условиях облучение пря­мым лазерным излучением возможно лишь при грубом нарушении правил техники безопасности.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.

 

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ.

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение вредных и опасных производственных факторов, техники безопасности при эксплуатации лазеров и лазерного оборудования и определение предельно допустимых уровней облучения глаза лазерным излучением.

 

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: твердотельный лазер на алюмо-иттриевом гранате, юстировочный He-Ne лазер, измеритель энергии ИКТ-1Н, измерительная линейка.

 

Теоретическое введение.

При эксплуатации лазеров и лазерных установок персонал может подвергаться воздействию большого числа опасных и вредных производ­ственных факторов. Степень их воздействия зависит от прост­ранственно-энергетических характеристик лазерного излучения, ус­ловий эксплуатации лазерных установок и их конструктивных осо­бенностей. При этом можно выделить два типа опасных и вредных производственных факторов. К первому типу относятся факторы, воздействующие в основном на отдельные органы, ко второму— на весь организм. Первый тип факторов включает лазерное излучение, аэродисперсные системы, вредные химические вещества и шум. Ко второму типу факторов относят вибрацию, электромагнитные поля, повышенное напряжение, ионизирующее излучение, микроклиматичес­кие условия. Подробнее рассмотрим опасные и вредные производственные факторы, имеющие место при эксплуатации лазеров.

Лазерное излучение. Основную опасность лазерное излучение представляет при воздействии на орган зрения. Повреждение глаз может произойти в результате действия как прямого, так и отраженного излучения. В производственных

условиях облучение пря­мым лазерным излучением возможно лишь при грубом нарушении правил техники безопасности.

Влияния этого фактора опасности определяется плотностью энергии (мощности) излучения лазера, длиной волны, условиями его использования и режимом работы (импульсный, непре­рывный). Можно отметить, что лазерное излучение является опре­деляющим при оценке степени безопасности технологических процессов при использовании лазерных установок.

Аэрозоли. Образование аэродисперсных систем связано с взаимодействием ­лазерного излучения с мишенями. Аэрозоли могут ингаляционным путем поступать в органы дыхания, а также воздействовать на кожные покровы. В последнем случае опасность представляют аэрозольные частицы, имеющие высокую температуру, которые могут приводить к ожогу кожи. Интенсивность образования аэродисперсных систем обусловлена плотностью энергии (мощности) лазерного излучения, свойствами мишени, взаимодействующей с излучением, и режимом работы лазера (импульсный, непрерывный).

Вредные химические вещества. Данная категория опасных и вредных производственных факторов обусловлена образованием токсических веществ и газов при взаимодействии лазерного излучения с различными средами, выделением вредных веществ из от­дельных сборочных единиц лазера при его работе и радиолизом воздуха. Выраженность этих факторов зависит от тех же парамет­ров, что и в первых двух случаях. Следует отметить, что возникно­вение вышеуказанных трех категорий опасных и вредных производственных факторов связано непосредственно с лазерным излуче­нием. Химические токсические вещества могут воздействовать как на органы дыхания, так и на кожу.

Шум. Он возникает при работе лазерных установок, имеет различный характер и может быть стабильным при работе лазеров в непрерывном режиме, а также от сборочных единиц и агрегатов, комплектующих установку, и импульсным — при эксплуатации твердотельных лазеров. В основном шум воздействует на органы слуха.

 

Вибрация. Возникновение вибрации, как правило, неразрывно связано с шумом. В процессе эксплуатации лазерных установок вибрация возникает в результате работы отдельных сборочных единиц. Она воздействует на весь организм.

Электромагнитные поля. Для определенных лазерных установок неблагоприятными факторами могут явиться электромагнитные по­ля высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот, воздействующие на организм в целом.

Повышенное напряжение. Источники питания током лазеров являются в основном обычными электротехническими устройства­ми. Поэтому мероприятия, обеспечивающие безопасность при на­ладке и обслуживании этих устройств, имеют неспецифический ха­рактер.

Ионизирующее излучение. Высокотемпературная плазма, обра­зующаяся при взаимодействии мощного лазерного излучения с ма­териалом мишени, может явиться источником нейтронного и гамма-излучения. Кроме того, не исключена возможность появления мяг­кого рентгеновского излучения при работе электронной аппаратуры.

Микроклимат. Микроклиматические условия при эксплуатации лазерных установок определяются рядом параметров: скоростью движения воздуха в рабочих помещениях, влажностью воздуха, температурой в помещении, фоном, обусловленным работой сбо­рочных единиц и агрегатов лазерных установок.

