Введение. Целью работы является изучение лазера, рабочим веществом которого является смесь газов: гелия и неона.

Изучение He-Ne лазера

Целью работы является изучение лазера, рабочим веществом которого является смесь газов: гелия и неона.

Введение

Для создания инверсной населенности в газах обычно используют возбуждение атомов электронным ударом в газовом разряде. Электроны и ионы газоразрядной плазмы ускоряются полем разряда, приобретая кинетическую энергию. При взаимодействии электронов и ионов с атомами газа и между собой происходит перераспределение энергии. Обмен энергиями между ионами и атомами протекает интенсивно (так как их массы равны), поэтому средняя кинетическая энергия ионов практически равна средней энергии атомов. В газовом разряде низкого давления (несколько миллиметров ртутного столба) при упругих соударениях электронов с атомами и ионами газа обмен энергиями между ними практически не происходит (так как масса электрона значительно меньше массы атома). Поэтому в стационарном разряде между электронами (вследствие взаимодействия между ними) быстро устанавливается (квази)равновесное распределение, характеризуемое некоторой средней энергией, назовём её температурой Т_е.

При этом средняя энергия электронов оказывается существенно больше средней энергии атомов (Т_е» Т_а).

Составим уравнение баланса энергии для электронов, считая, что проводимость плазмы обусловлена, в основном, движением электронов (из-за того, что М» /и, скоростью ионов пренебрегаем по сравнению со скоростью электронов). Тогда джоулево тепло, вы деляемое в электронном газе, уравновешивается передачей энергии от электронов ионам и атомам при упругих столкновениях

Здесь e- напряженность электрического поля, s = п е² t /т -

проводимость плазмы, п - плотность электронов, t = l/v - время между двумя соударениями электрона с атомом, v - средняя скорость электронов, l = 1/ N s_ea - длина свободного пробега электрона,

s_ea - сечение рассеяния электрона на атоме, N - плотность атомов. Множитель т /М (т - масса электрона, М - масса атома) отражает тот факт, что при упругом соударении электрон передает лишь долю ~ т /М своей энергии. Из (51) получаем оценку для температуры электронов в плазме:

При величинах полей, реализующихся в положительных столбах разрядов низкого давления, температуры электронов, определяемых из (52), могут достигать значительных величин (~100 эВ). В действительности, однако, этого не происходит, поскольку по достижении электронами энергий порядка энергий возбуждения уровней атомов, они начинают сталкиваться неупруго, теряя при каждом соударении порцию энергии, равную энергии возбуждения уровня при его ионизации. Из-за неупругих соударений энергия электронов не может заметно превысить порог возбуждения атомов. Поэтому оценка электронной температуры (52), не учитывающая неупругие соударения, является завышенной. Однако именно высокие Т_е в (52) являются предпосылкой того, что значительное количество электронов сможет приобретать в газовом разряде энергию, необходимую для возбуждения атомов. Поэтому в разряде найдется достаточное количество электронов, которые будут испытывать с атомами неупругие соударения - возбуждать и даже ионизировать атомы.

Если в разряде присутствует смесь двух газов, то при соударении двух различных атомов может происходить обмен энергией возбуждения, если при этом атомы обладают близко расположенными энергетическими уровнями. В этом случае практически вся энергия возбуждения первого атома переходит в энергию возбуждения второго, и лишь малая ее часть переходит в кинетическую энергию сталкивающихся частиц. При этом ранее возбужденный атом в результате такого соударения безызлучательно переходит в основное состояние. Особый интерес представляет случай, когда обмен энергией происходит между атомом, находящимся в метастабильном состоянии, и невозбужденным атомом. В этом случае существует возможность передачи энергии возбуждения с сильно населенного метастабильного уровня атомов одного газа атомам другого газа, что может привести к созданию инверсной населенности их уровней. Таким образом, возбуждение атомов газа в электрическом разряде вызывается двумя основными причинами: а) электрон – атомными столкновениями и б) резонансной передачей энергии в газовой смеси, состоящей более чем из одного компонента. В газовом разряде возбужденный атом может перейти в более низкое энергетическое состояние (включая основное) в результате следующих процессов:

а) при столкновении возбужденного атома с электроном, в процессе которого возбужденный атом отдает свою энергию электрону;

б) при атом-атомных столкновениях в газовой смеси, состоящей из двух и более компонентов;

в) при столкновении возбужденного атома со стенками газоразрядной трубки;

г) спонтанного излучения.

Большинство лазеров имеют конструкцию, схема которой представлена на рис.1. Оба выходных окна 2 разрядной трубки 1 расположены под углом Брюстера (угол a), при котором луч лазера, поляризованный в плоскости рисунка, не испытывает потерь на отражение от окна.

