Юстировка оптического резонатора и исследование условий генерации гелий-неонового лазера

Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

Кафедра электронной техники и технологий

Отчет по лабораторной работе

на тему: «Юстировка оптического резонатора и исследование условий генерации гелий-неонового лазера»

Минск 2014

1. Краткие теоретические сведения

1.1 Описание конструкции ОКГ типа ЛГ-75

юстировка оптический квантовый генератор

Газовый ОКГ ЛГ-75 предназначен для использования в качестве источника когерентного излучения в системах связи, телевидения, телеуправления и т. д. ОКГ' ЛГ-75 (рис. 1) состоит из оптического резонатора и активного элемента, Оптический резонатор образован сферическим 1 и плоским 2 зеркалами, закрепленными в стаканах 3.

Рис. 1

Стаканы 3 жестко закреплены винтами 4 во фланцах 5 и 6, между собой тремя направляющими инваровыми стержнями 7. Фланцы 5 и 6 крепятся к инваровым стержням 7 винтами 8 через шайбы 9. Наличие шайб 9 позволяет изменять положение фланцев 5 и 6 с зеркалами 1 и 2 относительно оси оптического резонатора путем вращения в небольших пределах юстировочных винтов 8. Между инваровыми стержнями, с помощью фланцев 10, закреплен активный элемент-газоразрядная трубка 12 с подогревным катодом 13 и анодом 14 заполненная смесью неона и гелия. Торцы газоразрядной трубки отшлифованы под углом Брюстера и закрыты выходными окнами 15. Пространство между выходными окнами 15 и зеркалами 1 и 2 герметизировано с помощью резиновых прокладок 16, прижимаемых гайками 17 к стаканам 3. Оптический резонатор с активным элементом помещен в защитный корпус 18 и жестко в нем закреплен. Корпус 18 закрыт с торцов крышками 19 и 20, которые крепятся к фланцам 21 винтами 22. Высокое и накальное напряжения к газоразрядной трубке 12 подводится через разъем 23. Выход излучения осуществляется со стороны плоского зеркала 2. Для крепления прибора на корпусе 18 имеются скобы 24 с резьбовым отверстием в каждой из них.

Технические характеристики ЛГ-75

1.2 Методы юстировки Под юстировкой резонатора следует понимать точное выставление и ориентировку зеркал, активного тела и других элементов внутри резонатора.

Критический угол разъюстировки определяется по формуле:

; (1)

где a — радиус активного элемента;

Lдлина активного элемента; (берется наибольшее из двух значений х); 11 и 12-расстояний от торцов активного элемента до соответствующих зеркал

; (2)

; (3)

; (4)

(5)

(6)

Автоколлимационный метод. При использовании автоколлиматора совмещают изображения автоколлимационной метки от заднего (глухого) зеркала при последовательной установке активного тела и других элементов резонатора (так называемый метод на просвет) и, наконец, выходного зеркала.

В случае газовых лазеров активный элемент (трубка с газом) должен быть центрован, ориентирован по оси резонатора. В случае рубиновых лазеров из-за неоднородности кристалла изображение метки размывается, и активный стержень приходится ориентировать совмещением автоколлимационных меток от заднего зеркала, от торца стержня и от выходного зеркала (так называемый метод трех меток). Этот способ имеет недостатки: не учитывается реальное смещение луча из-за градиента коэффициента преломления (после прохождения через кристалл рубина луч может отклоняться на несколько угловых минут): кроме того, невозможно избежать клинообразности стержня. Очевидно, при юстировке методом трех меток порог генерации будет выше.

В автоколлимационном методе точность установки определяется увеличением автоколлиматора. Если две удаленные точки видны из зрачка объектива автоколлиматора под углом б, то со стороны окуляра видимый угол будет (рис.4)

(7)

где — угловое увеличение системы. Так как разрешающая способность глаза б=60ґґ, то

(8)

Метод оптического рычага. Метод оптического рычага предусматривает применение для юстировочных целей маломощного лазера (рис. 6). Луч от лазера 1 через отверстие в зеркале 2 попадает в резонатор (6 — активный элемент) отражается от его зеркал 4 и 5, отражается от зеркала 2 и попадает на экран 3, где наблюдается ряд светлых точек. Если точки исчезли, т. е. совместились с отверстием диафрагмы, то резонатор отъюстирован. Очевидно, точность юстировки зависит от L («плечо оптического рычага»).

