Лазаренко А.Г., Муссил В.В., Лемешевская Е.Т. Методические указания к лабораторным работам по курсу Квантовая радиофизика и нелинейная оптика - файл n1.doc

Лазаренко А.Г., Муссил В.В., Лемешевская Е.Т. Методические указания к лабораторным работам по курсу Квантовая радиофизика и нелинейная оптика
скачать (1002 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1002kb.06.11.2012 18:00скачать

n1.doc

  1   2   3   4


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и науки УКРАИНЫ

Методические указания


к лабораторным работам по курсу
Квантовая радиофизика и нелинейная оптика


для студентов специальности 8. 070201

«Радиофизика и электроника»
Утверждено

редакционно–издательским советом университета

протокол № 2 от 21.06. 2007
ХАРЬКОВ НТУ «ХПИ» 2007
методические указания к лабораторным работам по курсу «Квантовая радиофизика и нелинейная оптика» для студентов специальности 8.070201 «Радиофизика и электроника»/ Сост.: А.Г.Лазаренко, В.В.Муссил, Е.Т.Лемешевская и др. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2007. – 44 с.
Составители: Лазаренко А.Г.

Муссил В.В.

Лемешевская Е.Т.

Устенко Э.П.

Сук А.Ф.

Пилипенко В.В.

Галуза Г.Е.

Ушаков В.В.


Рецензент доц. Ю.И. Подъячий
Кафедра общей и экспериментальной физики

предисловие

Данные методические указания включают в себя работы, являющиеся составной частью специального курса по физике для студентов ап факультета нту «хпи» под названием «квантовая радиофизика и нелинейная оптика» (специальность «Радиофизика и электроника»).

Дисциплина «квантовая радиофизика и нелинейная оптика» является одной из профильных для своей специальности и служит непосредственным продолжением и развитием дисциплины «радиофизика». Она должна обеспечить теоретическую и инженерную подготовку специалиста по внедрению самых современных достижений квантовой электроники и лазерной техники в системы технической и медицинской диагностики, обработки материалов и информации, различных измерений и пр. Предметом дисциплины является изучение физических основ работы лазеров, их типов и режимов работы, уникальных свойств лазерного излучения и особенностей его взаимодействия с нелинейными средами.

Практикум содержит лабораторные работы двух видов.

Работы 1 – 3 посвящены экспериментальному исследованию основных свойств различных типов лазеров и измерению основных характеристик их излучения. К ним примыкает работа 6, посвященная измерению ширины линии лазерного излучения с помощью интерферометрических измерений, заодно знакомящая студентов с основами голографии.

В работах 4 – 5 рассматриваются нелинейно-оптические эффекты – пассивная модуляция добротности с использованием насыщающегося поглощения и генерация второй гармоники (4) и тепловая дефокусировка лазерного излучения в поглощающей среде (5).

Лабораторный практикум подготовлен преподавателями кафедры общей и экспериментальной физики и реализован на ее оборудовании. В отличие от работ физического практикума, основной методический акцент сделан не только на исследовании физических законов и эффектов, но и на устройстве и работе конкретных приборов и измерительных комплексов, а также их применении в радиофизических системах, использующих лазерное излучение.

Описания работ подготовлены коллективом авторов. Работу 1 подготовили – В.В.Ушаков, В.В.Муссил, Е.Т.Лемешевская; работу 2 – Э.П.Устенко, А.Г.Лазаренко, работу 3 – А.Г.Лазаренко, В.В.Муссил, А.Ф.Сук; Работу 4 – А.Г.Лазаренко; работу 5 – В.В.Муссил, Е.Т.Лемешевская, В.В.Пилипенко; работу 6 – А.Г.Лазаренко, Г.Е.Галуза. Приложение составлено а.г.лазаренко и а.ф.Суком. Компьютерные макеты описаний работ созданы авторами.

Общую редакцию текстов работ и доработку макетов их описаний выполнил а.г.лазаренко. Компоновка, оформление и создание оригинал-макета всего издания произведены е.т.лемешевской.

лабораторная работа №1

Исследование индуцированного и спонтанного излучения гелий-неонового лазера

Цель работы – изучение принципа действия лазера и спектра излучения его активной среды в сопоставлении со спектром излучения неоновой лампы; определение степени поляризации вынужденного излучения лазера.