В зависимости от класса лазерных установок степень выраженности рассмотренных опасных и вредных производственных факто­ров различна.

С момента появления первых лазеров внимание исследователей было обращено на способность генерируемого лазерами излучения оказывать неблагоприятное воздействие на организм человека или отдельные его органы, и в первую очередь на глаза и кожу.

Патологические эффекты воздействия лазерного излучения на глаза. Сравнительно легкая уязвимость роговицы и хрусталика газа при воздействии электромагнитных излучений

 

самых различных длин волн, а также способность оптической системы глаза увеличивать плотность энергии (мощности) излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона на глазном дне на несколько порядков по отношению к роговице выделяет его в наиболее уязвимый орган.

Взаимодействуя с элементами оптической системы лазерное излучение может вызвать их повреждение. Степень повреждения глаза главным образом зависит от таких физических параметров, как время облучения, плотность потока энергии, длина волны и вид излучения (импульсное или непрерывное), а также индивидуальных особенностей глаза. При рассмотрении воздействия лазерного излучения на орган зрения необходимо отдельно разбирать действие излучения с длинами волн в интервале 0,4—1,4 мкм и длинами волн вне этого интервала. Для электромагнитного излучения с длинами волн короче 0,4 мкм и длиннее 1,4 мкм оптические среды глаза являются непрозрачными, и поэтому фокусирующее действие не имеет места.

Воздействие ультрафиолетового излучения на орган зрения в основном приводит к поражению роговицы (кератит). Наибольшим фотокератическим действием обладает излучение с длиной волны 0,288 мкм. Излучение с длиной волны короче 0,32 мкм почти полностью поглощается в роговице и водянистой влаге передней камеры глаза, а с длинами волн 0,32—0,39 мкм — в хрусталике. За счет высокого коэффициента поглощения излучения в роговице и водянистой влаге передней камеры даже на длине волны 0,32 мкм минимальная величина энергии, необходимая для возник­новения нежелательных химических реакций в хрусталике, в 2—3 раза больше, чем соответствующая энергия для роговицы. Поэто­му помутнение хрусталика (катаракта) под влиянием ультрафиолетового излучения практически никогда не наблюдается. Поверхностные ожоги роговицы лазерным излучением с длиной волны в пределах ультрафиолетовой области спектра устраняются в про­цессе самозаживания.

 

Для лазерного излучения с длиной волны 0,4—1,4 мкм критическим элементом органа зрения является сетчатка (Несмотря на то, что и здесь (при больших мощностях) может происходить повреждение переднего отдела глаза, основное значение приобретает повреждение сетчатки, которое начинает происходить при уровнях энергии еще не вызывающих повреждения прозрачных сред глаза). Она представляет собой функционально наиболее значимый элемент глаза, обладает высокой чувствительностью к электромагнитным волна видимой области спектра и характеризуется большим коэффициентом поглощения электромагнитных волн видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областей.

Повреждение глаза может изменяться от слабых ожогов сетчатки, сопровождающихся незначительными или полностью отсутствующими изменениями зрительной функции, до серьезных повреждений, приводящих к ухудшению зрения и даже к полной его потере.

Длительное облучение сетчатки в видимом диапазоне на уровнях, не намного меньших порога ожога, может вызывать необратимые изменения в ней. Длительное облучение глаза в диапазоне близкого инфракрасного излучения может привести к помутнению хрусталика.

Повреждение сетчатки обязательно сопровождается нарушением функции зрения. Клетки сетчатки, как и клетки центральной нервной системы, после повреждения не восстанавливаются.

Повреждения сетчатки под влиянием лазерного излучения можно разделить на две группы. К первой относятся временные нарушения зрительной функции глаза без видимых изменений глазного дна. Примером такого повреждения является ослепление от яркости световой вспышки. Ко второй относятся повреждения, сопровождающиеся разрушением сетчатки, проявляющиеся в виде термического повреждения ожогового или «взрывного» характера.

Ослепление от яркости световой вспышки является самым слабым проявлением поражающего действия лазерного излучения.

Оно носит обратимый характер и выражается в возникновении «слепого пятна» в поле зрения. Результатом такого ослепления является полный распад зрительного пигмента в фоторецепторах сетчатки под действием видимого света большой яркости. Ослепление наступает при наблюдении источника яркого света, который создает на роговице плотность излучения порядка 150 Вт/см². Вос­становление зрительного пигмента в фоторецепторах сетчатки иногда затягивается на несколько минут.

