Учебно-методический комплекс по дисциплине «Оптические методы контроля и анализа» для студентов Казнту имени К. И. Сатпаева по специальности 050716
жүктеу/скачать 1,12 Mb.
|
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Оптические методы ко
| - химическая накачка - накачка, вызываемая химическими реакциями в лазерном веществе.
Лазерный пучок - это не просто поток энергии, как, например, пучок света, это - поток очень высокого качества, поток исключительно упорядоченного когерентного излучения, остронаправленного, сконцентрированного в пределах небольшого телесного угла. о качество мы платим высокую цену — кпд лазеров порядка 10%, т.е. на каждый лазерного излучения следует затратить примерно 10 Дж энергии накачки. Но при этом плотность энергии лазерного излучения огромна: для мощных лазеров она, в частности, больше плотности энергии, достижимой при ядерном взрыве. Лавинообразное нарастание энергии лазерного излучения в активной среде вдоль оси резонатора хорошо описывается экспонентой с положительным показателем Е(х) = Е(0)ехр[kл - kп)х], (12.7) где Е(х)-энергия излучения вдоль оси х; Е(0) — энергия излучения при х = 0; kл – линейный коэффициент лазерного усиления (вдоль оси х), значение которого пропорционально накачки; kп - коэффициент потерь излучения в оптическом резонаторе и активной простого линейного резонатора коэффициент потерь излучения имеет вид kп = 1/Х0 + 1/lрез ·1n(√R1·R2), (12.8) - коэффициент поглощения излучения в активной среде; 1рез - длина оптического резонатора; R1, R2 — коэффициенты отражения зеркал резонатора. Второй член представляет собой торцевые потери излучения, отнесенные к единице длины резонатора. При некотором значении энергии накачки, которое называется порогом генерирования kл > kп что означает лавинообразное усиление энергии лазерного излучения, т.е. генерацию. Таким образом, порог генерирования лазера - это энергия (или мощность), поступающая на вход источника питания лазера, при которой коэффициент лазерного усиления на частоте генерирования равен коэффициенту потерь в оптическом резонаторе на частоте. Направленность лазерного излучения определяется отношением длины волны генерируемого излучения к линейному размеру резонатора; расходимость θР оценивается следующим выражением: θР = √λ/1рез, (12.9) Следует подчеркнуть, что в любом резонаторе условие резонанса выполняется не для одного, а для многих типов колебаний, отличающихся друг от друга по частоте и распределению электромагнитного поля в резонаторе. Такие типы колебаний называются модами. В результате спектр излучения лазера состоит из набора мод: для получения одночастотного (одномодового) режима используют перестраиваемые оптические фильтры мод. Лазерное излучение характеризуется пространственно-временными и энергетическими параметрами. В группе пространственно-временных выделяют следующие параметры: - частота лазерного излучения - средняя частота (или средняя длина волны) спектра лазерного излучения; - ширина линии лазерного излучения δν - расстояние между точками контура спектральной линии лазерного излучения, соответствующими половине интенсивности линии в максимуме; - расходимость лазерного излучения θР - плоский или телесный угол, характеризующий угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения; - время готовности лазера tгот - время, необходимое для достижения лазером эксплуатационных (номинальных) параметров с момента его включения. К энергетическим параметрам лазера относятся, прежде всего, энергия и мощность лазерного излучения. Энергия определяет энергетические возможности лазера. Мощность характеризует интенсивность излучения энергии лазером, концентрацию энергии во времени. В применении к лазеру эту, казалось бы, банальную разницу необходимо подчеркнуть. Концентрация энергии (мощности) в пространстве определяется плотностью энергии (мощности) лазерного излучения, т.е. энергией (мощностью) лазерного излучения, приходящейся на единицу площади сечения пучка лазерного излучения. Эффективность лазера как преобразователя энергии накачки в энергию излучения характеризуется кпд, который равен отношению энергии или средней мощности, излучаемой лазером, соответственно к энергии или средней мощности, подводимой к лазеру. К энергетическим параметрам относится также порог генерирования лазера. Можно выделить три основных режима работы лазеров: - режим непрерывного генерирования лазерного излучения (непрерывный режим); лазеры, работающие в непрерывном режиме, называются непрерывными; - режим импульсного генерирования лазерного излучения (импульсный режим) и соответственно импульсные лазеры; - режим импулъсно-периодического лазерного излучения — импульсно-периодические лазеры. В непрерывном режиме работы лазера мощность лазерного излучения на частоте генерирования не обращается в нуль при заданном интервале времени, значительно превышающем период колебаний, т.