Газовый лазер на смеси гелия и неона, страница 3

Здесь числа в обозначениях мод определяют число нулей (темно) по X и У, число q -число длин волн укладывающихся на длине резонатора. Поперечные моды с большими индексами испытывают наибольшие дифракционные потери, в следствии этого условия генерации выполняются наилучшим образом для мод в близи оси резонатора. Это обеспечивает высокую направленность излучения лазера. Путем специальной настройки зеркал или введением в резонатор диафрагм можно получить генерацию на одних продольных модах. Этот режим работы лазера называется одномодовым. Для него лазерный пучок имеет минимальную расходимость и по форме является гауссовым пучком. В нем распределение амплитуды в поперечном сечении меняется по закону Гаусса   - exp(r²/w²), где г - расстояние от оси пучка, w - размер пятна на расстоянии от оси, где амплитуда поля уменьшается в 1/е раз по сравнению с величиной на оси. Важным свойством гауссового пучка является то, что его можно сфокусировать в пятно минимального размера, определяемого только дифракцией. В ряде случаев внесением в резонатор селективных фильтров, или, при малых превышениях над порогом генерации, удается получить генерацию только на одной продольной моде. Такой режим работы лазера называется одночастотным. В этом случае реализуется максимальная монохроматичность излучения лазера (максимальная узость спектра). Таким образом, лазер обладает слабо расходящимся, остронаправленным с минимальной шириной спектра, излучением. В силу этих причин лазер является высоко когерентным источником. Его пространственная и временная когерентность велики. Если две любые точки протяженного источника могут образовывать интерференционную картину, то про такой источник говорят, что он обладает пространственной когерентностью. Если интерференционную картину можно наблюдать на больших расстояниях от источника, то про такой источник говорят, что он обладает высокой временной когерентностью. Понятие когерентности излучения источника связано именно с узостью спектра. Любая спектральная линия представляет собой полосу частот ширина, которой определяется соотношением: Аv приблизительно равно 1/Аt. (А – дельта)

здесь At- длительность импульса волнового цуга. Таким образом, ширина полосы частот - это величина, близкая обратной длительности импульсам, и характеризует собой
гармоничность колебаний. Время At называется временем когерентности, а расстояние Ах = cAt называется когерентной длиной. 

Лазерные источники, как правило, обладают обеими видами когерентности в большой степени. Для лазера длина когерентности достигает значений от сотен метров до сотен километров.

ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ ЛАЗЕРА.

Выходная мощность лазера определяется атомными постоянными среды (расположением энергетических уровней, временами жизни возбужденных частиц на них, параметром насыщения и др.), потерями в резонаторе и некоторыми другими условиями. Условием возникновения генерации является условие равенства усиления активной среды потерям в резонаторе. В [3] приводится формула для подсчета оптимальной выходной мощности гелий - неонового лазера в зависимости от усиления и потерь в резонаторе,

Р_вых.= 2I_нас. А[(G₀)^1/2-( П)^1/2] ²

Здесь Iнас. - параметр насыщения активной среды. Его размерность вт/см². Величина А - поперечная площадь моды. Величина Go - ненасыщенное усиление активной среды,

Go =6,0 х 10^-41/d [%]

где 1 и d - длина и диаметр лазерной трубки в см. Величина П - все потери внутри резонатора. Практически выходную мощность лазера измеряют калиброванными измерителями, т.к. точно просчитать ее затруднительно. Величины A, I_нac.Go, П - зависят от разных факторов: давления смеси газов, разрядного тока, качества зеркал и брюстеровских окон, которые трудно определимы.

НАСТРОЙКА РЕЗОНАТОРА.

Для настройки оптических резонаторов могут применяться оптические приборы, например, автоколлиматоры. Разрядные трубки гелий - неоновых лазеров, которые имеют диаметр один мм и более, могут быть настроены простыми средствами методом автоколлимации, суть его будет подробно изучаться на практическом занятии.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

Изучение работы гелий - неонового лазера осуществляется с помощью лазера ЛГ - 75. Выходное зеркало его вынуто из резонатора и установлено на отдельной стойке. В таком виде резонатор включает в себя воздушное пространство между выходным зеркалом и трубкой. Это позволяет производить настройку и замену зеркал, а также вводить в резонатор лазера диафрагмы для изучения модового состава излучения.

Необходимо научиться выставлять зеркала для получения генерации, с помощью калиброванного приемника измерять его выходную мощность, диафрагмированием луча

получать различные типы колебаний в резонаторе (моды). Методом двух экранов оценить расходимость лазерного пучка. Сравнить с дифракционной расходимостью по формуле Релея. Пользуясь формулой для доплеровского контура линии излучения лазера вычислить его ширину. Константы для вычисления следующие Л₀ =  0,6328 мкм., К = 1,3806x10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана, М = 20 а.е. – масса атома неона, с = 3х10¹⁰ см/с, Т=300 К, ln2=0.7, 1а.е.массы = 1.66х10^-24 г.

СОДЕРЖАНИЕ ОЧЕТA.

1.  Физические принципы работы лазера.

2.  Физические характеристики излучения: монохроматичность, когерентность,
модовый состав, мощность излучения.

3.  Конструкция лазера: резонатор, зеркала, брюстеровские окна, электроды.

4.  Практическая часть: принцип настройки зеркал резонатора, измерение выходной
мощности, наблюдение и объяснение модовой структуры, измерение расходимости
пучка.

5.  Графическая часть: схема конструкции лазера, схемы, поясняющие теоретические
положения, схемы измерения выходной мощности и расходимости пучка.    

ЛИТЕРАТУРА.

1.   В.В. Покасов. Экспериментальные методы лазерной физики. Пособие к практикуму.

Часть 1. 1999г.

2.   М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. Наука. М. 1970г.

      3.  А. Ярив. Квантовая электроника. Сов. Радио. М. 1980г.

4.  Г.С. Ландсберг. Оптика. Наука. М. 1976г.

5.  Ф.Качмарек. Введение в физику лазеров. Мир. М. 1981г.

6.  Справочник по лазерам. Том.1 и 2. Под ред. Прохорова A.M. Сов. Радио. М. 1978г.