МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Техническая физика» ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ Методические указания к лабораторной работе Минск БНТУ 2014 1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Техническая физика» ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ Методические указания к лабораторной работе Минск БНТУ 2014 2 УДК 535.8 ББК В.22 И39 Составители : И. К. Султанова, Н. Г. Блинкова, Г. Н. Блинков Рецензент Г. Г. Кужир Методические указания к лабораторной работе содержат цель работы, теоретическую часть, в которой рассматривается устройство и физические основы работы различных типов лазеров, и практическую часть, в которой приводится описание экспериментальной установ- ки, порядок выполнения двух упражнений по определению периода дифракционной решетки и длины волны полупроводникового лазера. Предназначены для студентов инженерно-технических специальностей по разделу опти- ка в лабораторном практикуме. © Белорусский национальный технический университет, 2014 3 Цель работы: изучить физические основы работы лазеров; устройство и принцип работы лазеров с различными активными средами; получить значение постоянной дифракционной решетки; измерить длину волны лазерного излучения. Приборы и принадлежности: гелий-неоновый и полупровод- никовый лазеры, дифракционная решётка. Физические основы работы лазеров В 1915 г. А. Эйнштейн впервые ввел понятие о спонтанном и вы- нужденном излучениях. На возможность усиления света за счет вы- нужденного излучения указал советский физик В. А. Фабрикант в 1940 г. Далее последовал ряд работ по реализации теоретически обоснован- ных (П. Дирак в 1927–1930 гг.) процессов в приборах, получивших название квантовых усилителей или квантовых генераторов. Квантовые генераторы, излучающие в диапазоне видимого и ин- фракрасного излучения, получили название лазеров (Light Amplifi- cation by Stimulated Emission of Radiation) – усиление света стиму- лированным, вынужденным, индуцированным излучением. Стимулированное излучение, сопровождающее вынужденные переходы, обладает весьма важными свойствами. Направление его распространения в точности совпадает с направлением распростра- нения внешнего излучения, вызвавшего переход. То же самое отно- сится к частоте, фазе и поляризации вынужденного и внешнего из- лучений. Таким образом, вынужденное и внешнее излучения оказы- ваются когерентными. Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе действия усилителей и генераторов света – лазеров. Рассмотрим систему из N одинаковых частиц (атомов, молекул). Каждая частица может находиться либо в стационарном состоянии с энергией E1, либо в стационарном состоянии с энергией E2 (рис. 1). Рис. 1 2 1 2 11 2 2 2E 1 1E 4 Такая физическая модель называется двухуровневой схемой. Число атомов данной системы N1 и N2 с энергиями E1 и E2 соответ- ственно. N1 – населенность первого основного уровня с энергией E1; N2 – населенность второго возбужденного уровня с энергией E2. Ес- ли рассматриваемая система находится в термодинамическом рав- новесии с окружающей средой, то соотношение населенностей опи- сывается распределением Больцмана: 2 1 2 1 ( ) / ,E E kTN N e  (1) где Т – температура; k – 1,38·10–23Дж·К–1 – постоянная Больцмана. В случае термодинамического равновесия при любой температу- ре N2 < N1. Если N2 > N1, то такое соотношение населенностей явля- ется инверсной. Состояние системы в этом случае является нерав- новесным. Согласно квантовой теории излучения Эйнштейна между уров- нями 1 и 2 могут наблюдаться оптические переходы трех видов: 1. Спонтанные (самопроизвольные переходы) (2→1), из возбуж- денного состояния в основное с испусканием фотона. 2. Вынужденные переходы (1→2), из основного состояния в воз- бужденное, происходящие в результате поглощения внешнего из- лучения. 