Воздействие на глаз сверхпороговых интенсивностей излучения вызывает тепловой ожог глазного дна с необратимым повреждением сетчатки. Минимальное повреждение проявляется мельчай­шим, видимым в офтальмоскоп изменением сетчатки, представляю­щим собой небольшое белое пятно из свернувшихся белков с об­ластью кровоизлияния в центре. Поврежденный участок окружен зоной отека. Спустя несколько дней на месте повреждения появляется рубец из соединительной ткани, не способный нести функ­цию зрительного восприятия.

Импульсное лазерное излучение представляет большую опасность, чем непрерывное, так как в этом случае повреждение глаз­ного дна вызывается комбинированным действием — термическим и механическим. Механическое действие излучения проявляется в виде «взрыва» зерен меланина, причем сила «взрыва» такова, что зерна пигмента выбрасываются в стекловидное тело.

Облучение менее интенсивными уровнями может вызывать начальные изменения, при которых восстановление зрительной функции возможно, однако считается, что повторное облучение при та­ких же, достаточно низких энергетических уровнях может привести к невосстанавливающимся повреждениям.

При воздействии лазерного излучения на сетчатку особенно опасны повреждения центральной ямки и желтого пятна — наиболее важных функциональных областей глаза. Повреждение этих областей сопровождается почти полной потерей зрения. Чем боль­ше угол между зрительной осью и направлением падения лазерно­го луча, тем меньше степень нарушения функции зрения.

 

 

Непроизвольные движения глазного яблока приводят к тому, что отдельные участки сетчатки изменяют свое положение относительно падающего излучения много раз в секунду. Поэтому непре­рывное и импульсно-периодическое излучение вызывают повреж­дения сетчатки в области, большей, чем площадь сфокусированно­го на ней изображения, даже в том случае, если во время облуче­ния пучок не отклоняется от прямой линии видения.

В стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры за­держивается около 5% проходящей через них энергии электромагнитных волн видимой области спектра.

Поглощение энергии излучения различными структурами глаза растет с увеличением длины волны излучения в ближней инфракрасной области. Излучения с длинами волн более 1,4 мкм прак­тически полностью поглощаются в стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры. При умеренных повреждениях эти среды глаза способны самовосстанавливаться.

Небольшие ожоги радужной оболочки могут закончиться самозаживлением и не вызывают постоянных нарушений зрения. Тяже­лые ожоги приводят к образованию рубцовой ткани, деформации радужной оболочки с потерей остроты зрения. Степень поврежде­ния радужной оболочки лазерным излучением в значительной мере зависит от ее окраски. Например, зеленые и голубые глаза, харак­теризуются большим повреждением, а карие -небольшим.

Лазерное излучение средней инфракрасной области спектра может причинить тяжелое повреждение роговице, сопровождающееся денатурацией белков и полной потерей прозрачности (образова­нием бельма). Главный механизм воздействия инфракрасного из­лучения - тепловой. Степень теплового повреждения роговицы зависит от поглощенной дозы излучения, причем травмируется не сосудистая оболочка, расположенная глубже, а тонкий эпителиальный слой. Если доза излучения велика, то может произойти полное разрушение защитного эпителия с одновременным помутнением радужной оболочки из-за коагуляции белка и хрусталика, развива­ется катаракта.

Хрусталик повреждается около обоженных участ­ков радужной оболочки. Это свидетельствует о том, что изменения в хрусталике носят вторичный характер, т. е. инфракрасное излу­чение поглощается пигментным эпителием радужной оболочки и, превращаясь в тепло, приводит к повреждению соседних участков хрусталика.

Таким образом, лазерное излучение оказывает повреждающее действие на все структуры органа зрения. Основной механизм повреждений -тепловое действие.

При оценке допустимых уровней энергии лазерного излучения необходимо учитывать суммарный эффект, производимый им как на прозрачные среды глаза, так и на сетчатку и сосудистую оболочку.

Оценим действие лазерного излучения на сетчатую оболочку глаза.

Оптические свойства глаза играют большую роль при определении повреждения сетчатки. При этом учитыва­ются также качество изображения, размер зрачка (соот­ветственно освещенность, создаваемая на сетчатке), спек­тральное поглощение и рассеяние средами глаза, а так­же спектральная отражательная способность глазного дна и рассеяние в различных слоях сетчатки.