Общие сведения

В обычных источниках света (лампы накаливания, газоразрядные трубки и т.д.) атомы излучают свет спонтанно, независимо друг от друга, а, следовательно, не когерентно.

В оптических квантовых генераторах (лазерах) доминирующей является компонента излучения, представляющая собой почти монохроматическую плоскую волну. Благодаря этому лазеры нашли широкое применение в различных областях науки и техники – голографии, интерферометрии, передаче информации и т.д.

Принцип действия лазера основан на явлении индуцированного (вынужденного) излучения, которое поясняет рис.1.

Пусть W1 и W2 – два из всех дозволенных значений энергии атома (W2 > W1).

Атом может перейти из энергетического состояния W2 в состояние самопроизвольно с излучением света частоты

. (1)

Такое излучение называется спонтанным. Типичное время жизни атома в возбужденном состоянии   10-8 с. Если же атом находится в электромагнитном поле с частотой , то, помимо спонтанных переходов, возможны и равновероятны переходы как с нижележащего уровня W1 на W2, так и с уровня W2 на W1. Первые переходы сопровождаются поглощением света, вторые – излучением света, которое называют индуцированным (вынужденным). С квантовой точки зрения индуцированное излучение есть результат взаимодействия фотона с энергией  = W2 W1 и атома, при этом падающий фотон «сваливает» электрон в атоме с уровня W2 на W1, и в результате получается два тождественных фотона, сонаправленных и синфазных падающему.

При обычных условиях интенсивность света Io в результате его прохождения через некоторую среду уменьшается в соответствии с законом Бугера-Ламбэрта

(2)

где к – линейный коэффициент поглощения, х – расстояние, пройденное светом в среде. Явление индуцированного излучения открывает возможность для усиления световой волны при некоторых специфических условиях среды.

Пусть N2 и N1 – количество атомов на уровнях W2 и W1, соответственно. В том случае, когда среда находится в термодинамическом равновесии, на верхнем уровне W2 находится меньше атомов, чем на нижнем W1 (закон Больцмана), т.е. N2 < N1. Однако можно искусственно получить термодинамически неравновесную среду, для которой выполняется обратное соотношение: N2 > N1. Такая среда называется активной или средой с инверсной заселенностью по отношению к энергетическим уровням W1 и W2. При прохождении через такую среду плоской световой волны с частотой конкурируют процессы поглощения света и индуцированного излучения, однако, превалирует второй процесс, в результате чего амплитуда волны возрастает, а частота, фаза и поляризация остаются неизменными. В корпускулярном аспекте последнее означает, что в световом пучке увеличивается постепенно число фотонов с энергией . Интенсивность прошедшего через активную среду света увеличивается по закону

, (3)

где I0 – начальная интенсивность, x – толщина активной среды,  - коэффициент усиления ( > 0).

Достигаемое усиление I = I – I0 определяется, в первую очередь, отношением N2/N1 и протяженностью x активной среды.

Квантовый усилитель света можно преобразовать в квантовый генератор, используя известный в радиотехнике принцип положительной обратной связи: часть усиленного сигнала I возвратить обратно на вход усилителя, где он снова усилится и т.д. Если усиление I, достигаемое с помощью обратной связи, превзойдет потери в усилителе, то усилитель «самовозбудится» и начнет генерировать колебания независимо от наличия входного сигнала.

Устройство, реализующее положительную обратную связь в лазере, представляет собой два зеркала: сплошное – 1 и полупрозрачное – 2, установленные за пределами активной среды 3 (рис.2).

Фотон, возникший в результате спонтанного или индуцированного перехода атома W2W1, движется параллельно оси трубки лазера и порождает лавину фотонов (за счет индуцированных переходов), движущихся в том же направлении. Часть этой лавины пройдет через полупрозрачное зеркало 2 наружу, а часть отразится вновь в активную среду, вызывая новые индуцированные переходы атомов. Когда возросшая лавина фотонов отразится от сплошного зеркала, усиленный поток фотонов вновь будет двигаться, как и первоначальный фотон. Интенсивность света, покидающего лазер, будет нарастать вплоть до установления стационарного режима, когда усиление в резонаторе 1 – 2 уравняется с потерями света. Для поддержания инверсного состояния среды 3 необходимо устройство 4, так называемый блок «накачки».