3. Вынужденные переходы (2→1), из возбужденного состояния в основное с испусканием фотона, происходящие в результате воз- действия на систему внешнего излучения той же частоты, что и ча- стота испускания. Спонтанные переходы в различных атомах системы протекают независимо друг от друга. Вследствие этого фотоны, испущенные в результате спонтанных переходов, нескоррелированы между собой по направлению, фазе и поляризации. Частота излучения, соответствующая испускаемому фотону, не зависит от типа перехода, поскольку она определяется лишь разно- стью энергий уровней, между которыми происходит переход. Изменение населенности возбужденного уровня dN2, обусловлен- ное наличием спонтанных переходов, определяется выражением 5  2 21 2 ,dN A N t dt  (2) где А21 – вероятность спонтанного перехода или коэффициент Эйн- штейна; N2 (t) – населенность возбужденного уровня; dt – интервал времени. Изменение населенности уровней, обусловленное наличием вы- нужденных переходов, можно записать аналогично формуле (2):    2 21 2 12 1 ,dN B UN t dt B UN t dt   (3)    1 21 2 12 1 ,dN B UN t dt B UN t dt   (4) где B12 и B21 – коэффициенты Эйнштейна для вынужденных перехо- дов с поглощением и испусканием соответственно; U – объемная плотность энергии внешнего (вынуждающего) из- лучения. Рассмотрим в приближении двухуровневой системы процессы поглощения и усиления света. Интенсивность света, прошедшего через вещество, согласно закону Бугера: J = J0e–æd, (5) где J0 – интенсивность падающего света; æ – коэффициент поглощения; d – толщина поглощающего слоя. Если населенность возбужденного энергетического уровня N2  0, под действием падающего излучения, помимо перехода с поглоще- нием фотонов, будут происходить вынужденные переходы с излу- чением. Так как вынужденно испущенные фотоны неотличимы от фотонов падающего света, то происходит частичная компенсация убыли фотонов в прошедшем пучке. Коэффициент поглощения æ пропорционален разности населенностей основного и возбужденно- го уровней: 6 æ =  1 12 2 21 .hv N B N Bc  (6) При B12 = B21, что справедливо для невырожденных уровней: æ =  12 2 1 .hv B N Nc  (7) Если N2 < N1, то æ > 0 и I < I0, наблюдается поглощение света. При увеличении объемной плотности падающего излучения происходит выравнивание населенностей основного и возбужден- ного уровней. Это приводит к уменьшению коэффициента погло- щения. При N2 = N1 вынужденные переходы с испусканием полностью компенсируют убыль фотонов в прошедшем пучке, обусловленную переходами с поглощением. В этом случае æ = 0, J = J0, т. е. среда не поглощает свет. Отсюда вытекает также принципиальная невоз- можность создания инверсной населенности в двухуровневой си- стеме при оптическом возбуждении. Если в системе каким-то способом (неоптическим) создана ин- версная населенность N2 > N1, то вынужденные переходы с испус- канием будут преобладать над переходами с поглощением. Это приводит к тому, что J > J0, т.е. наблюдается усиление света. Для описания этого процесса вводится понятие отрицательного коэф- фициента поглощения: æ =  21 1 2 0.hv B N Nc   Соответственно совокупность атомов с инверсной населенно- стью можно рассматривать как среду с отрицательным коэффици- ентом поглощения. Практическое осуществление усиления света в лазерах стало возможным после того, как были найдены способы создания ин- версной населенности уровней в некоторых веществах. Рабочим телом лазера является среда (твердая, жидкая или газо- образная), содержащая специально подобранные атомы, ионы или молекулы, в результате высвечивания которых возникает лазерное 7 излучение. Эти атомы (ионы, молекулы) называют активными цен- трами. Они составляют относительно малую долю от всех атомов (молекул), образующих активную среду. Ранее было показано, что нельзя создавать инверсную заселенность с помощью двухуровне- вой системы. Активную среду, для активных центров которой вы- полнено условие инверсии, называют инвертированной активной средой. Физические механизмы заселения энергетических уровней до- статочно многообразны. Поэтому существуют разные способы со- здания инвертированных активных сред или разные способы накач- ки активной среды. Прежде всего, отметим оптическую накачку – преимуществен- ное заселение верхнего рабочего уровня за счет световой энергии специальных излучателей (газоразрядных импульсных ламп, ламп непрерывного горения). Для газообразной активной среды часто применяют накачку с использованием самоподдерживающегося электрического разряда. Преимущественное заселение верхнего рабочего уровня происходит в результате неупругих столкновений активных центров со свобод- ными электронами, образующимися в плазме разряда. При химической накачке преимущественное заселение верхних рабочих уровней происходит в процессе экзотермических химиче- ских реакций в активной среде. Применяют также сильный нагрев активной среды с последую- щим быстрым ее