Усиление в He - Ne активной среде

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3

Гелий-неоновый лазер является газоразрядным лазером. Возбуждение атомов гелия (и неона) происходит в слаботочном тлеющем разряде. Вообще, в лазерах непрерывного действия на нейтральных атомах или молекулах для создания активной среды чаще всего используется слабоионизованная плазма положительного столба тлеющего разряда. Типичная плотность тока тлеющего разряда составляет 100–200 мА/см². Напряженность продольного электрического поля такова, что число возникающих на единичном отрезке разрядного промежутка электронов и ионов компенсирует потери заряженных частиц при диффузии к стенкам газоразрядной трубки. Тогда положительный столб разряда стационарен и однороден. Электронная температура определяется произведением давления газа на внутренний диаметр трубки . При малых электронная температура велика, при больших – низка. Постоянство величины определяет условия подобия разрядов. При постоянной плотности числа электронов условия и параметры разрядов будут неизменны, если неизменно произведение . Плотность числа электронов в слабоионизованной плазме положительного столба пропорциональна плотности тока.

Для гелий-неонового лазера оптимальные значения , равно как и парциальный состав газовой смеси, несколько отличны для различных спектральных областей генерации. В области 0,63 мкм самой интенсивной из линий серии —линии (0,6328 мкм) соответствует оптимальное 3,5 – 4,0Торр·мм. Отношение парциальных давлений гелия и неона, при котором для этой области генерации наилучшим образом выполняются условия генерации составляет 5:1. Энергия возбуждения переходит, главным образом, от состояния Не ( ) к состоянию Ne ( ), как это показано на Рис. 1.

В области одного микрометра, в серии самой интенсивной является линия , (1,15 мкм). Энергию возбуждения поставляет состояние гелия (Рис.1). Оптимальное отношение парциальных давлений гелия и неона составляет 10:1, а значение параметра 10 – 12 Торр·мм. Для области 3,39 мкм (серия , самая сильная линия – 3,3913 мкм) верхний лазерный уровень, как уже говорилось, совпадает с верхним уровнем красной линии генерации 0,63 мкм. Поэтому оптимальные условия разряда оказываются одинаковыми.

В весьма распространенных случаях, когда одна и та же отпаянная газоразрядная трубка используется в гелий-неоновом лазере со сменными зеркалами для работы в различных диапазонах длин волн, обычно выбираются некоторые компромиссные значения в довольно широком диапазоне параметров: диаметр газоразрядной трубки 5 – 10 мм, отношение парциальных давлении 5 – 15, общее давление 1 – 2 Торр, ток 25 – 50 мА.

Рассмотрим теперь более подробно схему уровней нейтральных атомов гелия и неона, представленную на (Рис. 1).

Нижним из возбужденных состояний гелия и соответствуют энергии 19,82 и 20,61 эВ. Оптические переходы из них в основное состояние запрещены в приближении -связи, действительной для гелия. Состояния и – это метастабильные состояния со временем жизни примерно 1 мс. Поэтому они хорошо накапливают энергию, получаемую при возбуждении электронным ударом. Для неона действительна промежуточная -связь.

Рис. 1. Схема нижних возбужденных уровней энергии гелия и неона: прямые стрелки вверх – возбуждение гелия, волнистые стрелки – передача энергии возбуждения от гелия к неону, наклонные прямые стрелки — излучение атомами неона. Каналы релаксации нижних лазерных уровней неона не показаны.

На Рис.1 состояния, относящиеся к одной конфигурации, показаны жирной линией с выделением рабочего подуровня. Для идентификации уровней применены обозначения Пашена, наиболее широко распространенные в существующей литературе. Уровни и близки к метастабильным уровням гелия и , дефицит энергии примерно равен 300 см ^-1. (при 300К 210 см ^-1.) Состояние имеет большое время жизни из-за резонансного пленения излучения в силу радиационной связи с основным состоянием.

В неоне s-состояния имеют большие времена жизни, чем p-состояния. Это, вообще говоря, позволяет получать инверсию на переходах , . Следует, однако, иметь в виду, что состояние неона хорошо населяется в разряде и при не слишком больших токах разряда возможно ступенчатое (каскадное) заселение нижних лазерных уровней при переходах из состояния в и .

Введение в разряд относительно большого количества гелия, обеспечивающего внешний по отношению к неону интенсивный канал заселения состояний и , снимает ограничения на возможность получения инверсии в непрерывном режиме. Исторически первой была получена генерация на переходе . Основная мощность соответствует переходу , l = 1,15 мкм. Затем была реализована инверсия переходов ( ), l = 3,39 мкм) и ( ), l = 0,63 мкм).

Все три вида генерации происходят в примерно одинаковых условиях разряда и имеют одинаковые зависимости мощности генерации от параметров разряда. При этом особенно важна конкуренция генераций на волнах 3,39 и 0,63 мкм, которым соответствуют переходы с общим верхним уровнем. Поэтому генерация на одной из этих волн ослабляет генерацию на другой из них. Дело осложнено резким различием в коэффициентах усиления. Переходу (3,39 мкм) соответствует усиление в 20 дБ/м, и поэтому на нем легко достигается генерация при использовании в резонаторе простых, например металлических, зеркал. Переход (0,63 мкм) гораздо более капризен. Ему соответствует небольшое усиление в 5—6%/м, что при прочих равных условиях никак не может конкурировать с гигантским усилением в 20 дБ/м. Поэтому для получения генерации в видимой области гелий-неоновый лазер снабжается зеркалами с многослойными диэлектрическими интерференционными покрытиями, обладающими высоким коэффициентом отражения только на требуемой длине волны. Переходу (1,15 мкм) соответствует усиление 10—20%/м, генерация достигается также с помощью диэлектрических зеркал.

Практическая часть

Схема установки с оптическим квантовым усилителем представлена на Рис 2. В качестве задающего генератора (ОКГ) используется лазер, работающий на длине волны 0,63 мкм. или 1,15 мкм. Излучение этого лазера проходит через светофильтр Ф₁ , усилитель (ОКУ) и светофильтр Ф₂, после чего попадает на фотоприемник ФД, сигнал которого регистрируется измерительным прибором. В установку входят также блоки питания ОКГ, ОКУ и ФД.

Рис 2 Схема установки для измерения оптического усиления.

Упражнение 1. Изучение световой характеристики фотодиода

Световой характеристикой фотоприемника называется зависимость величины сигнала, получаемого с фотодиода от мощности падающего на него излучения. Зависимость эта в общем случае не линейна, но содержит и линейные участки, которые нужно определить и использовать для измерения оптического усиления. Для этого используется He-Ne лазер и набор светофильтров.

Упражнение выполняется следующим образом:

а) включите ОКГ на нужной длине волны и по форме пятна на экране (лист бумаги) убедитесь, что излучение лазера проходит по оси разрядной трубки ОКУ. Пятно должно быть круглым и, по возможности, не иметь побочных свечений по периметру;

Примечание 1 Светофильтры обладают двулучепромлением, поэтому их пропускание зависит от ориентации относительно плоскости поляризации лазерного луча. В связи с этим с каждым светофильтром нужно проводить измерения в двух взаимоперпендикулярных положениях, и выбирать большее ослабление.

в) меняя светофильтры Ф₂ на выходе ОКУ, по показаниям измерителя постройте световую характеристику фотодиода. Выходная мощность, длина волны излучения задающего генератора и коэффициенты ослабления светофильтров, необходимые для построения характеристики берутся из таблиц или рассчитываются по формуле Бугера.С каждым светофильтром нужно проделать не менее трёх –четырёх измерений и взять среднее значение.

Примечание 2: При каждом измерении нужно вынимать и ставить светофильтр заново перпендикулярно лучу лазера в той же ориентации или повернув на 180⁰.

в) выберите на световой характеристике участок с большей крутизной, который соответствует линейной зависимости сигнала ФД от интенсивности излучения на входе и подберите рабочую точку (показание измерителя примерно на середине линейного участка), которая будет использоваться для измерения усиления.

Примечание 3: после установки очередного светофильтра необходимо убедиться, что ФД находится в центре лазерного пятна или визуально, или оптимизацией положения ФД по максимуму сигнала.

Упражнение 2. Измерение коэффициента усиления ОКУ

Смысл упражнения заключается в регистрации увеличения сигнала ФД при включении усилителя, определения коэффициента усиления ОКУ и изучении зависимости коэффициента усиления от входной мощности. В процессе измерений световая нагрузка на фотодиод не должна меняться и соответствовать рабочей точке, определённой в предыдущем упражнении.

Порядок выполнения упражнения:

а) выберите два или три светофильтра, при одновременной установке которых, сигнал ФД приблизительно соответствует рабочей точке (желательно, чтобы фильтры имели существенно различное пропускание);

б) установите светофильтры в положение Ф2 и 5 – 10 раз снимите показания ФД при включённом и выключенном ОКУ;

в) проделать измерения по пункту б) при всех возможных комбинациях положений светофильтров. Например, 1-ый светофильтр в положении Ф1, а 2-ой в положении Ф2 и наоборот. При этом будет меняться мощность излучения на входе ОКУ, а световая нагрузка на ФД будет оставаться постоянной;

г) вычислите коэффициенты усиления по формуле Бугера-Ламберта -Бера и относительные изменения интенсивности излучения на длине ОКУ (1м) в процентах. Постройте график зависимости К_ус от входной мощности и проанализируйте его.

Упражнение 3. Измерение коэффициента усиления ОКУ в ИК-диапазоне(выполняется при наличии соответствующего излучателя).

Порядок выполнения упражнения:

а) переключите лазер на длину волны 1,15 мкм и, используя описанную выше методику, снимите световую характеристику ФД;

Примечание 4: после переключения лазера необходимо с помощью регулировочных винтов столика, на котором установлен лазер, добиться максимума сигнала ФД.

б) измерьте коэффициенты усиления по выше описанной методике.

Примечание 5: после установки светофильтров необходимо, путём перемещения ФД, добиться максимума сигнала ФД.

в) вычислите коэффициенты усиления по формуле Бугера-Ламберта -Бера и относительные изменения интенсивности излучения на длине ОКУ (1м) в процентах. Постройте график зависимости К_ус от входной мощности.

Контрольные вопросы

1. Как записать скорости испускания и поглощения?

2. Каковы условия, при которых среда усиливает проходящее через нее излучение?

3. Вывод формулы Бугера.

4. Однородное и неоднородное уширения контуров усиления.

5. Инверсия населенности и метастабильные уровни.

6. Как связаны усиление и уширение линий?

7. Схема энергетических уровней He-Ne активной среды.

8. Механизм насыщения усиления (поглощения).

9. Усиление на основных линиях излучения He-Ne лазера.

Ответы на контрольные вопросы включите в отчёт.

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 130; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 23

Мы поможем в написании ваших работ!