Интерференционный метод. Интерференционный метод (рис. 7) заключается в том, что луч от маломощного лазера 1 проходят через отверстие экрана 2 и слаборассеивающую лннзу 3, отражается от зеркал резонатора 4 и 5, давая на экране интерференционную картину в виде концентрических колец.

Если картина четкая и центрирована относительно источника света, то зеркала параллельны, и резонатор отъюстирован. Данный метод, как и предыдущие, пригоден; прежде всего, для плоских резонаторов. В случае сферических зеркал их следует диафрагмировать и работать лишь с параксиальными лучами.

Юстировка с помощью диоптрийной трубки. Можно использовать монокуляр, подзорную трубу и т. п., предварительно выставив их на бесконечность. Диоптрийные трубки входят в комплект больших оптических скамей, изготовляемых серийно. Для маломощных диоптрийных гелий-неоновых лазеров с полуконфокалъными резонаторами этот метод применяется наиболее часто. Наблюдения ведут при горении разряда через выходное зеркало с применением светофильтра.

2. Порядок выполнения работы Изучить технические описания и условие эксплуатации используемых в работе приборов.

Оценить критический угол разъюстировка в для одного из гелий-неоновых лазеров (л.=0.6328 мкм) табл.2.

Параметры He-Ne лазеров

Установить ОКГ нa огпическую скамъю.

Проверить отсутствие механических повреждений высоковольтного кабеля и шнура питания.

Заземлить стабилизатор напряжения СПБ-116.

Подключить высоковольтный кабель к разъемам стабилизатора напряжения и ОКГ; шнур питания подключить к разъему сеть на задней панели стабилизатора.

Поставить тумблеры «Высокое» и «Сеть» в нижнее положение.

Поставить ручку 'Регулирование напряжения" в крайнее левое положение.

Получить разрешение у преподавателя или лаборанта и включить вилку в розетку промышленной сети 220 В, 50Гц.

Тумблер «Сеть» перевести в верхнее положение (должна загореться лампочка «Сеть»).

Тумблер «Высокое» перевести в верхнее положение (должна загореться лампочка ''Высокое'').

Подождать пока прогреется катод газоразрядной трубки (2.0−2.5мнн), сработает реле блокировки высокого напряжения и появится малиновое свечение газоразрядной трубки.

Через 1.0−2.0 мин после начала свечения трубки убедиться в наличии генерации (должна появиться светящаяся точка на экране).

Если излучение отсутствует необходимо произвести юстировку с помощью автоколлиматора или диоптрийной: трубка.

2.2 Юстировка с помощью диоптрийной трубки Снять переднюю и заднюю крышки резонатора. Включить лазер и установить величину разрядного тока 10−12мА.

Юстировка начинается с выставления и центрирования активного элемента чтобы со стороны переднего (плоского) зеркала он просматривался по всей длине.

Наблюдая со стороны переднего зеркала, совместить изображение зрачка глаза с центром (осью) трубки активного элемента. Для этого, найдя изображение заднего конца трубки, юстировочными винтами плоского зеркала совмещают изображения зрачка и заднего конца трубки. (Как должен выглядеть задний конец трубки, легко понять, если посмотреть через какую-нибудь стеклянную трубку со стороны окна).

Аналогичную операцию (п.3) произвести с задним зеркалом.

Прислонить диоптрийную трубку к лазерной головке со стороны выходного зеркала. Навести (сфокусировать) ее на заднее зеркало. Юстировочными винтами заднего зеркала добиться того, чтобы в центре было ярко светящееся пятно, окруженное темным кольцом, а далее — снова светлый фон. Яркость светящегося пятна должна легко изменяться юстировочными винтами. Если же этого не наблюдается, повторить более внимательно п. 4.

Перевести фокусировку диоптрийной трубы на переднее зеркало. При этом одновременно будут видны интерференционные кольца, характерные для интерферометра. Фабри-Перо, и изображение светящегося пятка от заднего зеркала. Юстировочными винтами выставить переднее зеркало так, чтобы светящееся пятно вышло в центре концентрических колец. При этом должна возникнуть генерация. Следует помнить, что в момент возникновения генерации визуальные наблюдения с диоптрийной трубкой необходимо прекратить. Дальнейшие коррективы осуществляются при наблюдении за пучком на экране. Если генерация не возникает, рекомендуется:

а) протереть окна активного элемента ватным тампоном, смоченным в спирте, а затем протереть сухой чистой тканью и, наконец, снять ворсинки беличьей кисточкой;

б) снять пыль с зеркал беличьей кисточкой;

в) изменить (увеличить или уменьшить) разрядный ток.