Схематически устройство гелий-неонового лазера показано на рис.3.

Активным элементом является газоразрядная трубка 1, наполненная смесью гелия и неона. На концах трубки установлены под углом Брюстера к ее оси плоскопараллельные кварцевые пластинки 2 и 3. Они позволяют получить поляризованное индуцированное излучение с электрическим вектором, параллельным плоскости падения. Трубка 1 размещена между зеркалами 4 и 5, из которых второе является полупрозрачным. Между катодом 6 и анодом 7 трубки прикладывается напряжение  1 кВ блока накачки.

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом, создающим индуцированную (когерентную) компоненту излучения, является неон; присутствие атомов гелия необходимо только для создания инверсной заселенности атомов неона.

Механизм создания инверсной заселенности по отношению к энергетическим уровням неона, участвующим в генерации индуцированного излучения, поясняет рис. 4, на котором указаны только те уровни, которые имеют принципиальное значение для работы лазера. Атомы возбуждаются в результате соударений с электронами газоразрядной плазмы. Время жизни атомов неона в состояниях с энергией W2 и W3 велико по сравнению с короткоживущим уровнем W1, что благоприятствует инверсной населенности уровней W2 - W1 и W3 - W1. Однако в чистом Ne созданию инверсной населенности мешает метастабильный уровень W*. Из-за большого времени жизни заселенность (доля атомов) данного уровня очень велика, вследствие чего происходит существенная «подпитка» уровня W1 за счет переходов W*W1, вызываемых светом с частотой

.

Введение в неон (давление  0,1 мм рт. ст.) примеси гелия (1 мм рт. ст.) позволяет обойти указанную трудность, т.е. производить накачку уровней W1 и W2 в обход уровня W*. Это связано с тем, что энергии двух метастабильных уровней и гелия точно совпадают с энергиями уровней W2 и W3 атомов неона (рис. 4). Поэтому при встрече возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона интенсивно осуществляются безизлучательные переходы атомов гелия в невозбужденное состояние с резонансной передачей энергии атомам неона. На рис. 4 процесс передачи возбуждения изображен символически горизонтальными пунктирными стрелками. В результате сильно возрастают концентрации атомов неона на уровнях W2 и W3 и возникает достаточная для генерации инверсная заселенность по отношению к уровням W2 - W1 и W3 - W1.

Переходы W3 W1 сопровождаются когерентным излучением красного света (КС) с длиной волны 632,8 нм, а переходы W2 W1 - излучением инфракрасного света (ИКС), который не пропускается торцевыми пластинами и полупрозрачным зеркалом.

Лазер работает тем эффективнее, чем быстрее «очищаются» уровни W3 и W*, что способствует уменьшению числа атомов неона в состоянии W3, а, значит, и дискриминации обратных переходов W1W3, сопровождающихся поглощением фотонов. «Очищение» уровня W* происходит, в основном, под влиянием соударений атомов неона со стенками трубки. Опытным путем установлено, что максимальная мощность гелий неонового лазера достигается при диаметре разрядной трубки  7 мм.

Методика выполнения работы

На рис. 5 приведена принципиальная схема установки для наблюдения спонтанного и вынужденного излучения гелий-неонового лазера в сопоставлении с излучением неоновой лампы, а также для исследования степени поляризации выходящего света.

Основные элементы установки: гелий-неоновый лазер 1 с блоком питания 2; монохроматор (УМ-2) 3; насадка, содержащую призму сравнения 4; неоновая лампа 5; оптический поляризатор 6, установленный в обойме, которая может вращаться вокруг оси светового пучка; фотоприемник – фотодиод 7, подключенный к цифровому вольтметру 8.

Монохроматор 3 содержит поворотную дисперсионную призму 9, кинематически связанную с отсчетным барабаном 10; входную щель 11, размер которой регулируется микромет­рическим барабаном; окулярную обойму 12, снабженную барабаном наводки на резкость; насадочную обойму 13 с регулируемой выходной щелью. Обойма 12 (13) вкладывается в ствол монохроматора свободно, после чего зажимается при помощи накатанной гайки.