Размер зрачка в значительной мере определяет коли­чество энергии излучения, попадающей в глаз и, следо­вательно, достигающей сетчатки. Для глаза, адаптиро­ванного к темноте, диаметр зрачка колеблется от 2 до 8 мм; при дневном свете обычно диаметр зрачка состав­ляет 2-3 мм, при взгляде на Солнце зрачок сужается до 1,6 мм в диаметре. Величина поступающей внутрь глаза световой энергии пропорциональна площади зрач­ка. Следовательно, суженный зрачок пропускает свето­вой поток в 15-25 раз меньше, чем зрачок расширен­ный.

Площадь изображения источника излучения на сет­чатке зависит от его углового размера, определяемого в основном расстоянием до источника. Для большинст­ва неточечных источников размер изображения на сет­чатке вычисляется по законам геометрической оптики. Зная эффективное фокусное

 

расстояние 1 нормального расслабленного глаза (для аккомодированного на бес­конечность глаза f=1,7 см), можно вычислить размер Д_r изображения источника лазерного излучения на сет­чатке в том случае, если известны расстояние г до ис­точника и размер Д_i самого источника излучения

 

 

(1)

 

Из этой формулы следует другая

 

 

(2)

 

где А_i - площадь источника излучения; А_r - площадь изображения источника излучения на

сетчатке.

Данные формулы справедливы для источников с уг­ловыми размерами до 20°. При угловых размерах, боль­ших 20°, ошибка в определении Д_r может составить бо­лее 5%.

Интенсивность облучения W_c роговицы и энергети­ческая яркость W_я лазерного источника с небольшими угловыми размерами пропорциональны и связаны вы­ражением

(3)

где W_s - телесный угол, под которым виден источник излучения.

Полная энергия W_r проникающая в глаз через зра­чок площадью A_c и достигающая сетчатки, определяет­ся из выражения

(4)

где d_p — диаметр зрачка.

Поэтому для источников лазерного излучения с не­большими угловыми размерами количественную зависи­мость между полной энергией, проникающей в глаз, и яркостью источника можно выразить следующим обра­зом:

(5)

где f -фокусное расстояние глаза, равное 1,7 см.

Уравнение (5.5) имеет большое Практическое значе­ние, поскольку дает возможность вычислить допустимую яркость лазерного источника исходя из допустимой ин­тенсивности облучения или освещенности сетчатки, не обращаясь к углу наблюдения.

Биологические эффекты воздействия лазерного излучения на кожу. Кожа является первой линией защиты организма от повреж­дения лазерным излучением. Кожа представляет собой не просто механический барьер, а важный, физиологически активный орган, обширные повреждения которого могут привести к гибели орга­низма.

Степень повреждения кожи зависит от первоначально поглощенной энергии. Повреждения кожи, вызванные лазерным излуче­нием, могут быть различными: от легкой эритемы (покраснения) до поверхностного обугливания и, в конечном счете, до образова­ния глубоких дефектов кожи. Особенно значительные поврежде­ния наблюдаются на пигментированных участках, например, на ро­димых пятнах, на местах с сильным загаром, или коже, обладаю­щей естественным темным цветом. При воздействии на светлую кожу, лазерное излучение проникает в подкожные ткани и повреж­дает расположенные в них сосуды и нервы.

Повреждения кожи, вызванные воздействием лазерного излучения, близки по характеру к термическим ожогам и отличаются от них тем, что поврежденный участок имеет четкую границу, за ко­торой находится небольшая область покраснения.

 

Пузыри, образу­ющиеся при воздействии лазерного излучения, располагаются в эпидермисе, а не под ним. Вблизи поврежденных участков обнару­живаются свободные радикалы и другие признаки ионизации, что позволяет предполагать наличие кроме теплового других механиз­мов повреждения кожи.

С повышением энергии излучения происходит увеличение размеров очагов поражения. Облучение кожи несфо-кусированным из­лучением с энергией около 100 Дж приводит к утрате чувствитель­ности облученного участка на несколько дней (без видимых по­вреждений). Под влиянием облучения изменяется активность не­которых ферментов, наблюдается образование в коже свободных радикалов. Гистохимические и люминесцентно-микроскопические исследования кожных покровов после воздействия лазерного излучения позволяют обнаружить определенные нарушения в углевод­ном и липидном (жировом) обменах кожи.

Длительное воздействие на кожу ультрафиолетового излучения ускоряет ее старение и может служить предпосылкой для злокачественного перерождения клеток. Облучение обширных участков кожи вызывает определенные сдвиги в обмене веществ, системе кроветворения, внутренних органах. Пороговые уровни энергии ла­зерного излучения, воздействующие на кожу, значительно выше пороговых уровней, воздействующих на глаза.

Минимальное повреждение кожи образуется при воздействии лазерного излучения с плотностью энергии 0,1—1 Дж/см² (в зависимости от степени окраски кожи и длительности воздействия). Наибольшее биологическое воздействие оказывает лазерное излучение с длинами волн 0,28—0,32 мкм. Оно наиболее глубоко про­никает в кожу и обладает выраженным канцерогенным действием. Биологические эффекты, возникающие при облучении кожи лазер­ным излучением в зависимости от длины волны, приведены в табл. 1.

Действие лазерного излучения на внутренние органы. Лазерное излучение (особенно дальней инфракрасной области спектра) спо­собно проникать через ткани тела и

 

взаимодействовать с биологи­ческими структурами на значительной глубине, поражая внутрен­ние органы. Механизм образования повреждений объясняется тепловым действием сфокусированного излучения или влиянием ударной волны. Важной особенностью воздействия лазерного излучения на внутренние органы является чередование поврежденных и неповрежденных слоев тканей. Согласно одной из гипотез это явление связано с эффектом стоячих волн, которые образуются в результате отражения падающего излучения от костных поверхностей или границ между различными тканями. Поврежденные участки ткани совпадают с пучностями, где плотность потока энергии многократ­но возрастает по сравнению с плотностью потока энергии падаю­щего излучения. Подобные повреждения могут не вызывать боли непосредственно после облучения и не выявляться при внешнем осмотре.

 

Т а б л и ц а 1

Биологические эффекты, возникающие при облучении кожи лазерным излучением.  

Некоторые параметры стекол, используемых для светофильтров

  При работе с лазерами персонал должен быть одет в халаты, пользоваться… Таковы общие и индивидуальные меры по обеспече­нию требований по технике безопасности.

Порядок выполнения работы

1. Включить твердотельный лазер согласно инструкции по эксплуатации.Получить устойчивую генерацию излучения лазера. 2. Провести измерения энергии излучения с помощью измерителя ИКТ-1Н. 3. Определить предельно допустимые уровни облучения сетчатки глаза для расстояний до источника излучения от 0, 5-3…

УСТРОЙСТВО И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОКГ.

  ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: кристалл синтетического рубина Al2O3 c примесью 3-х… Cr+ (активный элемент), отражатель, лампа накачки, зеркала резонатора, корпус излучателя, блок питания лампы накачки,…

Теоретическое введение.

Для получения генерации света в твердотельных ОКГ используются переходы между энергетическими уровнями примесных ионов редкоземельных элементов, металлов и актинидов, вводимых в небольших количествах в кристаллы и аморфные тела (корунд, стекло и др.). Примесные ионы в этих веществах выполняют роль активного вещества (активатора), в котором при воздействии на него энергии накачки создается инверсная населенность, приводящая в определенных условиях к появлению стимулированного излучения.

Из большого количества твердых тел, обладающих способностью к излучению с различными длинами волн, практическое применение в квантовых генераторах нашли рубин (λ=0,69 мкм), стекло, активированное неодимом (λ=1,06 мкм) и иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ).

Квантовые генераторы на указанных выше активных элементах работают, как правило, с оптической накачкой, в качестве которой используется световая энергия импульсных или

Рис. 1 Схема устройства твердотельного ОКГ.

 

непрерывных ламп со спектром излучения, перекрывающим спектр поглощения активных элементов. Сравнительные характеристики некоторых типов лазерных материалов, приведены в таблице 1. ОКГ, в котором в качестве активного (излучающего) вещества используется твердое тело, состоит из активного элемента 1 (рис. 1), источника накачки 2, отражателя 3, зеркал резонатора 4, блока питания 5, системы охлаждения 6,7 и элементов управления излучением 8.

В оптических квантовых генераторах на твердом теле широкое применение в качестве активных элементов нашли кристаллы синтетического рубина Al₂O₃ с примесью 3–х валентных ионов хрома Cr³⁺ , иттрий-алюминиевого граната Y₃Al₅O₁₂ , активированного неодимом, и различные сорта стекл с примесью неодима. Из теории лазерного излучения известно, что генерационные возможности материалов, используемых в качестве активных тел, в большей степени зависят от способности этих материалов поглощать подводимую энергию накачки. Чем больше поглощается энергия накачки в нужной полосе спектра, тем большую энергию излучения можно получить, и тем более высоким будет и к.п.д. активного тела.

