Исследование параметров излучения газового и полупроводникового лазеров

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово "лазер" составлено из первых букв английского словосочетания, означающего "усиление света в результате вынужденного излучения". В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией. На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия. В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество ее энергия поглощается. За счет поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, т.е. переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается энергия равная разности энергий между уровнями. Теперь представим себе, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Такое состояние называется инверсией населенности. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой n = (E2 - E1)/h эта волна будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счет индуцированного излучения. Под ее воздействием атомы переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть "цепная реакция" размножения одинаковых фотонов, "летящих" абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча.

Принцип действия полупроводникового лазера

Лазерная указка состоит из лазерного светодиода и источника питания - батарейки. Диод изготовлен из слоев полупроводников разных типов, например, арсенида галлия. Если в прямом направлении приложить напряжение, то возникает инверсия населенностей. Значит, для накачки электрический ток, и она осуществляется за счет рекомбинации используется основных и неосновных носителей на границе pn-перехода.

Рис. 1 Внешний вид лазерной указки

Усиление осуществляется в процессе многократного отражения света при его распространении вдоль полупроводникового перехода. Мода излучения выбирается углом скола торцов кристалла. В самых распространенных "инжекционных" лазерах при большом прямом токе происходит инжекция избыточных электронов и дырок в слой, прилегающий к p-n переходу. Там электроны и дырки рекомбинируют и излучают. Характерная частота света зависит от разности энергий между валентной зоной и зоной проводимости. Для арсенида галлия это 1,5 эВ, что соответствует ближнему ИК спектру. В настоящее время уже умеют делать лазерные диоды и на видимый, и даже на ближний УФ диапазон мощностью в сотни милливатт. Коэффициент полезного действия достигает 50%.

Технические характеристики лазерной указки:

Длина волны: 630-680 нм.
Выходная мощность: 3 мВт (класс IIIa).
Масса: 20 - 30 г
Стандарты безопасности: FDA, CE, GS, EMC, LVD, CSA

---

Принцип действия газового лазера

Внутреннее строение газового лазера показано на рисунке 2. Многие газы и газовые смеси при возникновении в них электрического разряда могут генерировать лазерное излучение. Их пучки характеризуются очень высокой степенью когерентности и малой расходимостью, близкой к теоретическому пределу; по этим параметрам они выгодно отличаются от пучков твердотельных лазеров. Для решения прикладных задач успешно применяются лазеры с газовой смесью в качестве активной среды (углекислого газа с азотом и гелием, гелия с неоном или криптона с фтором).

Рис.2. Внутреннее устройство газового лазера

Гелий-неоновый лазер излучает видимый (красный), свет; его используют во многих исследовательских и образовательных программах. Рассмотрим работу гелий-неонового лазера, рабочим веществом, которого является смесь этих газов в соотношении от 1:5 до 1:15 при общем давлении в несколько миллиметров ртутного столба. Накачка производится высокочастотным разрядом. При низких давлениях, обычных для газовых лазеров, электроны, возникающие при разряде, приобретают высокую энергию и при столкновении с атомами возбуждают их. Скорость индуцированного перехода пропорциональна плотности потока падающего излучения. Увеличение плотности усиливаемого излучения обеспечивается помещением активной среды в оптический резонатор. Фотоны, отражаясь от зеркал, многократно проходят через возбуждённое рабочее вещество, вызывая индуцированное излучение. Газоразрядная трубка 1 замкнута с торцов прозрачными пластинками (окнами) 2, расположенными под углом Брюстера к оси трубки. Такая установка окон обеспечивает линейную поляризацию лазерного излучения (рис.3.).

Рис.3.Схема газового лазера.

При большом отношении длины резонатора к диаметру трубки с рабочим веществом через активную среду многократно приходят и, следовательно, усиливаются лишь те лучи, которые распространяются под малым углом к оси лазера. Этим обеспечивается очень малая расходимость лазерного луча. Технические характеристики гелий-неонового лазера ЛГН-109: Длина волны: 630 нм. Выходная мощность: 1мВт. Масса: 1.5 кг

---

Параметры излучения лазеров

Большое значение для практического использования лазера имеет мощность излучения, однородность и расходимость пучка. Для изучения однородности и расходимости были сделаны снимки светового пятна, формируемого лазером на экране и построены трехмерные диаграммы распределения интенсивности излучения по сечению лазерного луча (рис. 4).