е. такие лазеры дают непрерывное излучение в течение длительного времени. Импульсный режим характеризуется излучением энергий в виде импульсов. В таком импульсном лазере излучение длится очень недолго, ничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой энергии процесс оказывается сильно сжатым, сконцентрированным во времени, и мощность импульса получается огромной. Современные мощные импульсные лазеры (в основном твердотельные) дают импульсы длительностью до 0,01 не (при энергии импульса 1 Дж их мощность достигает 100 млн. кВт). В импульсно-периодическом режиме излучение формируется в виде периодических серий импульсов - импульсных пакетов. Лазеры на основе кристаллических диэлектриков. Помимо полупроводниковых, известны твердотельные лазеры на основе диэлектриков.) обычно эти устройства используют внутрицентровую люминесценцию, а возбуждение происходит не электрическим, а оптическим способом. Разновидности и параметры твердотельных лазеров иллюстрирует рис. 12.3. Рисунок 12.3. Разновидности и параметры твердотельных лазеров. В 1960 г. Т. Мейман описал лазер на основе рубина. Кристалл А12О3 содержит примеси хрома в виде ионов Сг3+. При этом небольшая часть атомов алюминия (0,05%) замещается атомами хрома. Уровни хрома располагаются в пределах широкой запрещенной зоны А12О3 (∆W≈6 эВ). Процессы поглощения энергии и излучения происходят внутри этих центров свечения (рис. 12.4). Свет мощной ксеноновой лампы переводит электроны с основного уровня Е\ на возбужденные уровни Е3 и Е4, образующие две широкие полосы. Примерно через 10 не электроны падают на уровень Е2, называемый метастабипъным. Здесь они могут находиться, примерно, 10-3 с. Разница энергий Е3 - Е2 превращается в теплоту. На уровнях Е2 происходит накопление электронов и создается инверсная населенность по отношению к уровню Е1 Рисунок 12.4. Схема уровней рубинового лазера. Свет с частотой v, согласно условию hv=E2-E1 вызывает вынужденные переходы с уровней Е2 на Е1. Излучение имеет длину волны, соответствующую красному свету (к = 0,69 мкм). Конструкция твердотельного лазера изображена на рис. 12.5. Рисунок 12.5. Конструкция твердотельного лазера: 1 — стержень активного вещества; 2 — инфракрасный светодиод; 3 —оптическая среда; 4 — теплоотвод; 5 — фиксирующая оправка. Кристалл рубина имеет вид цилиндра диаметром около 1 см и длиной около 10 см. Торцы кристалла отшлифованы и выполняют функции зеркал. Усиление и излучение света происходит вдоль направлений, параллельных оси цилиндра. Для миниатюрных оптоэлектронных устройств лучше подходит лазер на основе кристаллов иттриево-алюминиевого граната YAG. В эти кристаллы добавляются примеси неодима (Y3Al5012:Nd3+). Неодим замещает в решетке примерно 1% атомов иттрия. Лазер излучает инфракрасный свет с длиной волны 1,06 мкм. Для возбуждения можно использовать инфракрасные светодиоды из GaAlAs с длиной волны (λ ≈ 0,081 мкм), соответствуют полосе поглощения неодима. Благодаря высокой концентрации центров свечения лазе{ неодимом имеет более высокую мощность излучения (до 10 Вт). Лазер имеет малые размеры (длина резонатора около 1 см); кпд YAG-лазеров составляет 1-20%. При правильном выборе спектра элемента накачки достигается 50%-ное использование оптической энергии. Основной режим работы твердотельных лазеров — импульсный. Для них характер большая мощность одиночного импульса, невысокая когерентность излучения. Многие них нуждаются в охлаждении активного элемента и элемента накачки. Улучшение спектральных и пространственных характеристик излучения (когерентности, монохроматичности, направленности) достигается за счет перехода к одномодовому режиму генерации и уменьшения энергетического кпд. Литература: 2 осн. [406-409]. Контрольные вопросы. Что такой генератор излучения? Что такое лазерное излучение? Что такое вынужденное излучение? Активная среда. Принцип работы лазера? жүктеу/скачать 1,12 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|