Исследование лазерных пучков

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра ПР-1

"ПРИБОРЫ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ"

Дисциплина: "Лазерная техника"

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

"Исследование лазерных пучков"

Москва 2010

Цель работы: ознакомление с устройством и конструкцией лазера, основными конструктивными параметрами и методами их определения.

Теоретическая часть

Физические принципы работы лазера

Принцип работы лазера (рассмотрим работу твёрдотельного лазера) основан на явлении вынужденного излучения и связан с оптическими свойствами инверсной среды. Как известно, генерация света осуществляется с использованием либо теплового излучения, либо одного из видов люминесценции. Люминесценция - излучение, мощность которого превышает интенсивность теплового излучения при данной температуре и которое сохраняется в течение некоторого времени после окончании вызвавшего его возбуждения. В люминесцирующем веществе за счёт энергии внешнего воздействия часть электронов с нижних равновесных уровней Е1 переходит на более высокие уровни Еn, а затем оказывается на метастабильном уровне возбуждения Е2 (рисунок 1.1.).

Рис. 1.1.

Возвращение электронов с уровня Е2 на уровень Е1 сопровождается испусканием фотонов с длиной волны определяемой соотношением:

лазер газоразрядный резонатор трубка

l - длина волны лазера [мкм]

Е1 и Е2 - энергия возбуждения [эВ]

Если на люминесцирующую среду с возбуждёнными атомами действует световая волна с частотой, соответствующей резонансной частоте этих атомов - (Е2-Е1), то все атомы будут излучать почти одновременно, взаимосвязано, так что генерируемые фотоны неотличимы от тех, которые эту генерацию вызвали. Такое когерентное излучение называют вынужденным (индуцированным).

Одновременно с вынужденным излучением в люминесцирующем веществе идут процессы поглощения фотонов (переход Е1 ® Е2) и спонтанное излучение.

Одновременное действие этих процессов даёт следующее изменение населенности уровней:

1 и N2 - концентрации активных атомов на уровнях Е1 и Е2

U - плотность излучения

B и А - коэффициенты Эйнштейна

Если N2 > N1, то коэффициент перед U положителен и происходит усиление внешнего возбуждения за счёт вынужденных переходов Е2 ® Е1. Создаётся инверсная населённость уровней (N2 > N1), что приводит к усилению света. Процесс, с помощью которого достигается инверсия в активной среде, называют накачкой, а физическую систему, обеспечивающую этот процесс, называют системой накачки.

Для создания процесса генерации необходима система положительной обратной связи, которая в лазере образуется с помощью зеркал, между которыми располагается активный элемент. Систему из двух зеркал называют оптическим резонатором. Резонатор вместе с активным элементом и системой накачки является основным узлом лазера (рисунок 1.2). Для вывода излучения одно из зеркал резонатора делают полупрозрачным.

Рис. 1.2.

Конструкция лазера

В настоящее время существуют различные типы лазеров. В зависимости от того, в каком состоянии находится активная среда лазеры делятся на: газовые, твердотельные, полупроводниковые, жидкостные.

          В газовых лазерах в качестве активных сред используют азот, смеси гелия и неона, аргон, углекислый газ, криптон, смеси гелия и паров кадмия.

Конструкция газоразрядной трубки представлена на рисунке 1.3.

Рис. 1.3.

Параметры оптических резонаторов

Параметры резонаторов и уровень накачки влияют на пространственные свойства излучения и излучаемую мощность. Основными параметрами резонатора являются: расстояние между отражающими поверхностями (зеркалами) резонатора L, длина активного элемента l, радиусы кривизны отражающих поверхностей r1 и r2, расстояние между торцами активного элемента и зеркалами резонатора l1 и l2, показатель преломления активной среды n, форма и размер апертурной диафрагмы 2а.

Конфигурацию резонатора задают двумя обобщёнными параметрами:

g1=1-L/r1

g2=1-L/r2

Так определяются параметры лазера, если активная среда заполняет полностью резонатор. Если же активная среда заполняет резонатор не полностью, то

1=1-(l1+l2+l/n)/r1

g1=1-(l1+l2+l/n)/r1

Характеристики резонатора определяются конфокальным параметром Rэ, который для пустого резонатора (n=1) можно определить по следующей формуле:

э является радиусом кривизны зеркал эквивалентного конфокального резонатора и одновременно его длиной.

Энергия излучения лазера с резонатором, образованными двумя сферическими или плоским и сферическим зеркалами, распространяется в пространстве по криволинейным лучам (гиперболам). Эти лучи совпадают с нормалями к волновому фронту, который вблизи оси представляет собой сферу. Пучок имеет минимальный поперечный размер (перетяжку) в некотором сечении, где фронт волны плоский (см. рис.1.4).