охлаждением. Использование различных способов накачки тесно связано с характером активной среды. В качестве активных центров используются различные атомы, ионы, молекулы, которые имеют свои структуры (и часто сложные) энергетических уровней. Однако разнообразие этих структур можно свести к нескольким упрощенным схемам, которые позволяют по- нять механизм создания инверсной заселенности энергетических уровней. Это может быть трехуровневая или четырехуровневая схема. Си- стема накачки (например, оптическая накачка) переводит активные центры на уровень возбуждения. В течение относительно мало- го времени (10–8с) активные центры переходят с уровня возбужде- ния на верхний рабочий уровень, передавая избыток энергии, например, колебаниям кристаллической решетки (в твердотельной 8 активной среде). Такой верхний рабочий уровень называют мета- стабильным. В результате происходит накопление активных цен- тров на этом уровне и возникает инверсия. Четырехуровневая си- стема отличается от трехуровневой большим числом вспомогатель- ных переходов, что приводит к дополнительной потере энергии. В таких схемах частота рабочего перехода отличается от частоты перехода накачки, в отличие от двухуровневой системы, где часто- ты накачки и рабочего перехода одинаковы. Активная среда является основным элементом оптического квантового генератора (ОКГ). Фотоны, случайно родившиеся при спонтанных переходах активных центров с верхнего рабочего уров- ня на нижний, могут инициировать множество вынужденных пере- ходов E2→E1, и как следствие, целой лавины вторичных фотонов, находящихся в том же состоянии, что и первичный «спонтанный» фотон. Однако спонтанно рождающиеся фотоны, а также лавины вторичных фотонов испускаются активными центрами независи- мым образом в самых разных направлениях. Следовательно, излу- чение, состоящее из таких фотонных лавин, некогерентно. Когерентное излучение получают с помощью оптического резо- натора – принципиально важного элемента лазера. В простейшем случае оптический резонатор представляет собой пару зеркал на общей оптической оси, которая определяет в пространстве направ- ление лазерного луча. Между зеркалами оптического резонатора помещается активный элемент. Твердотельные активные элементы имеют чаще всего форму цилиндрического тела, ось которого сов- падает с оптической осью резонатора. Одно из зеркал оптического резонатора обладает некоторой прозрачностью, через это зеркало выходит лазерное излучение. Избирательность по энергиям фотонов осуществляется путем подбора активных центров с соответствующей им системой энерге- тических уровней. Кроме того, с этой целью используются в резо- наторе зеркала, коэффициент отражения которых изменяется с ча- стотой излучения. Таким образом, резонатор формирует лазерное излучение с высокими когерентными свойствами и определенной структурой светового поля. То есть лазерное излучение – это плос- кая монохроматическая волна с определенной поляризацией. 9 Устройство и принцип работы лазеров с различными активными средами Твердотельными называют лазеры, активная среда которых представляет собой диэлектрический кристалл или стекло, в кото- рое введены (в виде примеси) специальные ионы, играющие роль активных центров. В твердотельных лазерах применяется только оптическая накачка. В качестве примера рассмотрим устройство и принцип работы твердотельного рубинового лазера. Активная среда – рубин – пред- ставляет собой кристалл окиси алюминия Al2O3 (корунд), активиро- ванный ионами хрома, которые и определяют спектроскопические свойства кристалла. Торцы рубинового стержня тщательно отполи- рованы и представляют собой строго параллельные друг другу зер- кала. Один торец покрывается плотным непрозрачным слоем сереб- ра, другой таким слоем серебра, который обеспечивает выход ла- зерного излучения. Работу рубинового лазера можно описать в приближении трех- уровневой схемы, приведенной на рис. 2. Рис. 2 Оптическая накачка осуществляется излучением импульсных газоразрядных ламп, питаемых от батареи конденсаторов. В резуль- тате поглощения света импульсных ламп ионы хрома переходят на возбужденный уровень 3. Большая часть возбужденных ионов хро- ма сначала отдает часть своей энергии кристаллической решетке корунда без излучения света и переходит на возбужденный рабочий уровень 2 (метастабильное состояние). Переход 2  1 запрещен 