Анализ спектров поглощения рубина, граната и стекла показывает, что введение в гранат ионов хрома существенно расширяет спектр поглощения этого материала. Бариевое стекло с неодимом имеет более широкие полосы поглощения, чем рубин и гранат с неодимом Это обстоятельство дает возможность при одинаковых источниках накачки получить со стекла большую энергию излучения и более высокий к.п.д. генераторов на стекле.

В качестве источников возбуждения (накачки) в твердотельных ОКГ используются, в основном, ксеноновые лампы. Спектр излучения ксеноновых ламп накач­ки существенно зависит от энергии, выделяющейся за время вспышки. Чем больше энергия (зависящая от температуры плазмы в лампе), выделяемая за время импульса (вспышки), тем выше доля световой энергии, приходящейся на более коротковолновую часть спектра. Если графики спектров поглощения активных тел сравнить с графиком

 

 

Таблица 1.

Характеристики некоторых лазерных материалов,

применяемых в твердотельных ОКГ.

 

спектра излучения ксеноновой лампы, то можно заметить, что на спектр поглощения рубина приходится менее 30% полной световой энергии излучения лампы накачки.

Остальная энергия является бесполезной и даже вред­ной, поскольку она затрачивается на нагревание актив­ного элемента, оболочки лампы накачки и осветителя.

Отсюда вытекает важность соответствия спектра излучения источника накачки спектру поглощения активного тела.

Важными параметрами ламп накачки являются: предельная энергия вспышки, которую лампа может выдержать без разрушения оболочки, и постоянная величина, определяемая эмпирическим соотношением:

где C–емкость конденсатора, разряжающегося через лампу; U₀–рабочее напряжение лампы накачки; l–длина разрядной трубки лампы накачки; k– постоянная, зависящая от конструктивных особенностей лампы накачки.

 

Указанное соотношение показывает, что для каждой лампы накачки существует отдельный режим питания, характеризуемый произведением CU⁴₀, которое не должно превышать некоторой критической величины. При этих условиях увеличить предельную энергию вспышки лампы можно за счет увеличения длины лампы l или последовательного включения нескольких ламп. При этом придельная энергия возрастает значительно быстрее, чем увеличивается длина лампы. Предельная энергия может быть вычислена также из соотношения:

 

где d – внутренний диаметр лампы;

–длительность приложенного импульса,

 

определяемая индуктивностью L и емкостью C разрядного контура.

От отношения рабочей энергии Е вспышки к Е_пред существенно зависит срок службы ламп накачки. Так, при Е/Е_пред=1 число вспышек не превышает 10, при Е/Е_пред=0,5 это число увеличивается до 10²... 10³, а при Е/Е_пред=0,3 составляет уже 10⁴... 10⁵.

Из-за относительно малого коэффициента использо­вания световой энергии ксеноновых и криптоновых ламп накачки в настоящее время ведутся работы по созданию источников накачки другого типа, спектр излучения которых более, полно совпадает с полосами поглощения активных элементов.

Так, показано, что для увеличения эффективности ОКГ на рубине целесообразно использовать импульсные ртутные лампы.

При средней подводимой мощности 5... 6 кВт для ламп с размером разрядного промежут­ка 6x80 мм мощность излучения этих источников в об­ласти поглощения рубина в 1,5... 2 раза превышает мощность излучения ксеноновых ламп. Соответственно увеличивается и энергия излучения ОКГ.

Несмот­ря на разнообразие известных способов накачки, наибольшее практическое применение нашли системы накачки на 27

основе ламп импульсного и непрерывного действия.

Сопоставление спектров поглощения активных эле­ментов и спектральных характеристик излучения ламп накачки показывает, что коэффициент использования излучения импульсных ламп в ОКГ очень мал. Посколь­ку интенсивность возбуждения активаторов (хрома, нео­дима) зависит от плотности излучения источника накач­ки, необходимо обеспечить эффективную передачу энер­гии вспышки лампы накачки активному элементу ОКГ. Это достигается применением специальных осветителей или, как их в практике называют, отражателей. Основ­ное назначение этого элемента ОКГ состоит в фокуси­ровке излучения лампы на активном элементе. Для это­го внутренняя поверхность отражателя полируется и по­крывается отражающим материалом (серебром, золо­том). В прозрачных (кварцевых) отражателях исполь­зуются интерференционные покрытия, обеспечивающие селективное отражение только той доли света, которая находится в спектре поглощения активного элемента. Остальная часть света проходит через стенки отражате­ля, не отражаясь от них. Это позволяет уменьшить на­грев активного элемента и улучшить его генерационные характеристики. Лампа накачки и активный эле­мент помещаются в отражатель. В момент вспышки лам­пы накачки не поглощенная активным элементом часть света отражается стенками отражателя и снова направ­ляется на активный элемент. Таким образом за счет мно­гократного прохождения света через активный элемент интенсивность возбуждения активных частиц увеличива­ется.

При создании квантовых генераторов наиболее широ­кое применение находят отражатели (рис.2) цилиндрический, эллиптический и полиэллиптический. Цилиндри­ческий отражатель используется в случае, когда источни­ком возбуждения служат лампы накачки 2 в виде спира­ли (рис.2,а). Если в качестве источника используются стержневые лампы, то наиболее эффективным является применение отражателей с эллиптическим и полиэллипти­ческим сечением. В эллиптическом отражателе (рис.2,6)активный элемент располагается по одной

фокальной оси, а лампа накачки - по другой.

При та­ком расположении лампы и элемента большая часть све­тового потока лампы, отражаясь от эллиптической по­верхности отражателя, собирается в окрестности другой фокальной оси, где расположен активный элемент. Еще большая концентрация энергии на элементе получается в полиэллиптическом отражателе.

 

 

Рис. 2 Отражатели цилиндрические(а), эллиптические(б), полиэллиптические(в): 1 - активный элемент; 2 – лампа накачки;

3 – отражатель.

 

Многообразие оптических схем лазеров предусматривает применение различных оптических элементов, на которые в зависимости от их функционального назначения наносятся отражающие или просветляющие пленочные покрытия для различных длин волн (для создания таких применяются тонкие диэлектрические пленки). Достижения в области вакуумной техники и тонкопленочной технологии позволяют наносить на различные материалы однородные пленки заданной толщины.

Синтез сложных пленочных систем с заданными параметрами проводится с использованием вычислительных машин.

Критериями качества оптических пленочных материалов

являются: отсутствие потерь на рабочей длине волны; однородность на апертуре элемента; высокая адгезия и твердость и минимальные механические напряжения; химическая инвертность; устойчивость к воздействию лазерного излучения; отсутствие пористой структуры. Последнее требование связано с тем, что выделение паров воды из пор пленки в процессе нагрева или их поглощение при охлаждении приводит к обратимым изменениям оптической толщины покрытия, что в свою очередь сдвигает спектральные характеристики покрытий.

В настоящее время широкое распространение для создания диэлектрических пленок получили окислы SiO₂, Si₂O₃, Al₂O₃, MgO, ZrO₂, TiO_2, фториды MgF₂, ThF₄ и сульфид цинка ZnS отражающие покрытия образуются нечетным числом четвертьволновых пленок попеременно с высоким и низким показателями преломления.

Причем крайние пленки имеют большой показатель преломления. В видимой и ближней инфракрасной областях спектра используются следующие комбинации пленок: ZnS - ThF₂; TiO₂ - SiO₂; ZrO₂ - SiO₂.

Суммарные потери в диэлектрических отражающих покрытиях на поглощение и рассеяние составляют 0,1-0,2%.Наибольшей лучевой стойкостью к импульсному лазерному излучению обладают зеркала на основе Zr0₂ и SiO₂ (50-70 Дж/см² при Δt=10-15 нс), а наименьшей - покрытия на основе TiO₂ и SiO₂ (5-8Дж/см²). Причем во втором случае разброс по порогам разрушения для различных технологий и длин волн более значителен. Низкие пороги разрушения покрытий на основе слоев ТiO₂ и SiO₂ наблюдаются в области длин волн вблизи 0,532 мкм.

В основе действия просветляющих покрытий лежит принцип согласования по отражению, в силу которого с помощью промежуточного слоя с показателем преломления n₃=можно свести к минимуму потери на отражение от двух границ с показателями преломления п₁ и n₂.

При отклонении согласующего показателя преломления от идеального (п’₃) коэффициент отражения приблизительно

равен (n’₃—n₃)². Для двухслойного просветляющего покрытия минимальный коэффициент отражения.