Призма сравнения 4 опускается (поднимается) при помощи вертикального штифта. Ее действие основано на явлении полного внутреннего отражения света, падающего под углом 450 к отражающей грани призмы. Если призма сравнения находится в верхнем положении, излучение лазера проходит сквозь всю вертикальную щель 11, и через окуляр 12 наблюдают спектр активной среды лазера. Когда призма сравнения находится в нижнем положении, она перекрывает половину щели, на которую попадает свет, прошедший поляризатор 6, и, в результате, через окуляр 12 можно наблюдать раздельно и одновременно два линейчатых спектра – чистого неона и активной среды лазера (рис. 6).

Указанная возможность связана с тем, что пропускание поляризатором спонтанных неполяризованных излучений гелия и неона не зависит от положения плоскости пропускания поляризатора, в то время как для индуцированного поляризованного излучения Ne с длиной волны 632,8 нм интенсивность света, прошедшего поляризатор, подчиняется закону Малюса

I = Iocos2, (4)

где Io - интенсивность света, падающего на поляризатор, - угол между плоскостью поляризации и плоскостью пропускания поляризатора. степень поляризации лазерного излучения определяется соотношением

(5)

где Imax и Imin – максимальная и минимальная интенсивность лазерного излучения, соответственно.

Основная мощность сосредоточена в поляризованном свете. Поскольку попадание прямого лазерного луча в глаза вредно для зрения, необходимо заранее установить поляризатор на минимум пропускания индуцированного света, вращая обойму поляризатора вокруг горизонтальной оси. Для наводки на фотодиод 7 (рис. 5) красного света с длиной волны 632,8 нм вместо окулярной обоймы 12 удобнее использовать насадочную щелевую обойму 13. Рекомендуется следующий порядок операций для минимизации индуцированной компоненты:

Порядок выполнения работы

1 Исследование степени поляризации лазерного излучения

  1. Вставить в монохроматор обойму 13. открыть входную и выходную щели монохроматора с помощью микрометрических винтов на обоймах.

  2. Включить лазер. Ввести лазерный луч во входную щель.

  3. Поднести к выходной щели лист белой бумаги и добиться максимальной его освещенности красным светом, поворачивая барабан 10.

  4. Подвести к выходной щели фотодиод 7 в кожухе. Добиться максимального показания микровольтметра 8.

  5. Установить на оптическую скамью между лазером и монохроматором поляризатор 6.

  6. Снять зависимость показаний микровольтметра U от угла поворота  поляризатора с шагом  = 150, выключить блок питания лазера и микровольтметр.

  7. Построить графическую зависимость (Umax-Umin)/Umax = f(), где Umax и Umin – максимальное и минимальное показания милливольтметра, соответственно. На том же графике построить зависимость I/I= cos2( -/2), приняв Io = Imax = 1. Сравнить полученные зависимости, проанализировать полученный результат.

  8. определить степень поляризации лазерного излучения по формуле

(6)

интенсивность лазерного излучения пропорциональна показаниям милливольтметра, если используется линейный участок люкс-вольтовой характеристики фотодиода.

2 Исследование спектра излучения активной среды

  1. Собрать схему установки в соответствии с рис. 5.

  2. направить луч лазера в отверстие обоймы, содержащей призму сравнения 4, опустить штифт с призмой. Луч лазера должен входить в переднюю грань призмы.

  3. Минимизировать интенсивность света, выходящего из лазера, согласно описанной выше методике, и, пользуясь результатами предыдущего задания. На лимбе поляризатора указана также метка, соответствующая минимуму пропускания света.

  4. При помощи микрометрического барабанчика установить нулевую ширину входной щели. Включить неоновую лампу 5.

  5. Постепенно увеличивать ширину входной щели (не больше 0,5 мм) до появления спектров неона и гелий-неоновой смеси наблюдая их в окуляр, вставленный в обойму 12. Четкое наблюдение спектров и указателя спектральной линии достигается вращением накатанной обоймы, осуществляющей продольное перемещение окуляра, а также изменение ширины входной щели.

  6. Записать показания на отсчетном барабане 10, соответствующие линии индуцированного излучения (наиболее яркая красная линия в нижнем спектре).

