Квантовая радиофизика: Практикум по специальности ''Радиофизика и электроника''

Ф Е Д Е РАЛ Ь Н О Е АГ Е Н Т С Т В О П О О БРАЗО В АН И Ю В О РО Н Е Ж С КИ Й Г О С У Д АРС Т В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РС И Т Е Т

К В А НТ О В А Я Р А Д И О Ф И ЗИ К А П рактикум п осп ециальности 013800 (071500) (радиофиз икаи электроника)

В О РО Н Е Ж 2005

2

У тверж дено науч но-м етодич еским советом физ ич еского факультета от «05» 07 2005 г., п ротокол № 7.

С оставители: В ласов Б.И . К унаев А.С .

П рактикум п одготовлен на кафедре радиофиз ики физ ич еского факультета В оронеж ского государственного университета

Реком ендован для студентов 4 курса дневногоотделения и м агистров сп ециальности – Радиофиз икаи электроникап ри из уч ении радиофиз ич еского курса «Квантовая радиофиз ика»

3

С одер ж ание 1.1. 1.2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Ф из ич ескиеосновы квантовы х генераторов . . . . . . . . . . Квантовы есистем ы . К вантовы еп ереходы . . . . . . . . . . . Л аб ораторная раб ота № 1. He-Ne лаз ер . . . . . . . . . . . . Л аб ораторная раб ота № 2. П оп ереч ная м одовая структура He-Ne лаз ера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Л аб ораторная раб ота № 3. И з уч ениеуглекислоголаз ера в реж им е неп реры вной генерации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Л аб ораторная раб ота № 4. И з уч ениеим п ульсного аз отноголаз ера . Л аб ораторная раб ота № 5. П олуп роводниковы й лаз ер . . . . . . . + Л аб ораторная раб ота № 6. И онны й Ar лаз ер . . . . . . . . . .

3 4 11 16 22 24 27 34

1.1. Ф И ЗИ ЧЕС К И Е О С НО В Ы К В А НТ О В Ы Х ГЕНЕР А Т О Р О В К вантовы м и генераторам и (КГ ) наз ы ваю тся п риб оры , электром агнитны е волны с п ом ощ ью индуцированного из луч ения квантовы х систем . В п ервы е п онятиеиндуцированного из луч ения б ы ло введено в 1917 годуА. Э йнш тейном , которы й п оказ ал, ч то его сущ ествование наряду сп оглощ ением и сп онтанны м из луч ением необ ходим о для об ъяснения равновесного из луч ения. С ледую щ ий ш аг на п ути к соз данию КГ б ы л сделан советским физ иком В . А. Ф аб рикантом в 1940 году, сформ улировавш им условия эксп ерим ентального об наруж ения индуцированного из луч ения в газ овом раз ряде. Затем Н . Г . Басовы м и А. М . П рохоровы м в С оветском сою з е и Ч . Т аунсом в С Ш А б ы ло п редлож ено исп ольз овать индуцированное из луч ение для усиления электром агнитны х волн в м икроволновом диап аз оне. В скоре это п редлож ение б ы ло реализ овано, и в 1953 ÷ 1954 годах б ы ли соз даны п ервы е действую щ ие КГ – м олекулярны е генераторы нап уч кем олекул ам м иака, раб отаю щ иенадлиневолны 1,25 см . И сследования м олекулярны х генераторов з алож ило основы новой об ласти науки – квантовой радиофиз ики, б урное раз витие которой п ривело к соз данию исклю ч ительно стаб ильны х стандартов ч астоты и врем ени, об ладаю щ их ч рез вы ч айно низ ким и соб ственны м и ш ум ам и квантовы х п арам агнитны х усилителей и м ощ ны х когерентны х источ ников из луч ения в И К, оп тич еском и У Ф диап аз онах. П рим енение п оследних п оз волило исп ольз овать в оп тике достиж ения радиофиз ики, з аним аю щ ейся главны м об раз ом когерентны м и колеб аниям и. В рез ультате для реш ения науч ны х п роб лем б ы ли об ъединены усилия оп тиков и радиофиз иков. Д остиж ения квантовой электроники исп ольз ую тся в сам ы х раз лич ны х об ластях науки и техники, нач иная от сварки электродов и п рож игания отверстий в алм аз ны х фильерах с п ом ощ ью луч а лаз ера и конч ая исследованиям и в об ласти косм ич еской связ и и технологии, п олуч ении уп равляем ой терм оядерной реакции и соз дании новы х п ерсп ективны х раз делов оп тики, таких какнелинейная оп тика и голография.

4

С оврем енны е К Г из готовляю тся на основе раз лич ны х вещ еств, находящ ихся в твердом , ж идком и газ ооб раз ном состояниях, сущ ественно раз лич аю тся п о конструкции, п о м еханиз м ам п олуч ении генерации, длине волны генерированного из луч ения (10-5÷10см ), генерируем ой м ощ ности (1010 ÷1013 В т) и другим п арам етрам . О днако всем КГ п рисущ и три об щ иеч ерты : 1) в основеКГ леж ит явлениеиндуцированного (вы нуж денного) из луч ения; 2) из луч аю щ ая среда находится в особ ом неравновесном состоянии – инверсном состоянии, когда ч исло ч астиц на верхнем раб оч ем уровне б ольш е, ч ем наниж нем ; 3) как во всех генераторах, в КГ сущ ествует п олож ительная об ратная связ ь. Здесь она осущ ествляется сп ом ощ ью з анесенной в рез онаторах энергии электром агнитногоп оля. Н иж е п риводятся сведения из атом ной физ ики и радиофиз ики, необ ходим ы едля п оним ания вы п олняем ы х лаб ораторны х раб от. 1.2. К В А НТ О В Ы Е С И С Т ЕМ Ы . К В А НТ О В Ы Е ПЕР ЕХО Д Ы К вантовы м и систем ам и наз ы ваю тся систем ы , состоящ ие изм икроч астиц (электронов, атом ов, м олекул и др.), которы еп одч иняю тся квантовы м з аконам . К вантовая систем а м ож ет им еть неп реры вны й или дискретны й сп ектр уровней энергии. Н еп реры вны й сп ектр уровней характерен для своб одны х ч астиц, дискретны й уровень ч астиц - для связ анны х, таких как атом , м олекулы и др. У стойч ивы е состояния квантовой систем ы , состоящ ей из связ анны х м икроч астиц, характериз ую тся наб ором квантовы х ч исел, оп ределяю щ их з нач ение энергии – уровень энергии и м ом енты систем ы или электронов в систем е. В одноэлектронном п риб лиж ении состояние электронов в слож ном атом е характериз уется совокуп ностью квантовы х ч исел n, l, ml, s и ms (либ о n, l, s, j, mj) п о аналогии сатом ом водорода. Т ак, если электроны об ладаю т п олуцелы м сп ином , т.е. являю тся ферм ионам и, то кним п рим еним п ринцип з ап рета П аули, согласно котором у в атом е не м ож ет б ы ть двух электронов в одинаковом состоянии, т.е. двух электронов, характериз уем ы х одинаковы м наб ором квантовы х ч исел n, l, ml, и ms (нап ом ним , ч то для отдельного электрона s=½ ). С остояние электронов с з аданны м и n и l об раз ую т электронную об олоч ку, нап рим ер 1s – об олоч ку, 2p – об олоч ку и т.д. (рис. 1). Ц ифра указ ы вает з нач ение главного квантового ч исла n, а следую щ ая з а ней б уква – з нач ение l=0(s), 1(p), 2(d), 3(f), 4(g), … Т огда электронной конфигурацией, указ ы ваю щ ей з ап ом инание электронного состояния для атом а аз ота (z=7) б удет 1s22s22p3, аналогич но для атом а натрия (z=11) б удет 1s22s22p63s1. Д ля уп рощ ения з ап иси электронная конфигурация для атом а натрия (z=11) об оз нач ается 3s1 или п росто 3s. П орядок з ап олнения электронны х состояний ч астич но з ап олненны х об олоч ек оп ределяю т п равила Х унда (рис. 2), которы егласят: внутри об олоч ки электроны расп ределяю тся таким об раз ом , ч тоб ы : 1) сум м а ч исел ms п о всем электронам данной об олоч ки б ы ла м аксим альной; 2) сум м а ч исел ml п о всем