1E 2E 3E 2 3 10 правилом отбора, согласно которому ∆ l = ±1, где l – орбитальное квантовое число. Поэтому среднее время жизни иона в метаста- бильном состоянии (10–3с) примерно в 105 раз превосходит время жизни в обычном возбужденном состоянии. На втором этапе ионы из метастабильного состояния переходят в основное, излучая фотон с λ  694,3 нм. Под воздействием фотонов такой же длины волны, т. е. при вынужденном излучении, переход ионов хрома из метаста- бильного состояния в основное происходит значительно быстрее. Фотоны, возникающие при вынужденном излучении, летят в том же направлении что и падающие. Фотоны, направление движения ко- торых образует малые углы с осью кристаллического стержня, ис- пытывают многократные отражения от торцов образца. Поэтому путь их в кристалле будет очень большим, так что каскады фотонов в направлении оси получают особенное развитие. Когда пучок ста- новится достаточно интенсивным, часть его выходит через полу- прозрачный торец кристалла. Фотоны, испущенные спонтанно в других направлениях, выходят из кристалла через его боковую по- верхность. Лазеры на рубине работают в импульсном режиме (с частотой повторения порядка несколько импульсов в минуту). Внутри кри- сталла выделяется большое количество тепла, поэтому его прихо- дится интенсивно охлаждать. Газоразрядными называют лазеры на разреженных газовых активных средах (с давлением от 1 до 10 мм рт.ст.), возбуждаемых самостоятельным электрическим разрядом. Различают три типа таких лазеров, активными центрами которых являются свободные ионы, свободные атомы, свободные молекулы. Ионные лазеры ге- нерируют главным образом в видимой, а также в ближней ультра- фиолетовой области спектра. Лазеры на атомных переходах генери- руют в более широком диапазоне длин волн от 0,4 до 100 мкм. Мо- лекулярные лазеры генерируют излучение в диапазоне 1–0,2 мкм. Активная среда газоразрядного лазера – плазма, образующаяся при возникновении электрического разряда. Лазер на смеси гелия и неона – пример газоразрядного лазера на атомных переходах с непрерывным режимом работы. На рис. 3 по- казана принципиальная схема лазера. 11 Рис. 3 1 – газоразрядная стеклянная трубка, диаметром несколько миллиметров и длиной от нескольких десятков сантиметров до 1,5 метров и более; 2 – катод, накаливаемый низковольтным источником питания; 3 – анод; 4 и 5 – зеркала резонатора Когда разность потенциалов между катодом и анодом достигает примерно 103 В, в рабочем капилляре газоразрядной трубки, имею- щей диаметр в несколько миллиметров, зажигается тлеющий раз- ряд. Плоскости выходных окон газоразрядной трубки фиксированы таким образом, что перпендикуляр к плоскости окна составляет с осью резонатора угол Брюстера. В этом случае отраженный от по- верхности зеркала световой луч оказывается полностью, а прелом- ленный – частично поляризованным. Генерация происходит на переходах между уровнями атомов не- она (они являются активными центрами). Кроме того, в состав ак- тивной зоны входит буферный газ – гелий. Разряд возбуждает атомы Не, переводя их на метастабильный уровень 23 S (рис. 4). He 23S Рис. 4 Возбужденные атомы Не сталкиваются с атомами Ne, находя- щимися в основном состоянии, и передают им свою энергию. В ре- 1 3 2 5 4 1 S N e 2P 2S 12 зультате атомы Ne переходят на уровень 2S, вследствие чего возни- кает инверсная населенность уровней 2S и 2p. Переход 2S2p дает излучение лазера. Из-за быстрых переходов атомов Ne с уровня 2p на уровень 1S не происходит накопления атомов Ne в состоянии 2p. Уровень 2S состоит из четырех, а уровень 2p – из десяти под- уровней. Существует 30 разрешенных правилом отбора переходов с подуровней 2S на подуровень 2p, соответствующих длинам волн от 0,6 до 5,4 мкм. Газовые лазеры работают в непрерывном режиме и не требуют интенсивного охлаждения. В жидкостных лазерах в качестве активной среды используются жидкости: либо растворы органических красителей, либо специаль- ные жидкости, активированные ионами редкоземельных элементов. Наиболее широко применяются лазеры на растворах органических красителей. Активная среда таких лазеров представляет собой жид- кий растворитель (вода, этанол, метанол, бензол, ацетон и др.), в котором находятся молекулы органического красителя, играющие роль активных центров. Общий диапазон длин волн, генерируемых различными красителями, составляет 0,3…1,3 