  7. Записать показания на отсчетном барабане 10, соответствующие линиям гелия (линии нижнего спектра, которые не имеют продолжения в верхнем спектре, рис. 6).

  8. Определить длины волн в нм линий спектра гелия с помощью градуировки, которая имеется на рабочем месте, или по интерполяционной формуле Гартмана



где b - деление барабана монохроматора, о , a и bo - постоянные, определяемые экспериментально, их значения приведены на рабочем месте. Сравнить полученные результаты с данными, приведенными в таблице 1.

Таблица 1 - Длины волн спектральных линий гелия



Название линии

, нм

1

1 красная

706,5

2

2 красная

667,8

3

желтая

587,6

4

зеленая

501,6

5

зелено-голубая

492,2

6

голубая

471,3

7

синяя

447,1

8

фиолетовая

438,7

Контрольные вопросы

  1. Чем отличается излучение лазера от излучения других источников света?

  2. Что представляет собой спонтанное и вынужденное излучение?

  3. Почему атомные спектры являются линейчатыми?

  4. Что представляет собой среда с инверсной населенностью уровней? Почему ее называют активной?

  5. Как осуществляется генерация и усиление света?

  6. Какое устройство реализует положительную обратную связь в лазере?

  7. Каким образом в лазере создается поляризованное индуцированное излучение?

  8. Какую роль выполняет гелий в гелий-неоновом лазере?

  9. Можно ли увеличивать беспредельно мощность лазера за счет увеличения диаметра входной трубки?

  10. Для чего предназначен монохроматор?

  11. С какой целью применяется поляризатор во втором задании?

  12. Для чего предназначена призма сравнения? Каков ее принцип действия?

  13. С какой целью в работе используется неоновая лампа?

  14. Как определяется степень поляризации лазерного пучка?

  15. в чем состоит физическая сущность закона Малюса?


Лабораторная работа №2

Изучение основных характеристик газового лазера

Цель работы – определение угловой расходимости пучка и мощности излучения газового лазера непрерывного действия ЛГН-215.

Общие сведения

Основными характеристиками лазеров являются: режим работы (непрерывный или импульсный), активная среда (газ, жидкость, твердое тело), рабочая длина волны (для перестраиваемых лазеров – все возможные длины волн), мощность или энергия излучения (отдельно в многомодовом и в одномодовом режимах) и угловая расходимость луча лазера. Для импульсных лазеров сюда следует добавить минимальное значение продолжительности импульса и частоту повторения импульса. В паспорте лазера, как правило, указаны также потребляемая мощность, энергия накачки и рабочая температура активной среды. Для эффективного использования лазера необходимо уметь измерять значения его основных характеристик и управлять ими.

Для основной моды излучения лазера распределение интенсивности по сечению пучка имеет гауссов профиль и определяется соотношением

, (1)

где I0 - интенсивность излучения на оси пучка; r - расстояние от оси пучка; rп - радиус пучка. Как видно из соотношения (1), радиусом лазерного пучка считается радиус его поперечного сечения на уровне 0,37 от максимальной интенсивности. Изменение радиуса пучка вдоль направления распространения излучения для основной моды излучения описывается соотношением

, (2)

где r0 – радиус излучающей апертуры; z - расстояние от излучающей апертуры. Радиус пучка на расстоянии z от плоскости излучателя можно определить, зная зависимость мощности лазерного излучения, проходящего через осесимметричную диафрагму, от радиуса R этой диафрагмы:

, (3)

где – полная выходная мощность лазера. Из формулы (3) следует, что при R = rп мощность излучения, прошедшего через диафрагму P(rп) = 0,63P0. Следовательно, радиус пучка равен радиусу диафрагмы, через которую проходит 63 полной мощности излучения лазера.

Измерение угловой расходимости лазерного пучка требует анализа распределения интенсивности излучения по осевому сечению лазерного пучка. Это сечение (рис. 1) представляет собой две симметричные гиперболы, асимптоты которых наклонены к оси пучка под углом . Однако, уже на расстоянии в несколько метров от излучателя луч лазера с высокой степенью точности можно считать конусом с основанием в виде круга, диаметр которого равно диаметру лазерного пучка в данном сечении. Тогда плоский угол при вершине этого конуса определит искомую угловую расходимость пучка.
  1   2   3   4


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации