Таким образом, лазер не обязательно генерирует на одной частоте, чаще наоборот, генерация происходит одновременно на нескольких типах колебаний, для которых усиление больше потерь в резонаторе. Для того чтобы лазер работал на одной частоте (в одномодовом режиме), необходимо, как правило, принимать специальные меры (например, увеличить потери, как это показано на рис. 7) или изменить расстояние между зеркалами так, чтобы усиливалась только одна мода. Так как линии генерации в основном определяются собственными частотами оптического резонатора, стабильность газового лазера будет определяться стабильностью резонатора, т.е. неподвижностью зеркал. Для регулировки положения зеркал используют явления магнитострикции стержней или пьезокерамические пластины на зеркалах.

Длина лазеров на смеси гелий-неона обычно порядка 1 - 2 м, что позволяет получить высокую направленность лазерного луча (реально получена расходимость ~ 1-2?). Кроме очень высокой направленности, гелий-неоновый лазер обеспечивает и очень высокую стабильность частоты генерации. Несмотря на малую выходную мощность (10 - 100 мВт), гелий-неоновый лазер - один из самых распространенных.

2.4 ЛАЗЕРЫ НА ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЯХ

1) Активная среда

  Активная среда лазера на красителе состоит из раствора органического красителя. Когда краситель возбуждается внешним источником коротковолнового излучения, он излучает на более длинных волнах или флуоресцирует, поглощая фотон на длине волны возбуждения, а затем излучая фотон на длине волны флуоресценции. Разность энергии фотонов идет на безызлучательные переходы и в конечном счете переходит в тепло Использование различных красителей в качестве активных сред позволило осуществлять плавную перестройку рабочей частоты в широком диапазоне,

охватывающем почти всю видимую область спектра. Максимальная выходная мощность лазера на красителях зависит от используемого растворителя и качества юстировки оптического резонатора. Некоторые добавки, такие, как циклооктатетрен, могут слегка сдвигать полосу флуоресценции красителя и увеличивать мощность излучения

2) Накачка

Все лазеры на красителях накачиваются оптическим методом. При накачке важно, чтобы источник накачки излучал на частотах, близких к положению максимума полосы поглощения. По самой природе красителя лазерное излучение является более длинноволновым, чем возбуждающее излучение. Тип источника накачки определяет не только спектральный диапазон генерации, но и применяемую геометрию накачки. Первым и самым простым методом накачки красителей является метод, аналогичный оптической накачке твердотельных лазеров. Прокачка красителя осуществляется по трубке, помещенной в эллиптический отражатель. Оптическая накачка проводится с помощью стержневых ламп. Эти лампы

обеспечивают импульсные значения мощности накачки несколько киловатт и средние мощности излучения в видимом диапазоне порядка 50 мВт

  В качестве источника для накачки красителей можно также использовать лазер на азоте. Оптическая накачка производится в поперечном по отношению к оси генерации направлении. Веерообразный пучок излучения лазера, используемого для накачки, фокусируется в область, ось которой параллельна одной из стенок содержащей краситель кюветы. Выходные окна кюветы можно сделать плоскими и просверлить, нанеся соответствующее покрытие или повернув на угол Брюстера к оси. Зеркала располагают вне ячейки с красителем для того, чтобы при изменении диапазона перестраиваемых частот было достаточно сменить кювету с красителем и перестроить частотно-селективный элемент, расположенный в лазерном резонаторе. Так как излучение лазера на азоте является коротковолновым и его мощность в импульсе высока, генерацию лазера на красителях можно получить в широком спектральном диапазоне (350--680 нм). При таких коротких длинах волн источника накачки иногда используется процесс накачки, протекающий в две стадии: излучение N 2 -лазера (337 нм) сначала поглощается специально добавленным красителем, который эффективно поглощает на этой длине волны, а затем болеет длинноволновое флуоресцентное излучение, в свою очередь, поглощается красителем, который используется для генерации лазерного излучения. Энергия в импульсе излучения типичного лазера на азоте равна примерно 1 мДж (т. е. мощность равна 100 кВт при длительности импульса 10 нс).

Энергия на выходе лазера на красителях при такой накачке составляет от 2 до 200 мкДж (типичное значение 50 мкДж)

   Другим широко используемым источником накачки для лазера на красителях является мощное излучение линий (сине-зеленая и ультрафиолетовая области спектра) ионного аргонового лазера. Для многих красителей, у которых генерация происходит на длинах волн, превышающих 560 нм (от желтой до красной области спектра), полосы поглощения красителя совпадают с длинами волн излучения аргонового лазера в видимой области. Накачку других красителей, таких, как кумарин 6, диапазон перестройки которого лежит от 520 до 560 нм, осуществляют одной из линий ионного аргонового лазера (l=488 нм). Красители, генерация излучения которыми осуществляется в синей области спектра, следует возбуждать с помощью аргонового лазера, у которого токовый режим работы и зеркала подобраны так, чтобы получить высокую мощность ультрафиолетового излучения. При использовании мощной накачки ультрафиолетовым излучением в настоящее время можно получать перестраиваемое по длинам волн излучение в синей области спектра на уровне мощности несколько сот милливатт, т. е. на таком уровне мощности, который до создания лазеров на красителях был доступен только на отдельных длинах волн. Так как большинство лазеров на красителях обладают исключительно высоким коэффициентом усиления малого сигнала, требуется лишь небольшой объем активной среды. Однако поглощение интенсивного излучения и последующий нагрев малого объема красителя, а также быстрое заселение триплетного состояния приводят к необходимости непрерывной и быстрой замены вещества в рабочем объеме. Если этого не делать, происходит термическое разложение красителя, что увеличивает, в свою очередь, потери излучения в системе. Для предотвращения разложения красителя можно между двумя окнами, через которые осуществляется накачка и выходит когерентное излучение, помещать поток раствора красителя. Однако экспериментально было найдено, что молекулы красителя разлагаются и загрязняют окна («пригорают» к ним). Чтобы избежать этого, в лазерах на красителях используют струю раствора красителя, которая из специально сконструированного сопла выпускается в воздух, где образует ровный ламинарный слой, через который и проходит излучение лазера накачки. Пучок излучения лазера накачки фокусируется в объем струи красителя, где практически полностью поглощается. Свет накачки, прошедший сквозь струю, поглощается специальной ловушкой. Стимулированное излучение ограничено лишь малым объемом накачки; оптическая ось резонатора составляет небольшой угол с направлением накачки. Резонатор имеет два участка; первый из них состоит из «глухого» зеркала со 100%-ным отражением и дополнительного зеркала. Ось этого участка ориентирована под углом к накачивающему пучку. Второй участок, составленный дополнительным зеркалом и выходным зеркалом (с пропусканием 2--5%), имеет ось, параллельную направлению накачки. Помимо удобств в работе, которые предоставляет параллельность выходного излучения лазера направлению накачки, такой трехзеркальный резонатор имеет большую длину. Это приводит к уменьшению частотного интервала между продольными модами, увеличению числа мод в пределах ширины кривой усиления и повышению выходной мощности излучения по сравнению с более коротким двухзеркальным резонатором

3) Непрерывная перестройка частоты излучения

Перестройка частоты лазерного излучения осуществляется с помощью частотно-селективных элементов типа призменного устройства. В некоторых случаях для увеличения дисперсии используют систему из нескольких призм, работающих вблизи угла Брюстера. Иногда коэффициент усиления красителя бывает настолько высок, что роль диспергирующего элемента (и одновременно «глухого» зеркала) может выполнять дифракционная решетка. Если нормаль к поверхности решетки составляет угол с оптической осью резонатора, то в обратном направлении распространяется излучение в узком спектральном диапазоне вблизи длины волны .

      Другим устройством, которое можно использовать для плавной перестройки частоты лазеров на красителях, является двоякопреломляющий фильтр, состоящий из нескольких кристаллических кварцевых пластин различной толщины. Пластины эти помещают в лазерный резонатор под углом Брюстера к оси, так что вертикально-поляризованный свет не испытывает потерь на отражение на поверхностях пластин. Как отмечалось ранее, такие условия способствуют усилению в резонаторе света с высокой степенью поляризации. Чтобы понять принцип перестройки с помощью таких пластин, рассмотрим воздействие одной из них на свет в резонаторе. Главные направления кристалла ориентированы так, что пластина является пластинкой в целую волну для вертикально-поляризованного света.