Рис. 1.4.

По мере удаления от этой плоскости размеры пучка увеличиваются. Положение перетяжки относительно зеркал резонатора определяются так:

Для одномодовых лазеров распределение плотности потока излучения описывается выражением:

I0 - максимальная плотность потока

ws - расстояние от оси пучка до точки, где интенсивность I(r) падает в е2 раз

r - расстояние от оси пучка

Как видно из приведённого выражения, интенсивность в зависимости от радиуса изменяется по закону Гаусса. Радиус пятна в плоскости перетяжки равен:

Размер пятна меняется по координате z для любой моды следующим образом:

0 - размер пятна в плоскости перетяжки моды

z - расстояние по оси от перетяжки

Для основной моды расходимость пучка:

qо=l/pwo

Величина qо есть расходимость пучка в одну сторону от оси по уровню степени в е2 раз от максимального значения.

Таким образом, параметры излучения лазера (размер пятна и расходимость луча) зависят от конфокального параметра, который, в свою очередь, зависит от конструктивных параметров резонатора (радиусов зеркал и расстояния между зеркалами). Определив размер пятна или расходимость пучка, можно найти конфокальный параметр лазера, определив который, можно выбрать радиусы зеркал резонатора.

Определение диаметра пучка производится с помощью сканирования пучка щелевой диафрагмой, за которой установлен приёмник излучения.

Величину потока за щелью представляют в виде:

Φ(δ) - световой поток, падающий на приемник

Φ0 - поток излучения лазера

d - ширина щели

Комплект приборов

Гелий-неоновый лазер, фотоприёмник, регулируемая щелевая диафрагма, светофильтр.

Экспериментальная часть

На оптической скамье собрать схему эксперимента (рисунок 1.5).

Рис. 1.5.

- фотоприемник, 2 - стрелочный измерительный прибор, 3 - регулируемая щель, светофильтр, 5 - газовый лазер, 6 - линейка.

Измерение 1.

Диафрагму и фотоприёмник установить непосредственно за лазером. Ширину диафрагмы установить равной нулю, При этом на фотоприёмник луч от лазера попадать не должен и ток миллиамперметра равен нулю. Открывать диафрагму с шагом 0,1 мм, каждый раз замеряя показания миллиамперметра. Измерения производить до тех пор, пока не перестанут изменяться показания миллиамперметра. При необходимости ввести светофильтр. Построить зависимость тока через прибор от диаметра щели:

/Imax=f(δ)

, Iмах - текущее и максимальное значение тока миллиамперметра

δ - ширина щели.

Измерение 2.

Определить диаметр пучка лазера 2w0=δ на уровне 0,9I/Imax.на этом расстоянии, изменяя диаметр щели δ.

Отодвинуть от лазера диафрагму на всю длину оптической скамьи. Замерить расстояние z. Произвести измерение диаметра пучка лазера 2ws=δ на уровне 0,9I/Imax.на новом расстоянии.

Расчётная часть

) Определить конфокальный параметр лазера Rэ0 из формулы:

э0»2p(wо)2/l

 - радиус пучка лазера, определяемого непосредственно за лазером.

l - длина волны излучения гелий-неонового лазера 0,6328мкм.

) Определить расходимость пучка по формуле:

q=(ws-wo)/z

ws - радиус пучка на расстоянии z от лазера (см рис. 1.6).

Рис. 1.6.

Распределение интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка и положение щели при измерениях

) Сравнить полученное значение q с рассчитанным по формуле:

qо=l/pwo

) Зная измеренную расходимость пучка q и длину волны l, определить радиус перетяжки w01 и конфокальный параметр Rэ. Сравнить полученные значения wo и w01, Rэ и Rэ0, объяснить разницу.

) Зная Rэ и определив длину L резонатора с помощью линейки, найти радиус кривизны заднего зеркала лазера, полагая выходное зеркало плоским (g2=1).

Литература

1.       Пихтин. «Оптическая и квантовая электроника». М., ВШ. 2001.

2.       Ишанин Г.Г. и др. «Источники и приемники излучения». СПб, Политехника, 2005.

.         Карлов Н.В. «Лекции по квантовой электронике».М., Наука, 1991.

.         Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин В.Н. «Оптико-электронные квантовые приборы», М., РиС, 1982.

.         Ю.М. Климов. Основы расчёта оптико-электронных приборов с лазерами. Москва, 1978, страницы 20 - 42.