АБ

ВГ
Рис.4. Излучение лазеров (А, Б - газового; В, Г - полупроводникового):
А,В - световое пятно от луча лазера, Б,Г - трехмерная диаграма распределения интенсивности излучения по сечению луча.

По результатам наблюдения и анализа снимков можно сказать, что интенсивность лучей газового и полупроводникового лазеров изменяется по площади сечения: максимальная в центре она плавно спадает к краям. Для точного измерения мощности излучения лазеров была сконструирована установка (рис.5.), состоящая из фотодиода, закрепленного на линейке, для измерения поперечного смещения и микроамперметра, подключенному к фотодиоду, для измерения мощности излучения. Фотодиод помещался в луч лазера. Расстояние от лазера до фотодиода составляло 4,15 м.

Рис. 5. Схема установки для измерения распределения мощности излучения лазеров по сечению луча
(1 - микроамперметр, 2 - линейка, 3 - фотодиод, 4 - луч лазера, 5 - лазер).

Распределения мощности излучения, полученные по результатам измерений, приведены на рис. 6. и 7.

Рис. 9. Распределение мощности излучения по сечению луча газового лазера

Рис. 10. Распределение мощности излучения по сечению луча полупроводникового лазера

Измерения показали по горизонтали ширина луча газового лазера равна 12 миллиметрам, по вертикали - 11 миллиметрам, а у полупроводникового лазера по горизонтали - 18, по вертикали - 19. Значит угол расхождения луча полупроводникового лазера почти в 1,5 раза больше, чем у газового лазера. По мощности лазеры тоже различаются. Измерение по середине пучка газового лазера показало, что самое большое значение равно 29 мА, а у полупроводникового самое большое значение равно 25 мА. Это свидетельствует о том, что полупроводниковый лазер меньше по мощности, чем газовый. Следующие наблюдения были направлены на то, чтобы сравнить когерентность излучений газового и полупроводникового лазеров. Для этого были получены и проанализированы дифракционная и интерференционная картины, являющиеся следствием волновой природы света.

---

Волновые свойства света

Волновые свойства света наиболее отчетливо обнаруживают себя в интерференции и дифракции. Эти явления характерны для волн любой природы и сравнительно просто наблюдаются на опыте для волн на поверхности воды или для звуковых волн. Наиболее заметно эти явления проявляются в когерентном свете, поэтому сравнение когерентности излучения гелий-неонового и полупроводникового лазера производилась путем сравнения интерференционных и дифракционных картин.

Дифракция волн - это явление огибания волнами встречающихся препятствий. Дифракция хорошо наблюдается только в том случае, если размеры препятствий (или отверстий) соизмеримы с длинами этих волн. Дифракция световых волн обуславливает отклонение от закона прямолинейного распространения света. Она объясняется на основе волновой теории света. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля каждую точку волнового фронта можно рассматривать как точечный источник вторичных световых волн, которые распространяются по различным направлениям и проникают, таким образом, в область геометрической тени. Вторичные волны когерентны и за препятствием интерферируют. В данной работе были проведены эксперименты по наблюдению дифракции на решетке, представляющей собой совокупность большого числа щелей в непрозрачном экране, имеющих одинаковую ширину и расположенных на равных расстояниях друг от друга, и на тонкой игле. Схема опытов показана на рис. 8.

Рис. 8. Схема опыта по наблюдению дифракции
(1 - экран, 2 - дифракционная решетка или игла, 3 - луч лазера, 4 - лазер).

Опыты по наблюдению дифракции проводились таким образом: луч газового или полупроводникового лазера направлялся на экран и на пути луча ставилась дифракционная решетка или игла. На экране появлялась дифракционная картина, которая снималась на видеокамеру и затем вводилась в компьютер. Эти снимки показаны ниже на рис. 9 и 10.

АБ

ВГ
Рис .9. Дифракция излучения газового
(А - дифракционная картина, Б - распределение интенсивности излучения в дифракционной картине) и полупроводникового (В и Г) лазеров на решетке с периодом 1/100 мм.

АБ
Рис .10. Дифракция излучения лазера на игле (А - полупроводникового, Б - газового).