Для других длин волн вертикально-поляризованный свет после прохождения через пластину станет эллиптически-поляризованным. После отражения от зеркала резонатора этот эллиптически-поляризованный свет испытывает потери при следующем прохождении поверхности кварцевой пластины. Эти потери предотвращают возникновение генерации на длинах волн, заметно отличающихся от тех, для которых кварцевый элемент есть пластинка в целую волну. Хотя одна тонкая пластина может выделить полосу из области генерации спектральной шириной приблизительно 0,3 нм, это значение велико для большинства приложений. Однако если вторая пластина с удвоенной (по сравнению с первой) толщиной также помещена в резонатор, то ширина линии уменьшается до 0,1 нм. В некоторых приложениях используют третью пластину (вдвое более толстую, чем вторая), чтобы сделать ширину линии меньше 0,03 нм Перестройка длины волны выполняется вращением пластин, закрепленных на общем основании, вокруг нормали к поверхности пластин. Так как пластины наклонены к оптической оси резонатора, вращение приводит к эффективному изменению разности показателей преломления и, следовательно, к изменению выделенной длины волны.

ГЛАВА 3

ЭКСПЕРИМЕНТ

Схема опыта №2

Приборы:

1)Лазер гелий - неоновый

2)Микроамперметр (N=150,класс точности 1,5)

3)РНШ

4)лампа ина+тн-0.2-2

Расстояние между электродами d=0.01 м, длина электродов l=0.004 м.

5)Кремниевый фотодиод ФД-24К

Рис. 8 Кремниевый фотодиод ФД-24К

Технические данные

Основные технические данные фотодиода ФД-24К

1)Экспериментальное нахождение

По формуле (21) получаем

По формуле (20) получаем экспериментальное значение концентрации:

2)Теоретическое нахождение

Вывод: при определении концентрации атомов в газе получены

экспериментальные

и теоретические

значения. Как видно из рисунка интервалы перекрываются , а значит результаты эксперимента достоверны.

1,23 1,34 1,35 1,43 1,47 1,52

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе было рассмотрено:

1.определение концентрации атомов в газе методом атомно-абсорбционной спектроскопии

2. проведён анализ основных приёмов и понятий атомно-абсорбционной спектроскопии

3. рассмотрены основные виды уширений

4. выведена связь между концентрацией атомов и коэффициентом поглощения в центре доплеровской линии.

По результатам эксперимента можно сделать вывод: моделирование атомно-абсорбционных измерений в варианте лазерной спектроскопии, то есть в качестве источника используется He-Ne лазер, а в качестве вещества разряд Ne в лампе удалось. Зарегистрировано поглощение атомов и рассчитана концентрация атомов

экспериментальные

теоретические

значения.

Таким образом, цель поставленная в данной работе достигнута, задачи выполнены.

Список литературы:

1. Бочкова О.П., Изв.АН СССР, сер. Физ., 2004-252 с.

2. Вайнштейн Л.А., Собельман И.И., Юрков Е.А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. М.: Наука, 1979. 319с.

3. Веденеев В.И., Гурвич Л.В., Кондратьев В.Н. и др. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. М.: АН СССР, 1963. 215 с.

4. Герцберг Г. Теория атомных спектров, ИЛ, 1972.

5. Ельяшевич М.А., Атомная и молекулярная спектроскопия. Изд. 2-е.- М.: Эдиториал УРСС, 2001.-896 с.

6. Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Т. 1, 593 с.; 2, 694 с. М.: Гостехиздат, 2006.

7. Кондиленко И.И , П.А.Коротков. Введение в атомную спектроскопию. 1976.

8. Корлисс Ч., Бозман У. Вероятности переходов и силы осцилляторов 70 элементов. М.: Мир, 1968. 562 с.

9. Летохов B.C., Чеботаев В.П. Принципы нелинейной лазерной спектроскопии. М.: Наука, 1975. 279 с.

10. Львов Б.В., Оптика и спектроскопия 1975. 507 с.

11. Мурадов В.Г. Атомно-абсорбционная спектроскопия в термодинамических исследованиях. Ульяновск, 1975.72 с.

12. Островский Ю.И.,Пенкин Н.П., Оптика и спектроскопия 1961.-565 с.

13. Сандерс Дж. Основные атомные константы. М.: Госатомиздат, 1962. 76 с.

14. Собельман И.И. Теория атомных спектров, М., 1978.

15. Толанский С., спектроскопия высокой разрешающей сил, пер. с англ., ИЛ, М.,1955

16. Унзольд А., Физика звёздных атмосфер, пер. с нем., ИЛ, М.,1949-630 с.

17. Фриш С.Э., Оптические спектры, Физмтгиз, М.-Л.,2003

18. Шпольский Э.В. Атомная физика. Т.1. Введение в атомную физику. 7-изд. М.: Наука, 1984. 552 с.

Страницы: 1, 2, 3, 4