Рис. 1. Схема устройства газового лазера: 1 - газоразрядная трубка; 2 - брюстеровские окна; 3 - электроды; 4 - зеркала резонатора.

Типичным представителем газовых лазеров на нейтральных атомах, в которых инверсная населенность обеспечивается резонансной передачей энергии, является гелий-неоновый (Не — Ne) лазер.

В этом лазере активными частицами являются атомы неона, между уровнями которого осуществляется инверсия, а атомы гелия служат для создания эффективной накачки верхнего лазерного уровня атомов неона. Этот лазер получил широкое распространение в технике и лабораторной практике. На рис.2 приведена диаграмма низших энергетических уровней атомов гелия и неона. Уровни ls2s³S₁ и ls2s¹S₀ гелия - метастабильны, прямой радиационный переход в основное состояние 1s^{2 1}S₀ запрещен. Основное состояние атома неона соответствует электронной конфигурации 1s²2s²2p⁶ и имеет терм ¹S₀. Выше (на 16, 7 эВ) основного состояния расположены четыре подуровня, соответствующие электронной конфигурации 2s²2p⁵3s. Далее расположена группа из 10 подуровней, соответствующая электронной конфигурации 2s²2p⁵3p. и т.д. (см.рис.2; на нем не указаны подуровни.

Рис. 2. Схема нижних энергетических уровней Не и Ne (уровни Ne 2р⁵4р и 2p⁵3d не показаны).

соответствующие электронным конфигурациям 2s²2р⁵4р и 2s²2p⁵3d). При столкновении атомов гелия, находящихся в метастабильных состояниях ls2s³S₁ и ls2s¹S₀ с атомами неона, находящимися в основном состоянии, возможна передача энергии возбуждения атому неона. При этом, поскольку вероятность обмена энергией возбуждения между атомами тем больше, чем ближе друг к другу расположены их уровни, атом неона перейдет на один из уровней, принадлежащих конфигурациям 2р⁵4s или 2p⁵5s, а атом гелия вернется в основное состояние.

Процесс резонансной передачи энергии особенно эффективен, если разница энергий DЕ уровней, между которыми происходит переход, не превышает энергию теплового движения частиц газа, то есть, если DЕ £ кТ.

Процесс резонансной передачи энергии возбужденного атома гелия невозбужденному атому неона будет протекать по схеме (см.рис.2).

Таким образом, уровни 2s²2р⁵4s и 2s²2p⁵5s неона будут заселяться не только за счет электронных ударов, но, главным образом, за счет столкновений атомов неона с возбужденными атомами гелия. Число соударений, при которых происходит процесс резонансной передачи энергии, пропорционально концентрации сталкивающихся частиц в исходных состояниях, то есть скорость заселения верхних лазерных уровней неона пропорциональна концентрации невозбужденных атомов неона и заселенности метастабильных состояний

ls2s¹S₀ и ls2s³S₁ атомов гелия. Большое время жизни атомов гелия в этих состояниях обуславливает высокую заселенность этих состояний и, в конечном итоге, достаточно высокую скорость заселения верхних лазерных уровней неона 2s²2р⁵4s и 2s²2p⁵5s за счет резонансной передачи энергии. Этот процесс является доминирующим в создании инверсной населенности в гелий-неоновом лазере, хотя и прямые столкновения электронов с атомами неона также участвуют в накачке. Таким образом, верхние лазерные уровни неона (2s²2р⁵4s и 2s²2p⁵5s) эффективно заселяются. Этому способствует также то обстоятельство, что время жизни этих уровней неона

(~10^-7с) на порядок больше времени жизни 2р⁵3р уровней (10^-8с). В согласии с правилами отбора, с системы верхних уровней (2р⁵4s и 2p⁵5s) могут переходить на нижние 2р⁵Зр уровни, а затем с большой вероятностью (поскольку 2р⁵3р уровни короткоживущие) радиационно переходить на более низкие 2р⁵3s уровни. Все это и обеспечивает выполнение условия инверсной населенности.