Полученные дифракционные картины не выявили заметных различий в когерентности излучений газового и полупроводникового лазеров. Следующий этап исследований заключался в наблюдении интерференции. Явление взаимного наложения когерентных волн, в результате чего происходит устойчивое пространственное ослабление или усиление интенсивности света в зависимости от фазовых соотношений между этими волнами, называется интерференцией. Интерферировать могут только когерентные волны. Когерентными называют такие волны, которые имеют одинаковые частоты (длины волн) и постоянную разность фаз. Естественные источники света излучают некогерентные волны. Для образования когерентных волн различными методами разделяют волны, идущие от одного точечного источника. Были получены интерференционные картины при отражении луча лазера от поверхностей стеклянной пластины. Для этого лазеры устанавливались в одном конце комнаты, а в другом штатив со стеклом так, чтобы луч отражался на двух поверхностях стекла и отраженные лучи падали на экран, где происходила интерференция (рис. 11).

Рис.14. Схема получения интерфренции лазеров
(1 - стекло, 2 - падающий луч, 3 - , 4 - отраженные лучи)

На рис. 12 показаны полученные интерференционные картины, что являлось свидетельством того, что излучение полупроводникового лазера обладает хорошей когерентностью не хуже, чем излучение газового лазера, поскольку получить дифракцию можно и для некогерентного луча, но интерференция возможна лишь для когерентного излучения.

АБ

Рис .12. Интерференция: А - полупроводникового, Б - газового лазера.

Последним этапом работы стало исследование поляризации излучений газового и полупроводникового лазеров.
Световые волны являются поперечными, т.е. векторы электрического и магнитного полей не только взаимно перпендикулярны, но и оба перпендикулярны к направлению распространения. Если расположить направление распространения в некоторой плоскости, то в световых волнах, излучаемых различными источниками, ориентация векторов электрического и магнитного полей относительно этой плоскости будет различной, не согласованной. Такой свет называется естественным. Естественный свет поляризуется (в основном частично) при отражении от поверхности диэлектриков. Полностью он поляризуется лишь при одном угле падения. Этот угол называется углом Брюстера, или углом полной поляризации. При падении луча на диэлектрик под углом полной поляризации луч отраженный и луч преломленный взаимно перпендикулярны.

Рис.13 . Схема опыта по исследованию поляризации лучей лазеров
(1 - экран, 2 - поляроид, 3 - луч лазера, 4 - лазер).

Для анализа степени поляризации излучения газового и полупроводникового лазеров, на пути луча устанавливался поляроида, вращая который можно было изменять направление поляризации пропускаемого излучения (рис. 13). За ноль угла поворота поляроида, принят угол, при котором интенсивность излучения минимальна. Фотографии, полученные при разных углах поворота поляроида, показаны на рис. 14. Видно, что луч полупроводникового лазера, проходя через поляризатор, установленный ноль градусов, не погасает полностью и четко видны две области излучения. Изменяя угол до 15 градусов, можно увидеть, что луч трансформируется и принимает обычную форму. Луч газового лазера при установке поляроида на 0 градусов почти полностью погашен и с изменением угла поворота поляроида структура луча остается прежней и только увеличивается интенсивность излучения. Из этого опыта можно сделать такие выводы: лучи газового и полупроводникового лазеров поляризованы, но луч газового лазера поляризован гораздо больше, чем луч полупроводникового. Кроме того, луч полупроводникового лазера более неоднороден с точки зрения поляризации.

Угол поворота поляризатора (градусы)
1530

Газовый лазер

Полупроводниковый лазер
Рис. 14. Излучение лазера при наблюдении через поляроид (угол 0 градусов соответствует минимальной интенсивности)

---

Заключение

В результате проведенных исследований излучений газового (гелий-неонового ЛГН-109) и полупроводникового (лазерной указки) лазеров получены следующие результаты:

- мощность излучения исследованного полупроводникового лазера лишь незначительно уступает мощности излучения газового лазера ЛГН-109;
- угол расхождения луча полупроводникового лазера примерно в 1,5 раза больше, чем у газового лазера;
- распределение мощности излучения в поперечном сечении луча более неоднородно у полупроводникового лазера, особенно хорошо это видно при наблюдении излучения с установленным поляроидом;
- дифракция излучения наблюдалась примерно одинаково для обоих типов лазеров;
- интерференционные картины были получены как для излучения газового лазера, так и для излучения полупроводникового, что свидетельствует об удовлетворительной когерентности излучения полупроводникового лазера;
- излучение газового лазера поляризовано сильнее, чем излучение полупроводникового лазера.

Полученные результаты показывают, что полупроводниковый лазер (лазерная указка) пригоден для использования в качестве источника когерентного излучения при проведении демонстрационных опытов по физике.