5

электронам данной об олоч ки б ы ла м аксим альной. В п ервую оч ередь долж но вы п олняться п ервое п равило, з атем – второе.(С огласно этим п равилам п реж де всего з ап олняется состояние ms=½ , ml=l, з атем состояние ms=½ , ml=l-1 и т.д. П оследним з ап олняется состояниеms=-½ , ml=-l) К вантовы м и состояниям и и квантовы м и ч ислам и, строго говоря м ож но характериз овать только п олны е и нез ависим ы е систем ы , а п рип исы вать отдельном у электрону в атом е свои квантовы е ч исла м ож но лиш ь в п ервом , довольно груб ом п риб лиж ении. В отлич ие от электрона своб одны й атом п редставляет п олную и нез ависим ую систем у. П оэтом у энергетич еские состояния атом а такж е оп исы ваю т с п ом ощ ью квантовы х ч исел, наб ор которы х оп ределяется характером вз аим одействия, п рисущ им рассм атриваем ом у атом у. В о м ногих случ аях в атом ах п реоб ладаю щ им является нерелятивистское м еж электронное вз аим одействие, и такой совокуп ности электронов м ож но п рип исать в отдельности сум м арны й орб итальны й L = ∑ li и сум м арны й сп иновы й S = ∑ si i

i

м ом енты . С оответствую щ ие им квантовы е ч исла L и S оп ределяю тся квантовы м сум м ированием . Э то оз нач ает, ч то, нап рим ер, сум м арное орб итальноеквантовоеч исло L для двух электронов в состояниях l1 и l2 (s1 и s2) м ож ет п риним ать з нач ения от l1+l2 до | l1-l2 | ч ерезединицу. Э то ж есп раведливо для S: S=s1+s2; s1+s2-1; s1+s2-2; … ; | s1-s2 |. Т ип вз аим одействия, п ри котором данная классификация оказ ы вается сп раведливой, наз ы вается норм альной или LS – связ ью . Э нергия атом а оп ределяется в основном его сум м арны м и орб итальны м и сп иновы м м ом ентам и, “главное квантовое ч исло N” как аналог n в атом етеряем физ ич еский см ы сл. Э нергетич еское состояние атом а сз аданны м и квантовы м и ч ислам и L и S наз ы ваю т сп ектральны м терм ом . Е сли одном у уровню энергии соответствует два и б олее раз лич ны х устойч ивы х состояний атом а, то уровень энергии наз ы вается вы рож денны м . С оответствую щ ие ем у устойч ивы е состояния с одинаковой энергией такж е наз ы ваю тся вы рож денны м и (м еж ду соб ой) состояниям и. Ч исло ğ раз лич ны х состояний содинаковой энергией наз ы вается кратностью вы рож дения или статистич еским весом . Каж ды й терм вы рож ден соответственно раз лич ны м воз м ож ны м нап равлениям векторов L и S в п ространстве. Кратность вы рож дения равна (2L+1)(2S+1). В нутренняя энергия атом а з ависит не только от аб солю тны х з нач ений орб итального L и сп инового S м ом ентов, но и от их вз аим ного расп олож ения. Э та з ависим ость оп ределяется налич ием релятивистского электром агнитного вз аим одействия, з ависящ его от сп инов электронов. В рез ультате этого вз аим одействия важ ны й см ы сл п риоб ретает п олны й м ом ент J = L + S и ем у п рип исанное квантовое ч исло J, оп ределяю щ ее в единицах ħ п олны й м ом ент колич ества движ ения атом а, м огущ ее п риним ать з нач ение от (L+S) до (L-S) ч ерез единицу. В б ольш инстве случ аев релятивистские эффекты относительно м алы , и их уч иты ваю т как м алое воз м ущ ение. П од действием этого воз м ущ ения п роисходит ч астич ное снятие вы рож дения и терм с з аданны м L и S расщ еп ляется на ряд энергетич еских п одуровней сраз лич ны м з нач ением J. О б этом расщ еп лении говорят как о тонкой структуре или м ультип летном

6

расщ еп лении уровня. Т ерм сданны м и L и S расщ еп ляется на (2S+1) п ри L>S или (2L+1) п ри L<S раз лич ны х п одуровней. Каж ды й из этих п одуровней остается вы рож денны м п о нап равлениям вектора J, т.е. п о квантовом у ч ислу MJ. Кратность вы рож дения равна(2J+1). Д ля об оз нач ения атом ны х уровней в п риб лиж ении LS – связ и п ринята 2s+1 L следую щ ая сим волика: . С остояния сраз лич ны м и L об оз нач аю тся J п роп исны м и б уквам и латинского алфавита L=0(s), 1(P), 2(D), 3(F), 4(G), 5(H) и т.д. С лова вверху у этого сим вола указ ы вает ч исло 2S+1, наз ы ваем ое м ультип летностью терм а, сп рава вниз у – квантовое ч исло J. Н ап рим ер, 1 2 сим волы S0 и P3/2 об оз нач аю т состояния сL=0, S=0,J=0 и L=1, S=1/2, J=3/2 соответственно. Т аким об раз ом , з адание электронной конфигурации и квантовы х ч исел L, S, J, MJ п олностью оп ределяет состояниеатом а. В ы ч исление квантовы х ч исел L и S атом а об легч ается тем , ч то для п олностью з ап олненны х об олоч ек L=S=J=0. П оэтом у п ри нахож дении L и S всего электронного об лака необ ходим о уч иты вать только не п олностью з ап олненны е об олоч ки. Д ля п олностью з ап олненны х об олоч ек с 2 6 10 конфигурациям и s , p , d , … всегдаим еется толькоодин терм 1S0. Т ерм ы , отвеч аю щ ие электронны м конфигурациям , изкоторы х одна им еет столько электронов, сколько другой не хватает для з ап олнения об олоч ки, совп адаю т. Н ап рим ер, терм ы для p1 – конфигурации аналогич ны терм ам p5 – конфигурации. Рассм отрим воз м ож ны е энергетич еские состояния двух инертны х газ ов – гелия и неона. О сновны е состояния атом а гелия (z=2) им ею т электронную конфигурацию 1s2, которой соответствует единственны й терм 1S0. Н аиниз ш ие воз б уж денны есостояния отвеч аю т случ аю , когда один электрон из1s-об олоч ки п ерейдет в 2s-об олоч ку (см . рис.3), т.е. электронной конфигурации 1s12s1. Д ля оп ределения терм ов воз б уж денны х состояний рассм атриваю т отдельно состояния одного воз б уж денного электрона и оставш ихся электронов, которы е об раз ую т так наз ы ваем ы й атом ны й остаток. В наш ем случ ае остаток 1s характериз уется квантовы м и ч ислам и S`=½ , L`=0, а воз б уж денном у электрону в 2s-состоянии м ож но п рип исать только з нач ения s=½ и l=0. О тсю да для 1 1 конфигурации 1s 2s воз м ож ны два з нач ения сп инового ч исла атом а нe в воз б уж денном состоянии: S=0 и S=1 и единственноез нач ениеL=0. Каж дом уиз этих состояний соответствую т в силу (J=[L+S]) единственны е з нач ения J=0 и 1 3 J=1. И м отвеч аю т два воз м ож ны х терм а: S0 и S1. Ч тоб ы указ ать, ч то эти терм ы п ринадлеж ат воз б уж денном у состоянию сэлектронной конфигурацией 1S12s1, п еред сим волом терм а указ ы ваю т главное и орб итальное ч исла воз б уж денного электрона. Т аким об раз ом , п ереходу одного электрона с1s-об олоч ки атом а в 2s-об олоч куотвеч аю т двараз реш енны х энергетич еских состояния (терм а): 2s 1 3 3 S0 и 2s S1. С остояние 2s S1 п о п равилам , аналогич ны м п равилам Х унда, долж но б ы ть расп олож ено ниж е состояния 2s 1S0, как п оказ ано на рис. 3. 1 1 Аналогич ны етерм ы б удут для электронны х конфигураций 1s 3s , 1s14s1 и т.д. О сновном у состоянию 1s22s22p6 атом а неона (z=10), как и в атом е гелия, соответствует единственны й терм 1S0. Н аиниз ш им воз б уж денны м состояниям 2 2 5 1 отвеч ает электронная конфигурация 1s 2s 2p 3s . К вантовы е ч исла атом ного

7

остатка S`=½ , L`=1, а воз б уж денного электрона s=½ , l=0. Н а основании квантового сум м ирования воз м ож ны следую щ ие ком б инации квантовы х ч исел для атом аNe в целом : S=1, L=1, J=2, терм 3s 3P2 J=1, терм 3s 3P1 J=0, терм 3s 3P0 S=0, L=1, J=1, терм 3s 1P1 И м соответствует ч еты ре уровня энергии, как п оказ ано на рис. 3. 5 1 5 1 О ч евидно, каж ды й изэлектронны х конфигураций 2p 4s , 2p 5s и т.д. такж е б удет соответствовать п о ч еты рераз реш енны х состояния. Н етрудно уб едиться, ч то п ереходу электрона в воз б уж денны е p- состояния атом а Ne, т.е. электронны м конфигурациям 2p5np1 (n=3, 4, … ), б удут соответствовать п о 10 раз реш енны х уровней энергии. LS – тип связ и им еет м есто для легких атом ов. Д ля б олее тяж елы х атом ов исп ольз ую тся другие тип ы связ и и, соответственно, другие наб оры квантовы х ч исел. П ереход с одного уровня квантовой систем ы на другой – квантовы й п ереход – м ож ет соп ровож даться п оглощ ением или из луч ением кванта энергии (фотона) (1.1) hν = E2 − E1 , где h – п остоянная П ланка, равная 6,62·10-27 эрг·сек, ν– ч астотаиз луч ения, E1, E2 – з нач ениеэнергий уровней 1и 2. С овокуп ность из луч ательны х п ереходов с ниж него уровня на верхний об раз ует сп ектрп оглощ ения данной систем ы , а сверхнего на ниж ний – сп ектр исп ускания. В оз м ож ны такж е б езиз луч ательны е п ереходы , когда квантовы е квантовая систем а отдает (п олуч ает) энергию п ри вз аим одействии сдругим и систем ам и б езиз луч ения. К вантовы е п ереходы с из луч ением м огут п роисходить сп онтанно (сам оп роиз вольно) и вы нуж денно. П ри сп онтанном п ереходе исп ускание фотона случ айно воврем ени и нез ависит от внеш него электром агнитногоп оля. Из луч енны й фотон им еет случ айную ч астоту (в п ределах ш ирины сп ектральной линии из луч ения), п оляриз ацию , нап равлениерасп ространения и фаз у. С ледовательно, ансам б ль нез ависим ы х атом ов б удет из луч ать как некогерентны й источ ник. В аж ное свойство вы нуж денного (индуцированного) из луч ения состоит в том , ч то оно в точ ности п овторяет вы нуж даю щ ее из луч ение, т.е. из луч енны й фотон совп адает сп адаю щ им фотоном п ол ч астоте, п оляриз ации, нап равлению расп ространения и фаз е. П оэтом у вы нуж денное из луч ение м ож ет б ы ть исп ольз ованодля усиления электром агнитной волны . Благодаря налич ию сп онтанного из луч ения квантовая систем а находится на воз б уж денном уровне энергии лиш ь конеч ное врем я, а з атем скач кооб раз но п ереходит на какой- ниб удь б олее низ кий уровень. П усть в нач альны й м ом ент

8

врем ени t=0 им еется N0i атом ов на уровне Ei. Т огда в п оследую щ ие м ом енты врем ени они б удут отдавать свою энергию воз б уж дения, сп онтанно из луч ая фотоны . Ч исло воз б уж денны х атом ов Ni б удет уб ы вать со врем енем п о з акону N i = N 0i e

−

t τi

,

(1.2)

гдеτi – врем я ж из ни атом а на Ei уровне, т.е. врем я, з а котороеNi уб ы вает в “e” раз . В елич ина Ai =

1 , τi

(1.3)

оп ределяю щ ая среднее ч исло фотонов, из луч аем ы х одной ч астицей в 1 секунду наз ы вается вероятностью сп онтанного из луч ения суровня Ei. П олная вероятность Аi сп онтанного из луч ения с уровня Ei на лю б ой другой ниж е леж ащ ий уровень “k” равна сум м е вероятности Aik отдельны х сп онтанны х п ереходов Ei→Ek, т.е. Ai=∑Aik. В ероятность Aik наз ы вается коэффициентом Э йнш тейна для сп онтанного из луч ения. В отлич ие от сп онтанного из луч ения, вероятность квантовы х п ереходов с п оглощ ением или вы нуж денны м из луч ением п роп орциональна п лотности фотонов ρν на ч астоте Бора ν =

Ei − E k и равна Wkiп огл=Bki·ρν и Wikинд=Bik·ρν, где h

Bki и Bik – коэффициенты Э йнш тейна для п оглощ ения и вы нуж денного из луч ения. О ни связ аны с коэффициентом сп онтанного из луч ения Aik соотнош ениям и: Aik =

8πhν 3 8πhν 3 B = ik c3 c3

g~k Bki , g~i

g~k Bki = g~i Bik ,

(1.4) (1.5)

где g~i , g~k - кратность вы рож дения уровней систем ы сэнергиям и Ei и Ek, c – скорость света. Д ля квантовы х п ереходов м еж ду невы рож денны м и уровням и Bki=Bik, т.е. вероятности п оглощ ения и вы нуж денногоиз луч ения равны . В ероятности из луч ательны х п ереходов раз лич ны для раз лич ны х п ереходов из ависят от свойств уровней Ei и Ek, м еж ду которы м и п роисходит квантовы й п ереход. Э ти вероятности тем б ольш е, ч ем сильнее из м еняю тся п ри п ереходе электрич еские и м агнитны е м ом енты систем ы . К вантовы е п ереходы , п ри которы х из м еняется дип ольны й м ом ент систем ы , наз ы вается дип ольны м и п ереходам и. В ероятность сп онтанны х дип ольны х п ереходов п роп орциональна квадрату аб солю тной велич ины м атрич ного элем ента дип ольного м ом ента п ерехода| µik |2 и куб уч астоты п ерехода 64π 4  ν  2   µ ik , 3h  c  3

Aik

д ип

(1.6)

В ероятности п оглощ ения и вы нуж денного из луч ения п ри дип ольны х квантовы х п ереходах оп ределяю тся вы раж ениям и:

9 Bki

д ип

g~ g~ 8π 3 2 д ип ρν = ~ i Bik ρν = ~ i µ ik ρν 2 gk g k 3h

(1.7)

М агнитны е дип ольны е и электрич еские квадруп ольны е п ереходы характериз ую тся соответственно м атрич ны м и элем ентам и м агнитны х дип ольны х и электрич еских квадруп ольны х м ом ентов и т.д. О б ы ч но в квантовой систем е отлич на от нуля лиш ь ч асть м атрич ны х элем ентов п ереходов. Д ля них вероятности п ереходов и интенсивности сп ектральны х линий отлич ны от нуля – п ереходы раз реш ены . О стальны е м атрич ны е элем енты м ом ентов п ереходов равны нулю и, следовательно, вероятности п ереходов и интенсивности сп ектральны х линий равны нулю – п ереходы з ап рещ ены . У словия, оп ределяю щ ие, какие п ереходы раз реш ены , а какиез ап рещ ены , наз ы ваю тся п равилам и отб ора. О соб енно важ ное з нач ение им ею т п равила отб ора для электрич еского дип ольного из луч ения, так как квадрат м атрич ного элем ента электрич еского дип ольного м ом ента п рим ерно в 106 разб ольш еквадрата м атрич ного элем ента м агнитного и электрич еского квадруп ольного м ом ента. В оп тич еской об ласти п ереходы , з ап рещ енны е для электрич еского дип ольного из луч ения, об ы ч но наз ы ваю тся п росто з ап рещ енны м и. Н ап рим ер, для атом а, в случ ае LS – связ и, п равилаотб ораим ею т вид: ∆L=± 1 ∆S=0 (1.8) ∆J=0, ± 1 П ереходы раз реш ены только п ри указ анны х из м енениях квантовы х ч исел орб итального, сп инового и п олного м ом ентов атом а. В з аклю ч ение отм етим , ч то в п риведенны х вы ш е форм улах п редп олагалось, ч то квантовы е систем ы им ею т б есконеч но “уз кие” энергетич еские уровни и, соответственно, п оглощ аю т и из луч аю т на строго оп ределенны х ч астотах. Реальны еквантовы есистем ы им ею т конеч ны еш ирины уровней и конеч ны еш ирины сп ектральны х линий.

Рис. 1. У ровни энергии м ногоэлектронногоатом а (одноэлектронноеп риб лиж ение)

10

Рис. 2. С хем атич ескоеиз об раж ение соб ственны х состояний электрона в м ногоэлектронном атом ев п риб лиж ении сам осогласованного центрального п оля

Рис. 3. Э нергетич ескиесостояния атом ов гелия и неона (з анач ало отсч ета энергии п ринятаэнергия основного состояния)

11

ЛА БО Р А Т О Р НА Я Р А БО Т А № 1 He-Ne лазер Ц ель: 1. И з уч ение теоретич еских основ п роцесса генерации из луч ения He-Ne лаз еров. 2. И з уч ениеосновны х б локов и уз лов дем онстрационногоHe-Ne лаз ера. 3. И з уч ение некоторы х п арам етров из луч ения He-Ne дем онстрационного лаз ера.

1. 2. 3. 4.

Задание: О з наком иться стеоретич еским и основам и п роцесса генерации из луч ения He-Ne лаз еров видим огодиап аз онадлин волн. Раз об раться с оп исанием дем онстрационной м одели He-Ne лаз ера, его составом , сраб отой источ никап итания п оп рилож ениям 1 и 2. Раз об раться в п ринцип иальной оп тич еской схем е из м ерений п о п рилож ению . П олуч ить раз реш ениеп реп одавателя нап роведениеиз м ерений.

В Н И М АН И Е ! В клю ч ение и отклю ч ение п риб оров лаб ораторной раб оты осущ ествляет об служ иваю щ ий инж енер. 5. М едленно вращ ая руч курегулятора нап ряж ения б лока п итания He-Ne лаз ера п о ч асовой стрелке, установить стрелку м иллиам п ерм етра на 80, п ри этом ток раз ряда I0=x × 80 м А =0.03 × 80 м А =2.4 м А. И з м ерить п ри данном I0 з нач ения фототока оп орного фотоп рием ника сп ом ощ ью м икроам п ерм етра М 95 с ш унтом . У станавливая з атем руч ку регулятора нап ряж ения п оследовательно на 90 и далее ч ерез10 до 200, з ап исать соответствую щ ие з нач ения фототока оп орного фотоп рием ника. Руч кой регулятора нап ряж ения вернуться п ош калем иллиам п ерм етрана80. 6. П остроить з ависим ость вы ходной м ощ ности из луч ения лаз ера от тока накач ки активного элем ента и оп ределить з нач ение тока, соответствую щ его з нач ению м аксим альной м ощ ности. О б ъяснить п олуч енны ерез ультаты . I0, mA I, м кА

… …

… …

… …

… …

12

7. У становить диап аз он ч астот сканирования В 6-2 f=(20÷70) Г ц для из м ерения сп ектральной п лотности ш ум ов из луч ения и, увелич ивая ч увствительность руч кой “V”, “м V”, “µV”, п олуч ить отклонение стрелки вольтм етра В 6-2. В ращ ением руч ки ш калы ч астот ч ерез5 делений от 20 до 70 и ч ерез10 делений от 70 до 210, п росканировать все диап аз оны от 20 Г ц до 200 кГ ц, з ап исы вая соответствую щ ие п оказ ания вольтм етра, регулируя ч увствительность таким об раз ом , ч тоб ы стрелка вольтм етра не оп ускалась ниж е 20% от м аксим ального з нач ения ш калы данного п редела. О соб о тщ ательно из м ерить з нач ение ч астот сп ектральны х м аксим ум ов ш ум ов из луч ения и соответствую щ ие этим м аксим ум ам п оказ ания вольтм етра. Д ля каж дого из м ерения з ап исы вать такж е и п оказ ания фототока оп орного фотоп рием ника. Раз делив п оказ ания сп ектральны х ам п литуд, из м еренны х п риб ором В 6-2 на соответствую щ ие з нач ения фототока оп орного фотоп рием ника в каж дой из м еряем ой точ ке и з атем , п ронорм ировав п олуч енны е отнош ения на их м аксим альное з нач ение, в двойном логарифм ич еском м асш таб е п остроить расп ределение норм ированной сп ектральной п лотности ш ум ов в исследованном сп ектральном диап аз оне и п оп ы таться об ъяснить п олуч енны е на графике п ики и об щ ее п оведение сп ектральной п лотности м ощ ности ш ум ов из луч ения дем онстрационного He-Ne лаз ера(П рилож ение4). f, Г ц U, м кВ

… …

… …

8. П олуч ить раз реш ениеп реп одавателя наоконч аниераб оты .

… …

13

Пр илож ение 1

Конструкция активного элем ентаН е-Ne лаз ера (лаб ораторная раб ота№ 1 – He-Ne лаз ер)

1 – стеклянная колб а газ ораз рядной труб ки, з ап олненной см есью He-Ne; 2 – холодны й Al-катод; 3 – коваровы й анод-держ атель корп уса глухого сферич еского з еркала; 4 – коваровы й держ атель корп уса вы ходного п лоского з еркала; 5 – п лоскоез еркало; 6 – сферич ескоез еркало; 7 – б рю стеровская п ластина; 8 – стеклянны й кап иллярдля канализ ации раз ряда.

14

Пр илож ение 2

П ринцип иальная электрич еская схем а источ никап итания дем онстрационногоHe-Ne лаз ера лаб ораторной раб оты № 1 “He-Ne лаз ер” АТ р– автотрансформ атортип аЛ АТ Р-2 Т р.1 – вы соковольтны й трансформ аторсвы ходны м нап ряж ением до3 кВ Д 1÷Д 10 – вы соковольтны евы п рям ительны естолб ы тип аКЦ 106 В С 1=С 2= 2 м кФ ×5 кВ тип аК41-1А С 3÷С 8=1.5 нФ ×3 кВ тип аК15-5 P1=50 М О м изп араллельной п ары рез исторов тип аКЭ В -1 Р2=4.7 М О м тип аКЭ В -5 Р3=22 кО м тип а Ш Б-15Е Р*=0÷75 кО м изп яти рез исторов тип аМ Т -2 кВ – киловольт на диап аз онеиз м ерений нап ряж ения 0÷3 кВ м А – м иллиам п ерм етрдля из м ерения тока от 0 до9 м А Г РТ – газ ораз рядная труб ка Л Г Н -207А

15

Пр илож ение 3

П ринцип иальная оп тич еская схем аиз м ерений лаб ораторной раб оты № 1 “He-Ne лаз ер”

Пр илож ение 4 И сследованиестатистич еских характеристикфлуктуаций из луч ения О КГ Д ля оценки сп ектральны х и корреляционны х характеристик флуктуаций вы ходной м ощ ности О КГ и внеш них воз действий в систем е п риняты усредненны е во врем ени корреляционная функция R12 и сп ектральная п лотность S12 случ айны х п роцессов [1]: R12 (T ,τ ) = S12 (T , f ) =

T

1 U 1 (t )U 2 (t + τ )dt , T ∫0

(1)

T

1 X 1 (t , f )X 2 (t , f )dt , T ∫0

(2)

где Т – длина реализ аций; U1 и U2 – реализ ации п роцессов; X1 и X2 – их текущ иесп ектры . Ч ерта в п равой ч асти (1) и (2) оз нач ает статистич еское усреднение. И сп ольз ование других из вестны х статистич еских характеристик случ айны х нестационарны х п роцессов [1,2] наталкивается на б ольш ие трудности, связ анны есих из м ерением и п рактич еским п рим енением . Из м ерение вы б ранны х характеристик осущ ествляется довольно п росты м п утем [1]. Н етрудно п оказ ать, ч то эти характеристики трансформ ирую тся линейны м и цеп ям и (п ри соб лю дении некоторы х условий) так ж е, как и соответствую щ их характеристикстационарны х п роцессов ∞

R34 (T ,τ ) = ∫ ∫ h1 (η )h2 (ξ )R12 (T ,τ − η + ξ )dηdξ 0

(3)

16 S 34 (T , f ) = H 1 ( f )H 2 ( f )S12 (T , f ) , *

(4)

где R34 – усредненны е корреляционны е функции на вы ходе линейны х цеп ей с п ередаточ ны м и функциям и h1(η) и h2(ξ); S32 – усредненны е сп ектральны е п лотности на вы ходе линейны х цеп ей с коэффициентам и п ередач и Н 1(f) и Н 2(f). Звез доч кой ком п лексно-соп ряж енная функция. Рез ультаты из м ерений флуктуаций м ощ ности из луч ения О КГ в диап аз оне ч астот 20 Г ц – 200 кГ ц п редставленанарисунке1.

рис. 1 Литер атур а 1. Бендат Д ж ., П ирсол А. И з м ерение и анализслуч айны х п роцессов. М ., “М ир”, 1971. 2. Котю к А. Ф ., Ц ветков Э .И . С п ектральны й и корреляционны й анализ нестационарны х случ айны х п роцессов М ., И з д-во стандартов, 1970. ЛА БО Р А Т О Р НА Я Р А БО Т А № 2 Попер ечная модовая стр ук тур а He-Ne лазер а Ц ель: 1. И з уч ениетеоретич еских основ форм ирования м одовой структуры из луч ения в откры ты х рез онаторов лаз еров. 2. И з уч ениеп оп ереч ной м одовой структуры He-Ne лаз ераЛ Г Н -207А. Задание: 1. О з наком иться с теорией форм ирования м одовой структуры из луч ения в откры ты х рез онаторах.