мкм. Молекулы кра- сителя поглощают излучение накачки и высвечиваются, как прави- ло, в видимой области спектра. Для возбуждения красителей применяют как лазерную, так и не лазерную накачки. В первом случае в качестве источника накачи- вающего излучения используется вспомогательный лазер, во вто- ром – газоразрядная лампа. В качестве примера на рис. 5 показан один из вариантов про- дольной схемы накачки. Рис. 5 К – краситель; ПР – призма полного внутреннего отражения; ВЗ – выходное зеркало резонатора; НК – накачивающее излучение; ГИ – генерируемое излучение ПР 13 Кювета с красителем находится внутри резонатора, у которого одно из зеркал заменено призмой полного внутреннего отражения. Выходное зеркало резонатора полностью непрозрачно для накачи- вающего излучения. Накачивающее излучение, распространяясь вдоль оси резонатора ОО, попадает через призму в кювету с красителем и возбуждает мо- лекулы красителя. Генерируемое в красителе излучение выходит через выходное зеркало резонатора. Чтобы краситель не перегре- вался, его быстро прокачивают через зону генерации. В результате прокачки красителя происходит удаление из зоны генерации про- дуктов фотораспада. В полупроводниковых лазерах облучают полупроводник светом такой частоты, чтобы энергия фотонов равнялась ширине запрещен- ной зоны. Такой фотон может быть поглощен электроном, находя- щимся в валентной зоне вблизи ее верхнего края, в результате этого электрон совершит квантовый переход в зону проводимости. В этом случае говорят о поглощении света. С такой же вероят- ностью фотон может инициировать встречный процесс – переход в валентную зону электрона, находящегося вблизи дна зоны прово- димости; в результате рождается еще один (вторичный) фотон, при- чем в том же состоянии, в каком находится первичный. В этом слу- чае говорят о вынужденном испускании света. Возможно также са- мопроизвольное возвращение электрона из зоны проводимости в валентную зону. Для того чтобы полупроводник усиливал излучение, надо со- здать инверсию – сделать так, чтобы концентрация электронов вблизи нижнего края зоны проводимости была больше концентра- ции электронов вблизи верхнего края валентной зоны. Такие полу- проводники называются вырожденными. В этом случае процессы вынужденного испускания света будут преобладать. Инверсию в беспримесном полупроводнике можно создать различ- ными способами. С этой целью используют оптическую накачку, об- лучая полупроводник светом такой частоты, чтобы энергия фотонов была больше ширины запрещенной зоны. Более широко используется накачка электронным пучком. Быстрые электроны (с энергией около 50…100 эВ), пролетая через полупроводник, инициируют переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости. Используются 14 полупроводники: арсенид галлия (GaAs), сульфид кадмия (CdS), селе- нид кадмия (CdSe) и др. Больше половины своей энергии электроны, бомбардирующие полупроводниковый кристалл, тратят на его нагре- вание. Поэтому используются обычно достаточно короткие импульсы электронов и кроме того применяется принудительное охлаждение кристалла. Повышение температуры увеличивает заселенность более высоких уровней, что приводит к уменьшению концентрации электро- нов у нижнего края зоны проводимости. Таким образом, уменьшается степень инверсной заселенности состояний, что приводит к снижению коэффициента усиления. Различают два типа полупроводниковых лазеров, накачиваемых электронным пучком, – лазеры с поперечной накачкой и с продоль- ной накачкой. В первом типе лазеров, который показан на рис. 6, электронный пучок и генерируемое излучение распространяются во взаимно перпендикулярных направлениях. Пучок электронов падает нор- мально на одну из граней полупроводникового кристалла, имеюще- го форму прямоугольного параллелепипеда. Две других противопо- ложных грани этого параллелепипеда отполированы и представля- ют собой зеркала оптического резонатора. Рис. 6 В лазерах с продольной накачкой в качестве зеркал резонатора используются не грани полупроводникового кристалла, а внешние зеркала. Активная среда в таких лазерах представляет собой тонкий слой полупроводника, нанесенный на прозрачную подложку с хо- рошей теплопроводностью. На рис. 7 показана схема лазера с про- дольной накачкой, где направление электронного пучка совпадает с осью резонатора. 15 Рис. 7 Электронный пучок падает на принудительно охлаждаемый по- лупроводниковый слой. Применение схем с продольной накачкой позволяет улучшить отвод тепла от полупроводника и увеличить его рабочий объем. Внесение в полупроводниковый кристалл тех или иных приме- сей существенно изменяет его свойства. В энергетической схеме атомам примеси соответствует энергетический уровень, располага- ющийся внутри запрещенной зоны на расстоянии ΔE от нижнего края зоны проводимости, которое примерно в 100 раз меньше ши- рины запрещенной зоны. Поэтому достаточно небольшого теплово- го возбуждения, чтобы электрон покинул атом, т. е. совершил кван- товый переход с примесного уровня в зону проводимости. Если концентрация примесей в полупроводнике достаточно высока, то в нем реализуется вырождение по электронам, такой полупроводник называют вырожденным n-полупроводником. В полупроводниках с акцепторной примесью насыщение примесного уровня достигается в результате небольшого теплового возбуждения. При этом в ва- лентной зоне возникает определенная концентрация дырок, которая может обеспечить вырождение по дыркам. Такой полупроводник называют вырожденным p-полупроводником. В инжекционных лазерах для создания инверсии заселенностей в полупроводниковой активной среде используют контакт друг с другом двух вырожденных полупроводников разного типа (n-полупроводник и p-полупроводник). Такой контакт называют p-n переходом. 16 К p-n переходу приложено электрическое напряжение (рис. 8) таким образом, чтобы под действием поля электроны проводимости из n-полупроводника инжектировались в область p-n перехода, од- новременно в эту же область будут инжектироваться дырки из p-полупроводника. В области p-n перехода будут происходить пе- реходы электронов из зоны проводимости в валентную зону, где происходит рекомбинация электронов проводимости и дырок, в ре- зультате чего при наличии оптического резонатора может быть реа- лизована лазерная генерация. Рис. 8 Инжекционный лазер отличается своей миниатюрностью, гене- рация в некоторых образцах осуществляется при комнатных темпе- ратурах. КПД таких лазеров достигает 50–60 %. Применение лазеров Лазеры находят широкое применение в современных физиче- ских, химических и биологических исследованиях, имеющих фун- даментальный характер. Лазерное излучение, обладающее доста- точно высокой мощностью, может обратимо изменять физические характеристики вещества, что позволяет использовать его в области нелинейной оптики. Лазер дает возможность осуществлять сильную концентрацию световой энергии в узких частотных интервалах, при этом возможна плавная перестройка частоты. Поэтому лазеры широко применяют- ся для получения и исследования оптических спектров вещества с высокой степенью точности. 17 Лазеры позволяют также осуществлять избирательное возбужде- ние тех или иных состояний атомов и молекул, разрыв определен- ных химических связей. В результате оказывается возможным ини- циирование конкретных реакций, управление развитием этих реак- ций, исследование их кинетики. Использование сверхкоротких световых импульсов дает воз- можность проследить за развитием быстропротекающих процессов в веществе, например, фотосинтеза. При обсуждении практических применений лазеров обычно вы- деляют два направления. Первое направление связывают с приме- нениями, в которых лазерное излучение используется для целена- правленного воздействия на вещество. Сюда относят лазерную об- работку материалов (например, сварку, термообработку, резку, пробивание отверстий), лазерное разделение изотопов, применение лазеров в медицине и т. д. Второе направление связывают с так называемыми информатив- ными применениями лазеров – для передачи и обработки информа- ции, для осуществления контроля и измерения. Экспериментальная установка Внешний вид установки приведен на рис. 9. Рис. 9 1 – лазер (в работе используются He – Ne газовый лазер и полупроводниковый лазер); 2 – дифракционная решетка; 3 – шкала-экран; 4 – винт смещения нулевого деления шкалы-экрана относительно лазерного луча Внимание! При работе на установке необходимо строго соблюдать правила техники безопасности. Запрещается: Перемещать лазер, отсоединять разъемы токоведущего кабеля, смотреть в выходное отверстие лазера (опасно для зрения). 