Учебно-методический комплекс по дисциплине «Оптические методы контроля и анализа» для студентов Казнту имени К. И. Сатпаева по специальности 050716



бет18/29
Дата24.04.2022
өлшемі1,12 Mb.
#140714
түріУчебно-методический комплекс
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   29
Байланысты:
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; kллинейный 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.

            1. Что такой генератор излучения?

            2. Что такое лазерное излучение?

            3. Что такое вынужденное излучение?

            4. Активная среда.

            5. Принцип работы лазера?



Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   29




©engime.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет