МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

Ярославский государственный университет имени П. Г. Демидова

Кафедра микроэлектроники и общей физики

Отчёт по лабораторной работе №6

Оптический квантовый генератор (лазер).

Выполнили: студенты 3-го курса

группы РФ-31 БО

Принял:

Сергеев Александр Николаевич.

Ярославль 2021г

Цель работы: изучение принципов работы оптического квантового генератора (лазера), определение угла расхождения лазерного луча.

Оборудование: гелий-неоновый лазер на стойке, допускающий горизонтальную и вертикальную юстировку, фотоприёмник на стойке с механизмом измеряемого (точность 0,1 мм) горизонтального перемещения, источник питания фотоприёмника, миллиамперметр, оптическая скамья, передвижные крепления (рейтеры) для оптической скамьи, измерительная линейка длиной 1 м.

Краткая теория

1. Общие положения

Лазер (англ. laser, от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения) или оптический квантовый генератор – это устройство, преобразующее энергию накачки в электромагнитное излучение. При этом поток излучения будет когерентным монохроматическим поляризованным и узконаправленным.

Излучение лазера может быть непрерывным с постоянной мощностью или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей.

Физической основной работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения при переходе атомной системы из одного квантового состояния в другое. В процессе такого перехода атомная система может либо поглощать, либо излучать энергию, что является результатом взаимодействия электромагнитного излучения с атомами и молекулами вещества.

2. Взаимодействие света с веществом

В природе, в равновесной атомной системе, состоящей из двух энергетических уровней и с населённостями соответственно и , находящейся в электромагнитном поле со спектральной плотностью энергии , возможны три вида механизма взаимодействия света с веществом.

2.1 Резонансное поглощение

Свет (фотоны с частотой ), проходя через группу атомов, может быть поглощен атомом. Это может вызвать переход возбужденное состояние. Вероятность данного явления пропорционально интенсивности света, а также количеству атомов n₁, находящихся в основном состоянии. Данный процесс называется резонансным поглощением фотона на частоте v_ik:

. (1)

Энергия электромагнитного излучения уменьшится на , а энергия атома возрастет на , причем:

……………………………..(2)

2.2. Спонтанное излучение

Атом в возбужденном состоянии может самопроизвольно перейти в основное состояние с вероятностью, пропорциональной количеству возбуждённых атомов . Этот процесс называется спонтанным переходом атомной системы (рисунок 1). Разница в энергии между этими состояниями при этом излучится атомом в виде фотона частоты :

. (3)

Рисунок 1 - резонансное поглощение

Энергия атома уменьшается на , а энергия электромагнитного поля возрастает на , причем:

. (4)

Причина спонтанных переходов – внутреннее возмущение, флуктуации в квантовых системах. При спонтанном излучении отдельные атомы излучают независимо друг от друга, т.е. фотоны излучаются неупорядоченно (стохастически), фазы волн таких фотонов не совпадают (рисунок 2). Спонтанное излучение по отношению к внешнему электромагнитному полю некогерентно и ненаправлено.

Рисунок 2 - Спонтанное излучение

Количество возбужденных атомов момент времени можно найти как

, (5)

где – количество возбужденных атомов в момент времени , – предполагаемое время перехода между двумя состояниями.

2.3. Вынужденное излучение

Вынужденный переход возбужденного атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией происходит под воздействием внешнего электромагнитного поля, которое отдает атомной системе часть энергии, необходимой для возбуждения энергетического уровня. Этот процесс называется возбужденным переходом атомной системы (рисунок 3), который сопровождается вынужденным излучением фотона на частоте индуцирующего внешнего электромагнитного поля

. (6)

Энергия электромагнитного поля возрастает на , а энергия атома уменьшается на , причем

. (7)

Рисунок 3 - Вынужденное излучение