Конструкция излучателя

Муромский институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет

Имени Александра Григорьевича и

Николая Григорьевича Столетовых»

Кафедра: «ФПМ»

Дисциплина: Физика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.06

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ И ЭНЕРГИИ КВАНТА ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА»

Утверждена на методическом

Семинаре кафедры ФПМ

Зав. кафедрой______________

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

1. Ни при каких условиях луч лазера не должен попадать в глаза.

2. На пути лазера не должно быть никаких зеркальных поверхностей.

3. Стены, потолки лаборатории и предметы должны иметь матовую поверхность.

4. Источник питания лазера, имеющий напряжение 350В, должен быть заземлен.

Лабораторная работа № 1.06

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ И ЭНЕРГИИ КВАНТА ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Ознакомиться с устройством и научиться пользоваться квантовым генератором, а также научиться определять основные технические характеристики лазера: длину волны излучения и энергию кванта.

ОБОРУДОВАНИЕ: Лазер, дифракционная решетка, экран с миллиметровой шкалой, линейка.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИБОРА ЛПМ-11 (лазер газовый)

Назначение

1.1. Лазер газовый ЛГ-66 (излучатель ИЛГН-104)непрерывного режима работы, в видимой части спектра ( =0,6328 мкм) многомодовый, атомарный, гелий-неоновый, отпаянный, неперестраиваемый с естественным охлаждением. Лазер (излучатель) (далее излучатель) предназначен для применения в качестве источника излучения в светодальномере типа СВВ-1

1.2. Излучатель может быть использован для прецизионных оптических измерений, а также для выполнения научных исследований.

Принцип действия

2.1. Как известно, при переходе атома вещества с верхнего энергетического уровня на нижний имеет место излучение фотона с частотой ₀ , причем

ω₀=(E₂ -E₁)/h

где Е₁ и Е₂- энергия верхнего и нижнего уровней,

h - постоянная Планка.

Если излучение частоты ω₀ проходит через газовую среду , то при столкновении фотона с атомом вещества среды, находящимся на верхнем энергетическом уровне, последний переходит в нижнее энергетическое состояние также с излучением фотона, который по направлению и фазе строго совпадает с исходным.

При столкновении фотона с атомом, находящимся на нижнем энергетическом уровне, падающий фотон поглощается, а атом переходит в верхнее возбужденное состояние. Если выполнено условие инверсии, т.е. на верхнем энергетическом уровне имеется больше частиц , чем на нижнем, то первый процесс преобладает , и происходит усиление исходного сигнала. Поэтому такая активная среда может характеризоваться некоторым коэффициентом усиления, который обычно рассчитывается на один проход сигнала через активную среду.

Для получения генерации необходим резонатор. Резонатор образуется парой зеркал с большим коэффициентом отражения. Эти зеркала расположены с двух сторон активного элемента и обеспечивают многократное прохождение сигнала через активную среду. Генерация возникает в том случае, если коэффициент усиления за один проход превосходит те потери, которые имеются в резонаторе (в зеркалах и т.д.).

В 1961 г. был создан предложенный Джаваном лазер, работающий на смеси гелия и неона .Подкачка в нем осуществляется при помощи тлеющего разряда. Разрядная трубка заполняется смесью гелия под давлением 1 мм рт. ст и неона под давлением 0,1 мм рт. ст. На концах трубка имеет плоско параллельные зеркала, одно из которых полупрозрачно. Разряд возбуждает атомы He, переводя их на метастабильный уровень 2 S .Возбужденные атомы гелия сталкиваются с атомами Nе, находящимися в основном состоянии , и передают им свою энергию . В результате атомы Nе переходят на уровень 3S , вследствие чего возникает инверсная населенность уровней 3S и 2р . Переход 3S-2р дает излучение лазера . Из за быстрых переходов атомов Nе с уровня 2р на уровень 1S не происходит накопление атомов Nе в состоянии 2р. Уровень 3S состоит из четырех, а уровень 2р из 10 подуровней. Существует переход с подуровней 3S на подуровни 2р, соответствующих длинам волн от 0,6 до 5,4 мк. Газовые лазеры работают в непрерывном режиме и не нуждаются в интенсивном охлаждении .