Описанный механизм заселения уровней неона обеспечивает получение инверсной населенности между парами подуровней 2р⁵5s —> 2р⁵3р (излучение с длиной волны l ₁= 6328 А) и 2р⁵4s —> 2р⁵3р (l ₂ = 11523 А), допуская возможность генерации на двух переходах. Поскольку возбужденные уровни неона являются сложными мультиплетами, то генерация возможна на многих переходах между компонентами упомянутых мультиплетов. Таким образом, лазер на смеси гелия и неона работает по четырехуровневой энергетической схеме, что дает возможность осуществления стационарной генерации излучения. В режиме стационарной генерации инверсная населенность равна пороговой DN_пор, определяемой по формуле

где DN_пор = N₂ - N₁: N₂ и N₁ - заселенности верхнего и нижнего лазерного уровней, соответственно; L - длина активного элемента; s - сечение фотопоглощения; R - эффективный коэффициент отражения зеркал резонатора; к - коэффициент поглощения в веществе, не связанный с переходом 2 —> 1. Из (55) следует, что для того, чтобы при данных условиях эксперимента (разряда, длины трубки) имела место генерация на переходе 2 —> 1, необходимо, чтобы инверсная населенность превышала пороговую (55), зависящую от R. Таким образом, применяя зеркала с различными диэлектрическими покрытиями (различными R), можно на одной и той же трубке со смесью гелия и неона наблюдать генерацию на различных длинах волн. Зеркала резонатора могут быть либо плоскими (как в интерферометре Фабри-Перо), либо сферическими, с радиусом кривизны, значительно превышающим длину резонатора, либо комбинацией того и другого. Для газовых лазеров часто используют сферические зеркала. Они имеют некоторые преимущества, в основном связанные с более простой их юстировкой по сравнению с плоскими. При юстировке зеркала выставляются соосно. что увеличивает эффективный коэффициент отражения зеркал и, следовательно, уменьшает пороговую инверсию.

Выше отмечали, что в гелий - неоновом лазере протекает ряд сложных процессов возбуждения и релаксации (переходы возбужденных атомов на более низкие энергетические уровни). В силу этого гелий - неоновый лазер эффективно работает только при вполне определенных условиях - внутреннем диаметре газоразрядной трубки (» 2 мм), плотности тока разряда, давления неона (Р_Ne» 0, 1 мм рт. ст.) и отношении давления гелия к давлению неона (Р_HeI Р_Ne »5 - 10). Требование оптимального внутреннего диаметра газоразрядной трубки возникает из-за того, что нижние 2р⁵3s состояния атома неона метастабильны; из этих состояний атом неона может перейти в основное 2р^{6 1}S₀ состояние только при столкновении со стенкой трубки, на которую он попадает в результате диффузии. При увеличении диаметра трубки растет время диффузии (уменьшается вероятность распада 2р⁵3s уровня), что может привести к резкому увеличению населенности 2p⁵3s уровней и, следовательно, к росту населенности (вследствие радиационного захвата излучения 2р⁵3s —> 2р⁵Зр) нижних рабочих лазерных уровней 2р⁵Зр. Это, в свою очередь, может привести к уменьшению инверсной населенности.

При очень маленьких диаметрах трубки возникают значительные потери из-за дифракции и существенно усложняется процедура юстировки лазера. Необходимость в оптимальной плотности тока разряда связана с тем, что при больших плотностях тока уменьшается инверсная населенность из-за того, что начинают сказываться процессы ступенчатого возбуждения

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Упражнение 1. Определение расходимости лазерного луча.

Схема эксперимента по определению расходимости лазерного луча ясна из рис.3. Между плоским зеркалом 4 и диафрагмой 2 устанавливается рейтер с зеркальцем 9. Отраженный от него лазерный луч направляется на другое зеркало, прикрепленное к стене комнаты, и, отразившись от него, попадает на наклонный экран 10, помешенный на столе. Измерив диаметр пятна на экране d, определяют угол расходимости по формуле

где L_жраи - полное расстояние, пройденное лучом от выходного зеркала лазера до экрана (L_экран = 500 см).

ЗАДАНИЕ

1. Оценить расходимость лазерного пучка по результатам измерений.

2. Сравнить полученный результат с дифракционной расходимостью (см. общее " Введение"), (диаметр трубки 3 указан в паспорте задачи).

Упражнение 2. Поляризация лазерного луча.

На оптическую скамью на пути луча перед модулятором устанавливается поляроид. Измеряя на стрелочном приборе амплитуду сигнала, снять зависимость интенсивности лазерного излучения от угла поворота поляроида. Построить зависимость от угла поворота поляроида (обратите внимание на расположение брюстеровских окон).

Контрольные вопросы

1. Каков механизм образования инверсной населённости в Не – Ne лазере?

2. Что такое сечение реакции, константа скорости реакции?

3. Каковы механизмы заселения и разрушения метастабильных атомов гелия в разряде?

4. Чему равно время термализации электронов в гелии при давлении Р_He = 10 Тор?

5. Что такое рекомбинационный механизм заселения уровней атомов?

6. Что такое разрешающая способность монохроматора?