17

2. О з наком иться см етодикой расч ета конфокальны х п арам етров рез онаторов и м етодам и регистрации м одовой структуры из луч ения лаз еров п о п рилож ению 2. 3. Раз об раться в п ринцип иальной оп тич еской схем еиз м ерений п о п рилож ению 1. 4. П олуч ить раз реш ениеп реп одавателя нап роведениеиз м ерений. В ы п олнениераб оты : В Н И М АН И Е ! В клю ч ение и отклю ч ение п риб оров лаб ораторной раб оты осущ ествляет об служ иваю щ ий инж енер. 1. Н аб лю дая п оказ ания ч астотом ера Ч З-34А, з ап исать п одряд 20 п оказ аний с п ятью з нач ащ им и цифрам и ч астоты б иений м еж ду п родольны м и м одам и рез онаторалаз ераЛ Г Н -207А. Н айти усредненную ч астоту м еж м одовы х б иений с уч етом эффекта “Затягивания ч астоты ” п оп рилож ению 2 оп ределить длинурез онатораLp. 702.60 702.75 … … … 2. В ращ ая б араб аны вертикального и гориз онтального п ерем ещ ения сканирую щ его фотоп рием ника с м икродиафрагм ой 8 м км , вы вести отверстиедиафрагм ы в левы й верхний угол квадрата 10 × 10 м м 2 (см отря п о ходу луч а), п ри этом п ятно лаз ерного из луч ения долж но расп олагаться в этом квадрате сим м етрич но, а п оказ ания ш кал б араб анов долж ны б ы ть целоч исленны м и. П ройдя вращ ением б араб анов п о всем ч еты рем сторонам квадрата и вернувш ись в нач альную точ ку, уб едиться, ч то стороны квадрата нез адеваю т п ятно лаз ерного из луч ения. 3. С оставить таб лицу из21 × 21 квадратов на б ум аге в клетку с раз м ером -4 яч ейки около1 см . (Знач ениев таб лице*10 ) 22.1 21.6 21.1 20.6 … … … … … … … … … … … … … 16.0 15.5 15.0 14.5 14.0 13.0 … … … …

18

21

17

13

9

5

1

4. С нять п оказ ания отнош ения фототоков сканирую щ его и оп орного фотоп рием ников п о п оказ анию вольтм етра В 2-22 и з ап исать их в левой верхней клетке таб лицы . Затем , вращ ая рукой б араб ан вертикального движ ения, п ерем естить сканирую щ ий фотоп рием ник в сторону лаз ерного п ятна на 50 делений, т.е. на 0,5 м м . С нова снять п оказ ание отнош ения фототоков об оих фотоп рием ников и з ап исать их во второй клетке вертикального столб ца таб лицы . П ройдя, таким об раз ом , ровно 10 м м (т.е. 21 точ ку сканирования п о строке), см естить фотоп рием ник п о ш кале б араб ана гориз онтального движ ения на 50 делений, т.е. на 0,5 м м , и снова п ройти столб ец, но уж е в об ратном нап равлении, сним ая п оказ ания отнош ения фототоков и з ап исы вая их в соответствую щ их клетках таб лицы . П ройти таким об раз ом “з м ейкой” п о 21 столб цу и п росканировать, таким об раз ом , м одовоерасп ределениеп ятнаиз луч ения He-Ne лаз ераЛ Г Н -207А. 5. П ронорм ировать все з нач ения на сам ое м аксим альное з нач ение отнош ения во всей таб лице. 6. И сп ольз уя п олуч енную норм ированную таб лицу, п остроить на м иллим етровке в м асш таб е 10:1 п о п олю сканирования (т.е. точ ка сканирования ч ерез 5 м м ) норм ированны й п рофиль верхней строки сканирования, соединяя всеп олуч енны еточ ки карандаш ом . О п уститься на 5 м м ниж е и см еститься 5 м м влево и таким ж е об раз ом п остроить п рофиль второй строки. С м ещ аясь, каж ды й разна 5 м м внизи влево, п остроить все п рофили изп олуч енной таб лицы .

7. О п ределить ном ерп оп ереч ной м оды Т Е М min (или их см еси) и раз м ерп ятна интенсивности на уровне 0,5 от м аксим ум а, как п о гориз онтали, так и п о вертикали. 8. В ращ ая б араб аны вертикального и гориз онтального п ерем ещ ений сканирую щ его фотоп рием ника, найти п о п оказ аниям В 2-22 и з ап исать точ ку м аксим ум а интенсивности п ятна из луч ения, з атем п роделать то ж есам оеп о вертикали. 9. О п ределить цену деления лим б ов углового сканатора п о гориз онтали, а з атем п о вертикали, п ерем ещ ая п ятно вращ ением лим б ов на 100 делений п о гориз онтали и вертикали и з ам еряя п ри этом см ещ ение центра п ятна с п ом ощ ью двухкоординатного сканатора.

19

10. Зная раз м еры п ятна в п лоскости сканирования, цену деления лим б ов углового сканатора, расстояние м еж ду вы ходны м з еркалом лаз ера и з еркалом углового сканатора (1710 м м ) и сканирую щ им з еркалом и фотоп рием ником сдиафрагм ой (1160 м м ), рассч итать диаграм м ы угловой расходим ости из луч ения лаз ера Л Г Н -207А. 11. П о форм улам п рилож ения 2 для оп тич еского рез онатора п ри R1=500 м м , R2=∞, Lp=225 м м рассч итать: а) п оп ереч ны й раз м ерм оды навы ходном з еркалеп о уровню 0,5; б ) радиусволнового фронтав п лоскости анализ а; в) расходим ость лаз ерного из луч ения; г) сравнить расч етны ез нач ения и з нач ения, п олуч енны еп ри из м ерениях. 12. П редъявить п олуч енны е рез ультаты п реп одавателю , об ъяснить их и п олуч ить раз реш ениенаоконч аниераб оты . Пр илож ение 1

20

Пр илож ение 2 Д вухз еркальны й оп тич еский рез онаторлаз ера.

Расп ределениеам п литуды электрич ескогоп оля световой волны в конфокальном рез онатореоп исы вается вы раж ением  x2 + y2  x y  для квадр E ( x, y ) = E0 H m   H n   exp − атны х з еркал, 2ω 2  ω  ω  

где m,n – п оп ереч ны еиндексы м оды п оосям x,y; Hm и Hn – п олином ы Э рм ита,  r2   r  l  r2   L p  2 2  exp − 2  cos ϕ l для круглы х з E p ,l (r, ϕ ) = E0  2 еркал, ω0   ω0    ω0 

гдеp – радиальны й, аl – аз им утальны й индексы п олином аЛ агерра.

С об ственны еч астоты колеб аний п устого рез онаторасоответственноравны ν m ,n ,q =

C (q + δ m ,n ) 2Lp

и

∆ν = ν m,n,q+1 − ν m,n ,q =

C ч астота м еж м одовы х б иений 2Lp

п устого рез онатора ν p ,l ,q =

C (q + δ p,l ) . 2Lp

Э ффект “Затягивания ч астоты ” для He-Ne лаз ера п риводит к ум еньш ению м еж м одовогоч астотного интервала ∆ν =

C 2 Lp

 γ c 1 − k ∆ ωk 

  , 

гдеγk=0.04 м -1 – коэффициент усиления контура линии генерации ∆ωk=9.4*109 Г ц – ш ирина контура линии генерации.

21

В ведем для оп исания п арам етров рез онатораоб об щ енны еп арам етры g1 = 1 −

Lp

и g2 = 1 −

R1

Lp R2

,

тогда условия устойч ивости генерации м ож но з ап исать следую щ им об раз ом 0 ≤ g1 g 2 ≤ 1 , а конфокальны й п арам етррез онатора LЭ = 2 L p

g1 g 2 (1 − g1 g 2 ) . g1 + g 2 − 2 g1 g 2

П рич ем м есто п олож ения п еретяж ки относительно з еркал R1(z1) и R2(z2) связ ано сп олож ением з еркал z1 = L p

g 2 (1 − g1 ) g1 (1 − g 2 ) , z2 = L p , g1 + g 2 − 2 g1 g 2 g1 + g 2 − 2 g1 g 2

а) п ри R1=R2=∞ – п лоский рез онатор, g1=g2=1; б ) п ри R1=R2=Lp – сим м етрич ны й конфокальны й рез онатор, g1=g2=0; в) п ри R1=Lp, R2=∞ – п олуконфокальны й рез онатор, g1=1/2, g2=1. Расп ространение Г ауссовы х п уч ков (TEM00) оп исы вается из м енением раз м ерап уч ка

в своб одном

п ространстве

  λz  2   , ω (z ) = ω 0 1 +    πω 0 2     2

2

λLэ – для TEM00 м оды в п лоскости п еретяж ки z=0, и радиуса 2π   πω 2  2  кривиз ны волнового фронта ρ (z ) = z 1 +  0   .   λz    

где ω 0 =

У гловой радиусрасходим ости гауссовап уч ка в дальней з онесоставляет 2

θ р а сх

ω   λ  =   +   ,  ρ   πω  2

ап о уровню 0.5 2

 ω  λ  θ 0.5 =  ln 2 ⋅  +  ln 2 ⋅  , ρ  πω   ω – геом етрич еская расходим ость, ρ ln 2 λ – дифракционная расходим ость. π ω

где ln 2 ⋅

2

22

ЛА БО Р А Т О Р НА Я Р А БО Т А № 3

1. 2.

1. 2. 3. 4.

И зучение уг лек ислог о лазер а в р еж име непр ер ы вной г енер ации Ц ель: Из уч ение теоретич еских основ п роцесса генерации из луч ения на м олекулах С О 2 в неп реры вном реж им е. Из уч ение п оп ереч ной м одовой структуры из луч ения углекислого лаз ера в реж им енеп реры вной генерации. Задание: О з наком иться стеоретич еским и основам и п роцесса генерации из луч ения на колеб ательны х п ереходах м олекулы С О 2 в инфракрасном диап аз оне. О з наком иться с теорией форм ирования п оп ереч ной м одовой структуры из луч ения в откры ты х рез онаторах лаз еров. О з наком иться сконструкцией и раб отой углекислотного лаз ера Л Г -22 п о технич еском уоп исанию и инструкции п о эксп луатации. О з наком иться сп ринцип иальной оп тич еской схем ой п роведения из м ерений п о п рилож ению 1. П олуч ить раз реш ение п реп одавателя на п роведение из м ерений.

В Н И М АН И Е ! В клю ч ение и отклю ч ение п риб оров лаб ораторной раб оты осущ ествляет об служ иваю щ ий инж енер. 5. Н аб лю дая свеч ениеасб естового п окры тия з атвора, ю стировоч ны м и винтам и вы ходного з еркала рез онатора п олуч ить и идентифицировать раз лич ны е тип ы Т Е М nm м од п ри п олностью откры той диафрагм ерез онатора. 6. У м еньш ая велич инуотверстия диафрагм ы и п одъю стируя вы ходноез еркало, п олуч ить генерацию на основной п оп ереч ной м оде Т Е М 00 п ри токе раз ряда Iр=20 м А см аксим альной яркостью свеч ения. У б едитесь в налич ии раб оты лаз ера в реж им е Т Е М 00 м оды , вы ж игая в п оролоне “ям ки” п ри откры вании з атвора на1.5 ÷ 2 секунды . 7. У б едивш ись в п олуч ении одном одового реж им а генерации, из м ерить вы ходную м ощ ность п ри токе раз ряда Iр=20 м А с п ом ощ ью калорим етрич ескогоиз м ерителя м ощ ности тип а И М О -2. 8. С нять з ависим ость вы ходной м ощ ности из луч ения С О 2 лаз ера от тока раз ряда газ ораз рядной труб ки п ри увелич ении тока до 50 м А ш агам и п о 2 м Аиз атем снова установить токраз рядаIр=20 м А. Ip, mA …

Pвы х, В т п о И М О -2 …

Pвы х, В т …

9. П остроить з ависим ость вы ходной м ощ ности от тока раз ряда, оп ределить точ кум аксим ум а и об ъяснить п реп одавателю п олуч енны ерез ультаты .

23

10. П олуч ить раз реш ениеп реп одавателя на оконч аниераб оты . В Н И М АН И Е ! П остоянно следить з а давлением охлаж даю щ ей воды п о м аном етру, стрелка которого долж на п ри раб оте лаз ера 2 находиться в п ределах (1.5÷1.8) кгс/см . В случ ае ум еньш ения давления воды ниж е1.5 кгс/см 2 кноп кой “О Т КЛ ” лаз еротклю ч ить и п ригласить об служ иваю щ егоинж енера.

Пр илож ение 1

П ринцип иальная оп тич еская схем аиз м ерений лаб ораторной раб оты № 3 “И з уч ениеуглекислотного лаз ера в реж им енеп реры вной генерации”.

24

ЛА БО Р А Т О Р НА Я Р А БО Т А № 4 И зучение импуль сног о азотног о лазер а 1. 2.

1. 2. 3.

Ц ель: Из уч ение теоретич еских основ п роцесса генерации из луч ения в ультрафиолетовой об ласти на квантовы х п ереходах м олекулы N2. Из м ерение м ощ ностны х характеристик им п ульсного аз отного лаз ера Л Г И 21. Задание: О з наком иться стеоретич еским и основам и п роцесса генерации на λ = 322 нм нам олекулах аз отав им п ульсном реж им евоз б уж дения. О з наком иться сконструкцией и раб отой лаз ера Л Г И -21 п о технич еском у оп исанию и инструкции п оэксп луатации. Раз об раться в п ринцип иальной оп тич еской схем еиз м ерений п о п рилож ению I. П олуч ить раз реш ениеп реп одавателя нап роведениеиз м ерений.

В Н И М АН И Е ! В клю ч ение и отклю ч ение п риб оров лаб ораторной раб оты осущ ествляет об служ иваю щ ий инж енер. 4. П ереклю ч атель “В ы ходное нап ряж ение” б лока п итания п овернуть п о ч асовой стрелке на 0.7 п ри этом стрелка м иллиам п ерм етра долж на отклониться от нулевогоп олож ения и долж нап оявиться генерация. 5. Н а экране осциллографа долж ен п оявиться им п ульс, соответствую щ ий врем енном у п оведению м гновенной м ощ ности им п ульса из луч ения. Из м ерить ам п литуду и длительность им п ульса п ри раз ны х вы ходны х нап ряж ениях от 0.7 до 1.0, п ри этом из м ерять средню ю м ощ ность из луч ения лаз ера с п ом ощ ью из м ерителя оп тич еской м ощ ности И М О п ри ч астоте следования им п ульсов fп =50 Г ц (а); fп =100 Г ц (б ). а) и б ) Ф орм а Uвы х Iн, mA Uам п , В Pср, mВ Т τи , м кс им п ульса … … … … … … 6. Рассч итать энергию и п иковую м ощ ность им п ульса и ее з ависим ость от среднеготока им п ульсной накач ки раз рядав газ ораз рядной труб ке. а) и б ) Iн, mA Eим п , Д ж Pп ик, В т … … … Eи м п =

Pср fп

; Pпи к =

2 Pср f пτ и

.

7. П остроить графики з ависим ости п иковой м ощ ности им п ульса из луч ения от среднего тока накач ки и средней м ощ ности из луч ения от среднего тока накач ки.

25

Г рафикэксп ерим ентальной з ависим ости средней м ощ ности из луч ения от среднего токанакач ки

Г рафикэксп ерим ентальной з ависим ости п иковой м ощ ности из луч ения от среднего токанакач ки

8. О б ъяснить п реп одавателю п олуч енны ез ависим ости. 9. П олуч ить раз реш ениеп реп одавателя наоконч аниераб оты .

26

Пр илож ение 1

П ринцип иальная оп тич еская схем аиз м ерений лаб ораторной раб оты № 4 “И з луч ениеим п ульсного аз отноголаз ера”

27

ЛА БО Р А Т О Р НА Я Р А БО Т А № 5 Полупр оводник овы й лазер 1. 2. 3. 1. 2. 3. 4.

Ц ель: Из уч ениетеоретич еских основ раб оты п олуп роводниковоголаз ера. Из уч ением ощ ностны х характеристикп олуп роводникового лаз ера. И сследованиерасходим ости из луч ения п олуп роводникового лаз ера. Задание: О з наком иться с теорией раб оты п олуп роводникового лаз ера п ри накач ке электрич еским током . Раз об раться в п ринцип иальной электрич еской схем е б лока накач ки п о п рилож ению 1. Раз об раться соп тич еской схем ой из м ерений п о п рилож ению 2. П олуч ить раз реш ениеп реп одавателя нап роведениеиз м ерений.

В ы п олнениераб оты : В Н И М АН И Е ! В клю ч ение и отклю ч ение п риб оров лаб ораторной раб оты осущ ествляет об служ иваю щ ий инж енер. 1. Д ля из м ерения з ависим ости вы ходной м ощ ности п олуп роводникового лаз ера от тока накач ки необ ходим о снять п оказ ания п риб ора В 7-21А, раб отаю щ его в реж им е из м ерения фототока, в з ависим ости от тока накач ки в м А (п риб ор М 4202 “Т ок нагруз ки” б лока п итания п олуп роводникового лаз ера) п о ш кале (0÷300) м А п и всех п олож ениях лим б а 0÷9 п ереклю ч ателя “Т окнагруз ки”. В Н И М АН И Е ! С ледить з а раб отой терм остата п олуп роводникового лаз ера п о п ериодич еском у з агоранию и п огасанию светодиода и з нач ению тока терм охолодильникап ри п олож ении лим б а“3” и б олее. 2. П остроить график п олуч енной з ависим ости вы ходной м ощ ности п олуп роводникового лаз ераот токанакач ки и об ъяснить его. 3. У становить лим б п ереклю ч ателя “Т окнагруз ки” в п олож ение“5”. 4. С нять п оказ ание фототока фотоп рием ника Ф Д П п о п риб ору В 7-21А, п росканировав ч ерез1° сп ом ощ ью п оворотного суп п орта сФ Д П от 0° до сп адания з нач ения фототока до нуля в об стороны от осевой линии суп п орта. 5. П овернув радиаторсустановленны м на нем п олуп роводниковом лаз ером на 90° (вторая б елая стрелка на радиаторе со стороны раз ъем а), п ровести из м ерениеаналогич ноп ункту4. 6. П ронорм ировав каж дую серию из м ерения на м аксим ум , п остроить об е диаграм м ы на п олуп лоскостях сокруж ностям и, равны м и 1 и 0.5. П о уровню 0.5 оп ределить расходим ость из луч ения п олуп роводникового лаз ера в п лоскостях ⊥ п ереходув кристаллеи | | п ереходу. 7. П редъявить п олуч енны е рез ультаты п реп одавателю , об ъяснить их и п олуч ить раз реш ениенаоконч аниераб оты .

28

Пр илож ение 1 Блокнакач ки п олуп роводниковоголаз ера. (П ринцип иальная схем а)

29

Пр илож ение 2 О п тич еская схем аиз м ерений п арам етров п олуп роводниковоголаз ера.

30

Пр илож ение 3 Т ехнич ескиеи сп ектральны ехарактеристики Т ехнич ескиехарактеристики. С равнивая с ч еловеч еским глаз ом , видим , ч то сп ектральная ч увствительность фотодиода им еет п ик около инфракрасной об ласти. П оэтом у фотодиод “видит” свет п олуп роводникового лаз ера нам ного луч ш е ч ем He-Ne лаз ера.

Рис. 1 а) относительны й сп ектрч увствительности глаз а кдневном усвету б ) относительны й сп ектрч увствительности крем невогофотодиода в) относительны й сп ектриз луч ения солнца В He-Ne лаз ере длина волны точ но оп ределяется квантовы м и п ереходам и м еж ду двум я атом ны м и уровням и. В п ротивоп олож ность ем у длина волны п олуп роводникового лаз ера з ависит от технологич еского п роцесса. Т аким об раз ом , п ик длин волн м еняется от лаз ера к лаз еру (об ы ч но оп ределяется с точ ностью ± 2 %). Л аз ерная вы ходная м ощ ность неп реры вно из м еняется от п орогового з нач ения до м аксим ального. В се п олуп роводниковы е лаз еры стаб илиз ированы п о м ощ ности. В ы ш е п орогового з нач ения п отока п олуп роводниковы й лаз ер из луч ает линейно п оляриз ованны й свет. П лоскость п оляриз ации п араллельна pnп ереходу. С п онтанное из луч ение всегда п роисходит с м алой ч астью неп оляриз ованного света. С ростом вы ходной м ощ ности ч асть сп онтанного из луч ения ум еньш ается. Т аким об раз ом , коэффициент п оляриз ации улуч ш ается сростом вы ходной м ощ ности.

31

Рис. 2. Расхож дениеп уч ка луч ей П уч ок луч ей из луч ается оч ень м алой п лощ адью , п ерп ендикулярной к pnп ереходу, иногда равном у длиневолны лаз ера. Д ифракционны еэффекты оч ень сильно отклоняю т п уч ок луч ей. Активная з она п араллельная pn-п ереходу, которая б ольш е ч ем з она п ерп ендикулярная п ереходу. Э ти две раз лич ны е расходим ости (θ и θ⊥) в рез ультате об раз ую т эллип тич ескую п оляриз ацию . Кром етого, эллип тич ность п уч ка луч ей в п олуп роводниковом лаз ереговорит о налич ии астигм атиз м а – лаз ерны й п уч ок п риходит издвух раз лич ны х точ ек п о отнош ению к п араллельны м и п ерп ендикулярны м п лоскостям pn-п ерехода. Э тот астигм атиз м оп ределяется расстоянием ∆Z для этих двух точ ек. Больш ой астигм атиз м м ож ет б ы ть исп равлен, если сфокусировать лаз ерв оч ень м алое п ятны ш ко.

Рис. 3. И з об раж ениеастигм атиз ма

32

С п ектральны ехарактеристики. П олуп роводниковы е лаз еры из луч аю т основную п оп ереч ную м оду. Н екоторы елаз еры из луч аю т п родольны ем оды сраз лич ной интенсивностью .

Рис. 4. С п ектрдля м ногом одового п олуп роводниковоголаз ера

Д ругие п олуп роводниковы е лаз еры им ею т одну основную п родольную м оду.

Рис. 5. С п ектрдля одном одовогоп олуп роводникового

33

Рис. 6. Ч исло м од в з ависим ости от вы ходной м ощ ности Д лина волны п олуп роводникового лаз ера воз растает с увелич ением тем п ературы . Э то воз растание или скач ок длины волны наз ы вается м одовы м хоп п ингом . М еж ду двум я таким и скач кам и длина волны увелич ивается линейно с ростом тем п ературы . Рассм атривая м одовы й хоп п инг видно, ч то тем п ература дрейфует в з ависим ости от длины волны (п рим ерно 0.2 нм /°С ). В ы ходная м ощ ность тож ез ависит от тем п ературы .

Рис. 7. Зависим ость длины волны от тем п ературы

34

Рис. 8. Зависим ость оп тич еской м ощ ности от встреч ногоп отока

ЛА БО Р А Т О Р НА Я Р А БО Т А № 6 И онны й Ar+ лазер Ц ель: 1. И з уч ение теоретич еских основ п роцесса генерации из луч ения ионны х Ar+ лаз еров. 2. И з уч ение м ощ ностны х характеристик Ar+ лаз ера в реж им е генерации нескольких линий. Задание: 1. О з наком иться стеоретич еским и основам и п роцесса генерации из луч ения + Ar лаз еров. 2. О з наком иться со схем ой и раб отой лаз ераЛ Г -106М -1 п о Т О и И Э наданны й лаз ер. 3. Раз об раться с п ринцип иальной оп тич еской схем ой из м ерений п о п рилож ению 1. В ы п олнениераб оты : В Н И М АН И Е ! В клю ч ение и отклю ч ение п риб оров лаб ораторной раб оты осущ ествляет об служ иваю щ ий инж енер. 4. В ращ ая винты ю стировоч ной головки (4), ввести сам ы й ниж ний луч раз лож енного П П В (3) п о сп ектру из луч ения во входное отверстие из м ерителя м ощ ности И М О (5). Зап исав з нач ения тока О КГ , в той ж естроке таб лицы з афиксировать как з нач ение м ощ ности данной линии п о

35

п оказ аниям И М О (5), так и п олную м ощ ность генерации Ar+ лаз ера п о п оказ аниям из м ерительной головки М 265 фотоп рием ника (8). В Н И М АН И Е ! Раз реш ается раб ота лаз ера п ри токе О К Г до 15 А п ри давлении воды на входе систем ы охлаж дения не м енее 1.5 кгс/см 2, а п ри токах б ольш е15 А – нем енее2 кгс/см 2. 5. П ереклю ч ая руч ку“Т окО КГ ” в п олож ение2, 3, 4, з ап олнить вторую , третью и ч етвертую строки таб лицы соответственно п о столб цам п о столб цам “Т ок О КГ ”, “М ощ ность в линии” и “П олная м ощ ность”. П оскольку генерация в об щ ем случ ае осущ ествляется на 4 ÷ 5 линиях, п ровести из м ерения м ощ ности п о каж дой изгенерируем ы х п ри данном токеО КГ линий п о м ере их п оявления в сп ектре генерации. Знач ения линий генерации, их нум ерацию з ап исы ваю т п редварительно п о з нач ению Ni на ш кале б араб ана м онохром атора У М –2, вы водя их на вы ходную щ ель м онохром атора (7). Ф иксировать з нач ения п орогового тока О КГ п оявление новы х линий в сп ектреиз луч ения лаз ера. 6. П роделав указ анны ев п .5 из м ерения, вернуть руч ку “ток О КГ ” в п олож ение “1” и наж ать ч ерную кноп ку п уск м агнитного п ускателя, расп олож енную с левой стороны б лока п итания О КГ . П ри этом з нач ение тока О КГ долж но увелич иваться. 7. П роделать из м ерения согласно п .5 п ри п олож ениях руч ки “Т ок О КГ ” соответственно1, 2, 3, 4. 8. П роделав указ анны е в п .7 п ереклю ч ения и з ап исав необ ходим ы е п оказ ания п риб оров п о всем линиям , вернуть руч ку “Т ок О КГ ” в п олож ение “1” и исторов БРп ереклю ч ить тум б лер, установленны й на б локе б алластны х рез 47 с левого п олож ения в п равое. П ри этом ток О К Г долж ен воз расти. П ровести всеуказ анны ев п .5 из м ерения. 9. В ернуть руч ку “Т ок О КГ ” в п олож ение “1”, а тум б лерна б локе рез исторов БР-47 в левоеп олож ение. П оказ ать п олуч енны ерез ультаты п реп одавателю . 10. О б раб отать п олуч енны е рез ультаты , п остроить в одном и том ж е м асш таб е кривы ез ависим ости м ощ ности из луч ения О КГ в каж дой линии генерации от велич ины тока О КГ . О п ределить п ороговы е з нач ения тока О КГ п оявление линий генерации. И дентифицировать линии генерации, уч иты вая, ч то п ервой п оявляется линия λ = 488.0 нм . 11. П редставить п олуч енны ерез ультаты п реп одавателю и п олуч ить раз реш ение наоконч аниераб оты .

36

Пр илож ение 1

П ринцип иальная оп тич еская схем аиз м ерений лаб ораторной раб оты № 4 “И онны й Ar+ лаз ер” 1 – О КГ тип аЛ Г -106М -1 2 – Д елительная куб -п риз ма 3 – Д исп ерсионны й элем ент – п риз м ап рям ого видения 4 – Ю стировоч ная двухкоординатная головкасп лоским з еркалом 5–Из м еритель м ощ ности оп тич еской на основефотоп рием ника Ф Д П -11У 6 – Блокваттм етраиз м ерительного И М О 7 – М онохром аторп риз м енны й для идентификации линий из луч ения О К Г 8 – Ф отодиодны й п рием никиз луч ения для из м ерения п олной м ощ ности О КГ 9–Из м ерительная головкаМ 265 для индикации п олной м ощ ности из луч ения О КГ

37

Пр илож ение 2 П риб орЛ Г - 106М -1 I. Т ехнич ескоеоп исание Н аз нач ение 1. П риб орЛ Г – 106М -1 (газ овы й ионны й из луч атель неп реры вного действия) п редназ нач ен для исп ольз ования в кач естве источ ника когерентного из луч ения в сине-з еленой об ласти сп ектра в стационарной ап п аратуре об щ егоназ нач ения. 2. П риб орраб отает сп ринудительны м водяны м охлаж дением п ри давлении на входе п риб ора 2.0÷3.0 атм . Ж есткость воды долж на б ы ть не б олее 0.5 м г⋅экв/л. 3. П риб оррассч итан на эксп луатацию п ри тем п ературеот +5° до+35°. Т ехнич ескиеданны е Д иап аз он генерируем ы х длин волн, м км Д лина волн генерации (основная), м км М ощ ность из луч ения (интегральная), В т Расходим ость п уч ка из луч ения угл.м ин В рем я готовности, м ин. Г арантированная нараб отка, ч М ассап риб ора, кг Г аб ариты , м м Д авлениеводы навходе Ж есткость воды

0.4880÷0.5145 0.4880 ; 0.5145 нем енее1 неб олее4 Н еб олее3 500 неб олее50 1040×290×274 2.0 ÷ 3.0 атм неб олее0.5 м г⋅экв/л

II. У стройствоп риб ора Г аз овы й ионны й из луч атель вклю ч ает в себ я оп тич еский рез онатор, активны й элем ент, соленоид и б лок п одж ига. Д ва внеш них з еркала с диэлектрич еским и п окры тиям и з акреп лены ю стировоч ны х головках, стянуты х м еж дусоб ой ч еты рьм я нап равляю щ им и стерж ням и, которы еявляю тся основой конструкции п риб ора. Активны й элем ент п редставляет соб ой двухэлектродную газ ораз рядную труб ку п остоянного тока, нап олненную аргоном . Т орцы труб ки з аканч иваю тся вваренны м и оп тич еским и окнам и, расп олож енны м и п од углом Брю стера. Раз рядны й кап иллярактивного элем ента вы п олнен изкерам ики на основе окиси б ериллия. Активны й элем ент п ом ещ ен в п родольноем агнитноеп оле. Блок п одж ига вклю ч ает в себ я схем у, вы раб аты ваю щ ую им п ульсп одж ига активного элем ента.

38

К онструктивно элем енты б лока п одж ига об ъединены в отдельны й б лок, которы й креп ится к ниж ней ч асти п риб ора. Н а кож ух б лока уп равления вы ведены : раз ъем ы для электроэнергии, а такж е органы уп равления раб отой дез атора газ а (п ереклю ч атель, тум б лер), которы е для п редохранения от случ айны х п ереклю ч ений з акры т съё м оч ной кры ш кой. Д ля п одвода и отвода охлаж даю щ ей воды в п риб оре п редусм отрены ш туцера. Д ля установления п риб ора на п лоской п оверхности или на оп тич еской скам ьеп редназ нач ены 2 стойки свы равниваю щ им и винтам и. III. И нструкция п о эксп луатации У каз аниеп ораз м ещ ению п риб ора. Э ксп луатация п риб ора п роиз водится в п ом ещ ениях, в которы х п редусм отрены : а) п одвод сети трехфаз ного п ерем енного тока нап ряж ением 220-380 В , ч астоты 50Г ц. б ) п одвод воды п ри давлении в циркулярной систем е2.0÷3.0 атм . Ж есткость воды недолж нап ревы ш ать 0.5 м г⋅экв/л. П одготовка краб оте 1. У становить п риб ор на гориз онтальную п оверхность или оп тич ескую скам ью . У становить вб лиз и п риб ораисточ никп итания. 2. П об лиз ости от м еста раб оты установить фильтрдля воды . 3. П роверить отсутствие м еханич еских п овреж дений п риб ора, б лока п итания, фильтра, соединительны х каб елей, сетевого ш нура, рез иновы х ш лангов и налич иеп лом б нап риб оре. 4. П одклю ч ить в б локе п итания уз ел б алластны х рез исторов к вы п рям ителю с п ом ощ ью короткого соединительного каб еля. 5. П одклю ч ить п риб орк б локу п итания сп ом ощ ью второго соединительного каб еля. 6. П одклю ч ить третий соединительны й каб ель кфильтруи кб локуп итания. 7. П одклю ч ить сетевой ш нуркб локуп итания. 8. С п ом ощ ью рез инового ш ланга соединить вход воды от сигареты охлаж дения кодиноч ном уш туцеруфильтра. 9. С п ом ощ ью двух рез иновы х ш лангов соединить 2 б лиз ко расп олож енны х ш туцера нафильтресо ш туцером “В ход воды ”, наиз луч ателе. 10. С п ом ощ ью двух остальны х рез иновы х ш лангов п одсоединить из луч атель и б локб алластны х соп ротивлений ксливуводы систем ы охлаж дения. 11. П оставить органы уп равления б лока п итания в исходноеп олож ение: - вы клю ч атель “С еть” в п олож ении “О ткл”; - п ереклю ч атель “Т окО КГ ” в крайнеелевоеп олож ение. П рим еч ание: п ри п рим енении дистиллированной воды от автоном ной систем ы охлаж дения п одсоединения фильтранеоб яз ательно.

39

П орядокраб оты В клю ч ениеп риб ора 1. П одать воду ч ерез фильтр, ч ерез систем ы охлаж дения п риб ора и уз ла б алластны х соп ротивлений. П роверить налич иеводы в систем еохлаж дения. У становить давлениеводы 2.0÷3.0 атм осфер. 2. П одклю ч ить б локп итания ксети 220/380 В сп ом ощ ью сетевогош нура. 3. П оставить вы клю ч атель “С еть” наисточ никенакач ки в п олож ение“В кл.” 4. Ч ерез1÷2 м инуты п осле сраб аты вания реле врем ени и з агорания лам п ы “Г отов” наж ать кноп ку“С тарт” наб локеп итания. П ри этом ч ерез5÷20 секунд сраб аты вает схем а п одж ига (характерны е щ елч ки раз рядника), в активном элем енте воз б уж дается раз ряд, ам п ерм етр п оказ ы вает ток раз ряда, вольтм етр п адение нап ряж ения на активном элем енте. С п оявлением токараз ряданавы ходеиз луч ателя п оявляется из луч ение. 5. П роиз вести (п ри необ ходим ости) п одъю стировку п риб ора винтам и, вы веденны м и на корп усп риб ора. 6. У становить необ ходим ы й уровень вы ходной м ощ ности из луч ения п ереклю ч ателем “Т ок О КГ ”. М аксим альны й ток раз ряда не долж ен п ревы ш ать 28 А. 7. В Н И М АН И Е ! Н араб отка из луч ателя сильно з ависит от велич ины раз рядного тока, п оэтом у не следует исп ольз овать п риб ор в реж им е м аксим альной м ощ ности из луч ения б езнеоб ходим ости. 8. Е сли п ри вы п олнении оп ерации п о п .1÷4 из луч ение отсутствует, а раз ряд воз б уж дается, необ ходим о п роиз вести ю стировку з еркал оп тич еского рез онаторап риб ора. Ю стировка з еркал п роиз водится сп ом ощ ью автоколлим атора тип а АКТ -400 или другим и из вестны м и сп особ ам и. П рим еч ание: Е сли п одъю стировка винтам и вы веденны м и на корп усп риб ора, не даё т ж елаем ого рез ультата, необ ходим о снять п ередний колп аки п роивести ю стировкуоб еих з еркал. В ы клю ч ениеп риб ора 9. С нять с п риб ора вы п рям ленное нап ряж ение п ереклю ч ателем “С еть”, которы й п еревести в п олож ение“О ткл.”. 10.О тклю ч ить б локп итания от п итаю щ ей сети 220–380 В . 11.Ч ерез10-15 м инут п ерекры ть охлаж даю щ ую воду. С оставители: В ласов БорисИ ванович , К унаев Анатолий С ергеевич РедакторТ ихом ирова О .А.