В излучателе ИЛГН –104 рабочим является переход неона 3S₂-2р₄ (обозначение Пашена). В условиях тлеющего разряда в смеси He-Ne при определенном режиме возникает инверсия населенности уровней. В ИЛГН-104 использован изотоп гелия массой, равной 3-He³, что обеспечивает большую инверсию населенностей уровней и, следовательно, большой коэффициент усиления по сравнению с изотопом He⁴.

Для уменьшения дифракционных потерь и для меньшей критичности настройки зеркала представляют собой сферические поверхности. Излучение лазера отличается рядом замечательных особенностей.

Характеристики лазерного излучения:

1) временная и пространственная когерентность.

2) строгая монохроматичность

3) большая мощность.

4) узость пучка

Пространственная когерентность означает , что определенные фазовые соотношения сохраняются в течении некоторого времени не только в данной точке пространства (временная когерентность ), но и между колебаниями, происходящими в разных точках пространства . Высокая когерентность излучения открывает высокие перспективы использования лазера для цели радиосвязи , в частности для направленной радиосвязи в космосе . Если будет найден метод модуляции и демодуляции света, можно будет передавать огромный объем информации – один лазер мог бы заменить по объему передаваемой информации все системы связи между восточным и западным побережьями США.

Угловая ширина генерируемого лазером пучка столь мала, что, используя телескопическую фокусировку, можно получить на лунной поверхности пятно света диаметром всего лишь 3 км.

Большая мощность и узость пучка позволяет при помощи фокусировки с помощью линзы получить плотность потока энергии, в 1000 раз превышающую плотность потока энергии, которую можно получить фокусировкой солнечного света. Пучки света со столь высокой плотностью мощности можно использовать для механической обработки и сварки, для воздействия на ход химических реакций и т.д.

Конструкция излучателя

1.3.1. На рисунке 1 схематическое изображение излучателя ИЛГН-104.

Основными элементами излучателя является активный элемент(1) и оптический резонатор, состоящий из двух сферических зеркал (2, 10).

Активный элемент зажимается в специальных вкладышах (3) , на которые одеваются и закрепляются кольца (4) . Армированный таким образом активный элемент вставляется в корпус излучателя (5). Крепление элемента в корпусе осуществляется в двух плоскостях посредством 4-х винтов(6) в каждой плоскости. С помощью этих винтов элемент может быть установлен необходимым образом относительно корпуса.

Рисунок 1 – Упрощенная схема излучателя

Торцевые поверхности корпуса (5) обработаны с такой точностью, чтобы обеспечить совпадение оптических осей зеркал, прижатых к этим поверхностям. Зеркала (2) и (10) прижимаются к торцевым поверхностям с помощью насадок (7). Юстировка прибора заключается в установке активного элемента вдоль оптической оси резонатора ( зеркал ) Для этого активный элемент перемещается в вертикальном и горизонтальном направлениях в корпусе посредством винтов (6).

Для защиты рабочих поверхностей зеркал и выходных окон активного элемента от действия пыли и влаги в приборе предусмотрена герметизация пассивной части резонатора, осуществляемая резиновыми манжетами (8).

1.3.2. Активный элемент (рис. 2).

Основными элементами активного элемента являются капилляр (1), две полусферы (2), на которых под углом Брюстера закреплены выходные окна (3) и резервный баллон (4). Капилляр (1) состоит из двух частей: длинной и короткой, что обеспечивает больший объем активной среды. На конце капилляра надето никелевое колечко (5), служащее для фиксации длинного конца капилляра.

Рисунок 2 – Схема активного элемента.

Выходные окна изготовлены из оптического стекла и отполированы с высокой степенью точности. Закрепление выходных окон на полусферах производится методом оптического контакта. Вблизи одной из полусфер расположен впаянный в стеклооболочку анод активного элемента (6).

Резервный баллон служит для увеличения запаса газа. В нем смонтированы подогревный титановый геттер (8) и прямонакальный катод (9) с гибкими наружными выводами (10). При эксплуатации активный элемент крепится за баллон (4) или шейки (11).

Геттер в активном элементе устанавливается для технологических целей и в процессе эксплуатации не используется.

1.3.3. Питание излучателей ИЛГН-104 осуществляется от специального источника питания ИП-2 ПВРО. 397.001 ТУ.

Поиск по сайту: