Описание установки

В настоящей работе используется газоразрядный оптический генератор ЛГ-126. Конструктивно лазер выполнен в виде двух блоков: источника питания и излучателя. Для возбуждения тлеющего разряда постоянного тока к электродам газоразрядной трубки подается напряжение 2, 0 кВ. Катод является подогревным, так как он подвергается меньшей бомбардировке положительными ионами, и поэтому газовая смесь в меньшей степени загрязняется частицами материала катода.

Основными элементами излучателя являются газоразрядная трубка 1 (рис. 3.3) с двумя электродами: анодом А и подогревным катодом К, подключенными к источнику питания ИП. Трубка помещена в оптический резонатор, образованный зеркалами 2.

Рис. 3.3. Схема гелий-неонового лазера с внешними зеркалами

Стеклянная газоразрядная трубка с торцов закрывается плоскими окнами 3, наклоненными под углом Брюстера к оси трубки. Такое расположение окон обеспечивает наименьшие потери на торцах и высокую степень поляризации, близкую к 100 %. Наибольшее усиление имеет место для волны, поляризованной в плоскости, проходящей через ось резонатора и нормаль к плоскости окон (плоскость чертежа).

Резонатор лазера – полуконфокальный. Он образован плоской и сферической пластинами, изготовленными из оптического стекла, на которые нанесены многослойные диэлектрические покрытия. При такой конструкции резонатора требования к точности юстировки сравнительно невысоки (1...3′), в то время как для резонатора, образованного плоскими зеркалами, отклонение от параллельности зеркал в пределах 3...5″ приводит к срыву генерации.

Схема установки для исследования характеристик излучения газового лазера представлена на рис. 3.4. Луч лазера 1 через стеклянную пластину 2 и анализатор 3 (поляроид) попадает на приемник излучения 4 или при выведенном приемнике с помощью зеркал 5 и 6 проецируется на экран 7, предназначенный для визуального наблюдения модовой структуры колебаний или интерференционной картины излучения. Поляроид 3 служит для исследования поляризации излучения, и для некоторых измерений его можно убрать или повернуть на угол, соответствующий максимальному пропусканию (максимальной интенсивности) света.

Рис. 3.4. Схема установки для исследования характеристик газового лазера

Система регистрации излучения состоит из неселективного приемника 4, в качестве которого используется термоэлемент, и гальванометра 8 типа М-193. Термоэлемент имеет две приемные площадки (зачерненные квадраты), одна из которых служит для регистрации исследуемого излучения, вторая – для компенсации теплового фона и рассеянного света. Чувствительность регистрирующей системы указана на установке.

3.3. Проведение измерений

1. Включить блок питания ЛГ-126 в сеть. Дождаться появления излучения, после чего установить ток накачки 26 мА и поддерживать это значение при всех измерениях, кроме п. 5.

2. Снять картины излучения лазера. Фотоприемник 4 вывести из лазерного луча (стрелки на рис. 3.4), поляроид 3 убрать или настроить на макси­мальную яркость, поворотом зеркал 5 и 6 добиться появления луча на экране 7. Зарисовать картины излучения при двух-трех значениях тока накачки.

3. Определить угол расходимости лазерного излучения, для чего при тех же значениях тока, что и в п. 2, определить диаметр освещенных пятен на зеркале 5 и на экране 7, находящемся на расстоянии d от зеркала.

4. Исследовать когерентность излучения лазера. После зеркала 6 установить на пути луча пластинку с двумя щелями. Из интерференционной картины на экране 7 рассчитать расстояние между соседними максимумами (или минимумами) δ. Для более точного определения δ измеряют расстояние Δ между n полосами. При этом δ = Δ / n.

5. Снять зависимость выходной мощности излучения от мощности накачки. Направить луч на приемник излучения 4. Добиться, чтобы лазерное излучение полностью попадало на одну из приемных площадок термоэлемента. Снять зависимость выходной мощности от тока через 1 мА от минимального его значения до значения тока, при котором наблюдается срыв генерации. Термоэлемент обладает большой инерционностью, поэтому интервал между измерениями должен составлять не менее 15 с.

6. Исследовать поляризацию излучения лазера. Установить ток, соответствующий максимальной выходной мощности. У выходного окна лазера установить анализатор 3. Изменяя угол поворота анализатора от 0 до 180° через 10°, записать показания гальванометра.

7. Исследовать зависимость оптического пропускания плоскопараллельной пластины от угла падения света для различных поляризаций излучения. Установить на пути лазерного луча плоскопараллельную пластину 2. Вращая пластину вокруг горизонтальной оси, с помощью гальванометра 8 снять зависимость пропускания от угла падения луча через 10° в пределах 10...90°. Исследовать зависимость пропускания пластины от угла падения для другой поляризации излучения. Для этого развернуть излучатель лазера вокруг его оси на 90°.

3.4. Обработка результатов и содержание отчета

В отчете должны быть представлены:

1. Цель работы и краткое описание установки.

2. Экспериментальные зависимости в виде таблиц и графиков: а) мощности излучения от тока накачки; б) мощности излучения от угла поворота анализатора; в) коэффициента пропускания плоскопараллельной пластины от угла падения света для двух поляризаций излучения.

3. Картины излучения и расчет угла расходимости лазерного пучка по формуле (3.5), а также сравнение результата расчета с экспериментальным значением.

4. Сравнение результатов опыта по интерференции с данными расчета по формуле (3.6).

5. Определение угла Брюстера и показателя преломления плоско­параллельной пластины.

6. Расчет по данным эксперимента коэффициента полезного действия гелий-неонового лазера для максимальной мощности излучения. При расчете мощности накачки значение тока через лазер определить по показаниям миллиамперметра, значение напряжения принять равным указанному на передней панели источника питания.

7. Расчет по формуле Планка температуры абсолютно черного тела с той же спектральной плотностью излучения, что и исследуемый прибор (при расчете учесть угол расходимости лазера, ширину спектральной линии излучения принять равной 0, 002 нм).

3.5. Контрольные вопросы

1. Назвать основные особенности газовых лазеров.

2. Дать описание методов накачки, которые можно использовать в газовых лазерах.

3. Пояснить принцип работы лазера на смеси газов гелия и неона, исходя из энергетической диаграммы. Каковы функции вспомогательного и рабочего газа?

4. Перечислить основные виды потерь энергии накачки гелий-неонового лазера, назвать причины, определяющие низкий коэффициент полезного действия прибора.

5. Рассказать о конструкции гелий-неонового лазера. Зачем в лазере используются зеркала?

6. Дать описание экспериментальной установки и пояснить назначение ее отдельных элементов.

7. Пояснить зависимость выходной мощности излучения от параметров газового разряда и элементов конструкций.

8. Почему при изменении уровня возбуждения гелий-неонового лазера изменяется структура излучения и как это влияет на его диаграмму направленности?

9. Пояснить эксперимент по исследованию когерентности лазера с помощью интерференционной картины.

10. Пояснить зависимость коэффициента пропускания плоскопараллельной пластины от угла падения и поляризации света.