18 Упражнение 1. Определение постоянной дифракционной ре- шетки Порядок проведения эксперимента 1. Включить тумблер «Сеть» на блоке питания гелий-неонового лазера (длина волны излучения лазера  = 632,8 нм), при этом заго- рится индикаторная лампочка. Через 5–30 с должен появиться ла- зерный луч. 2. Вращением винта 4 совместить нулевое деление шкалы-экрана с центром сечения лазерного луча. 3. Установить на оптическую скамью рейтер с закрепленной в нем дифракционной решеткой. 4. Проверить и при необходимости откорректировать перпенди- кулярность установки шкалы-экрана к лазерному лучу. При пра- вильной установке расположение дифракционных спектров первого и второго порядков слева и справа симметрично относительно спек- тра нулевого порядка (рис. 10). Рис. 10 5. Расположить дифракционную решетку на минимальном рас- стоянии от шкалы экрана (до соприкосновения рейтеров). Зарисо- вать наблюдаемую дифракционную картину, пронумеровать наблюдаемые порядки дифракционных спектров. 6. Отодвигая решетку от шкалы-экрана измерить по шкале на оптической скамье расстояние L между плоскостями шкалы-экрана и решетки (деление, совпадающие с рейтером решетки) при фикси- рованных значениях Х1 и Х2 (расстояния по шкале экрана от нулево- го до первого и второго максимума соответственно). Результаты занести в таблицу 1. 19 7. Выключить лазер. Таблица 1 № измерения Х1, мм L, мм d X2 L, мм d dср 1 140 140 2 160 160 3 180 180 4 200 200 5 220 220 8. Используя формулу дифракционной решетки для максимума m-го порядка sinφ λ,d m (1) получим выражение для постоянной решетки , sinφ md  (2) где d – постоянная дифракционной решетки; m – порядок дифракционного максимума (1 или 2),  – длина волны гелий-неонового лазера. С учетом экспериментальных данных получим выражение 2 2 sinφ .m m X X L   (3) Подставив (3) в (2), запишем расчетную формулу для постоян- ной дифракционной решетки 2 2λ .m m md X L X   9. В соответствии с расчетной формулой получить десять значе- ний d постоянной решетки. Определить среднее арифметическое dср. 10. Рассчитать относительную погрешность в измерении d по формуле 20 2 2 λε ,λ d X X X L L d X X L           затем абсолютную погрешность срε ,d d  11. Записать результат в виде ср .d d d   Упражнение 2. Определение длины волны полупроводникового лазера 1. Включить полупроводниковый лазер. 2. Повторить пункты 2–6 упражнения 1. 3. Заполнить таблицу 2. Таблица 2 № измерения Х1, мм L, мм λ Х2, мм L, мм λ λ ср 1 140 140 2 160 160 3 180 180 4 200 200 4. Выключить лазер. 5. Используя формулу дифракционной решетки и данные, полу- ченные в ходе измерений, рассчитать восемь значений для длины волны лазерного излучения по следующей формуле: 2 2 λ ,m m Xd m X L   (4) где d – постоянная решетки, значение которой получено в упражне- нии 1; m – порядок спектра (1 или 2). 21 6. Определить среднее арифметическое ср. 7. Рассчитать относительную погрешность в измерении  по формуле 2 2 λε ,λ d X X X L L d X X L           затем абсолютную погрешность λ ελ .ср  8. Записать результат в виде срλ λ λ.   Контрольные вопросы 1. Заселенность уровней, инверсная заселенность. 2. Спонтанные и вынужденные переходы с излучением. Вероят- ности оптических переходов. 3. Условия генерации света. 4. Принцип действия различного типа лазеров. 5. Свойства лазерного излучения. 6. Устройство твердотельного лазера на рубине. 7. Устройство газового гелий-неонового лазера. Литература 1. Сойка, А. К. Лазеры и техническая оптика : пособие по дисци- плине «Физика» для студентов инженерно-технических, химико- технологических и инженерно-экономических специальностей / А. К. Сойка. – Минск : БГТУ, 2012. – 257 с. : ил. 2. Ландсберг, Г. С. Оптика / Г. С. Ландсберг. – М., 1976, 730–735. 3. Савельев, И. В. Курс общей физики / И. В. Савельев – М., 1979, Т. 3, §42,43. 4. Тарасов, Л. В. Лазеры и их применение / Л. В. Тарасов. – Изд-во «Радио и связь», 1983. 22 Учебное издание ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ Методические указания к лабораторной работе Составители : СУЛТАНОВА Ирена Константиновна БЛИНКОВА Наталья Геннадьевна БЛИНКОВ Геннадий Николаевич Редактор Л. Н. Шалаева Компьютерная верстка А. Г. Занкевич Подписано в печать 27.01.2014. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 1,00. Тираж 100. Заказ 1009. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. Свидетельство о государственной регистрации издателя, изготовителя, распространителя печатных изданий № 1/173 от 12.02.2014. Пр. Независимости, 65.220013, г. Минск.