
2
, (2.2)
𝑙 , (2.3)
Для звичайних гелій- неонових лазерів в багатомодовому режимі
l=20 см, для спеціальних (типу ЛГ - 36А)- t10-8 c, а l3м. В одномодовому режимі довжина когерентності може досягти десятки метрів.
Часова когерентність визначає монохроматичність випромінювання і може досліджуватись приладами високої роздільної здатності.
Просторова когерентність характеризує кореляцію фаз світлових хвиль з різних точок простору в один і той же момент часу. З просторовою когерентністю тісно пов’язана висока направленість випромінювання. У лазерів з багатьма повздовжніми модами просторова когерентність погіршена. Ще слід зауважити, що випромінювання з низькою просторовою когерентністю неможливо сфокусувати до розмірів порядка .
Значення параметрів когерентності для різних лазерів має практичне значення, наприклад, при голографуванні час експозиції повинен узгоджуватись з часом когерентності, а розміри об’єкту - з довжиною когерентності.
В даній лабораторній роботі пропонується провести дослідження просторової когерентності гелій-неонового лазера, методом реєстрації інтерференційної картини від двох щілин. Схема досліду показана на рис.2.2.
Рис.2.2 Схема досліду Юнга для визначення просторової когерентності випромінювання лазера і розподіл інтенсивності випромінювання вздовж інтерференційної картини: Щ – набір щілин, Е – екран, l- відстань від щілин до екрану (фотопластинки), h- відстань виміряна на фотопластинці від центру інтерференційної картини до максимуму інтерфереційної смуги, d- відстань між щілинами, b- ширина щілини.
Ставлячи на шляху лазерного променя дві щілини, необхідно одержати інтерференційну картину. Якщо сфотографувати цю картину і профотометрувати, то можна визначити контраст видимості смуг К:
К Imax Imin
Imax Imin
(2.4)
Інтерференція двох плоских хвиль з однаковими амплітудами, які поширюються від двох щілин, на віддаленому екрані дає такий розподіл інтенсивності:
sin 2
I I0
cos 2 , (2.5)
де bsin , dsin , arctgh.
l
Такий розподіл інтенсивності графічно показано на рис.2.2.
ЗАВДАННЯ ТА ХІД ВИКОНАННЯ РОБОТИ.
Збудити лазерну генерацію на 0,63 мкм і якісно оптимізувати вихідну потужність випромінювання.
Виміряти потужність лазерного випромінювання і залежність її від величини розрядного струму для 0,63; 1,15 і 3,39 мкм. Побудувати графіки.
Визначити коефіцієнти корисної дії лазера на 0,63; 1,15 і
3,39 мкм.
Дослідити просторову когерентність лазерного випромінювання від двох щілин.
ЗАВДАННЯ ТА ХІД ВИКОНАННЯ РОБОТИ.
Включити лазер ЛГ-108 і перевірити наявність лазерної генерації на
0,63 мам.
Включити прилад ИМО-2 і вивести його на стабільний режим роботи.
Виміряти і порівняти потужність випромінювання на трьох довжинах хвиль генерації.
Виміряти залежність потужності генерації від величини розрядного струму для: а) 0,63 мкм, б) 1,15 мкм, в) 3,39 мкм. Побудувати графіки.
Визначити діапазон лазерної генерації. Дати пояснення різної величини потужності випромінювання і оптимальних умов генерації.
Розрахувати коефіцієнт корисної дії лазера на різних довжинах хвиль. Порівняти експериментальні дані з теоретичними.
Зібрати схему згідно рис. 2. Перевірити область лінійності реєструючого пристрою. Визначити Imax i Imin. Розрахувати ступінь поляризації випромінювання. Визначити залежність інтенсивності
випромінювання, яке пройшло через аналізатор, від кута повороту аналізатора. Побудувати графік цієї залежності і визначити азимут.
Зібрати схему для досліду Юнга (рис. 3). Самостійно виготовити набір двох щілин з різними діаметрами і різними відстанями між ними. Добитися інтерференційної картини, що доказує когерентність лазерного променя. Сфотографувати (замалювати) інтерференційну картину. Визнчити величину просторової когерентності.
Контрольні запитання.
Основні характеристики випромінювання He-Ne лазера: потужність, монохроматичність, когерентність, направленність. Методи їх визначення.
Укажіть звязок когерентності з шириною спектральної смуги.
Механізм утворення інверсної населенності в He-Ne лазері.
ЛІТЕРАТУРА
Н.В. Карлов. Лекции по квантовой электронике. - М.: Наука, 1988.-336 с.
Справочник по лазерам. /Под ред. А.М. Прохорова. Т.1. - М.: Сов. радио, 1978.-504 с.
О.М. Малінін, М.М. Повч, Л.Л., Шимон Квантова електроніка. Лабораторний практикум. Навчальний посібник. Ужгород. УжНУ. 2007. 196 с.
Технічні описи приладів ЛГ-108, ИМО-2].