[ (n₂n²₃—n²₄n₁)/( n₂n²₃+n²₄n₁) ],

где n₁—показатель преломления воздуха; n₃,n₄ - показатели преломления для диэлектрических слоев в порядке нанесения их на подложку. Зависимость минимального коэффициента отражения от длины волны излучения имеет U-образный вид и подобные просветления называются U-покрытиями. В ультрафиолетовой области спектра используются однослойные покрытия из MgF₂ или двухслойные U-покрытия из Аl₂O₃ и MgF₂.Что касается видимой и ближней инфракрасной областей спектра, то здесь применяются диэлектрические пленки из всех ранее перечисленных соединений. Так для просветления кристаллов LiNbO₃ и ВaNaNb₅O₁₅ используются диэлектрические пленки из ZnS и МgF₂ для λ≈1 мкм и четырехслойные покрытия из МgF₂, ZnO и SiO₂.Диэлектрические покрытия из SiO₂ являются одним из наиболее прочных покрытий, предохраняющих от механических воздействий. Однако покрытия из SiO₂ позволяют получать просветление не меньше 0,2%.

Порядок выполнения работы.

 

1. Изучить устройство твердотельного лазера, особенности основных элементов, определяющих временные и энергетические характеристики генератора.

2. Собрать излучатель и оптическую схему генератора на рубине для реализации режима свободной генерации.

3. Провести юстировку полуконфокального резонатора лазера.

4. Определить пороговое значение энергии накачки.

5. Составить отчет о проделанной работе

 

Контрольные вопросы.

1. Устройство и принцип работы твердотельного лазера на рубине.

2. Кинетические (балансные) уравнения для трехуровневой модели.

3. Режим свободной генерации твердотельного лазера.

4. Пороговое значение энергии накачки.

 

Литература.

 

1. Б.Р. Белостоцкий, Ю.В. Любавский, В.М. Овчинников Основы лазерной техники. М., “Советское радио”, 1972.

2. А.С. Батраков. Квантовые приборы. Л., “Энергия”, 1972.

3. 3.С.Г. Рябов , Г.Н. Тропкин , И.Ф. Усольцев. Приборы квантовой электроники. М., “Советское радио”, 1976.

4. О. Звелто. Физика лазеров. М., ‘Мир’, 1979.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№3

ЮСТИРОВКА ОПТИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ И ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ.

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение методов юстировки резонаторов твердотельных и газовых лазеров.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:излучатель твердотельного лазера, набор резонаторных зеркал, гелий- неоновый лазер ЛГН- 109, диоптрийная трубка, автоколлиматор типа АКТ- 400, светофильтры, гелий- неоновый лазер ЛГН- 208А.

 

Теоретическое введение.

Под юстировкой резонатора следует понимать точное выставление и ориентировку зеркал, активного тела и других элементов внутри резонатора. В общем случае оптический

резонатор считается отьюстированным, если выполнены такие условия:

1) центры зеркал и их центры кривизны находятся на одной линии- оси резонатора;

2) ось активного элемента и ось резонатора совпадают.

От точности юстировки оптических элементов лазера в значительной степени зависят выходные параметры генерации. Как показывают опыты, энергетические, спектральные и другие характеристики лазерного излучения очень чувствительны к разьюстировке зеркал резонатора. Изменяется также модовая структура и пространственная индикатрисы излучения в ближней зоне.

Методы юстировки оптических резонаторов. Главная цель юстировки- добиться генерации. Дальнейшие коррективы производятся легко- по максимуму энергии генерации или по картине распределения поля излучения.

Рассмотрим наиболее распространенные методы юстировки /1-3/.

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 твердотельных 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 учитывая реальное смещение луча из-за градиента коэффициента преломления (после прохождения через кристалл

 

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 центра зрачка объектива автоколлиматора под углом a_пр, то со стороны окуляра видимый угол будет (рис. 1).

 

Рис. 1. Ход лучей в автоколлиматоре.

 

 

a¢=Ma_пр (1)

 

где - угловое увеличение системы. Так как разрешающая способность глаза a_пр =60¢¢, то

a¢=× 60¢¢ (2)

Метод оптического рычага предусматривает применение для юстировочных целей маломощного газового лазера типа ЛГН-208А (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Юстировка резонатора методом оптического рычага.

 

Луч от лазера 1 через отверстие в зеркале 2 попадает в резонатор (А- 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 отьюстирован. Очевидно, точность юстировки зависит от L («плечо оптического рычага»).

Интенрференционный метод (рис. 3) заключается в том, что луч от газового лазера 1 проходит через отверстие экрана 2 и слаборассеивающую линзу 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 отьюстирован. Данный метод, как и предыдущие, пригоден прежде всего для плоских резонаторов. В случае сферических зеркал их следует диафрагмировать и работать лишь с параксиальными лучами.

 

 

 

Рис. 3. Интерференционный метод юстировки резонатора.

 

Юстировка сферического резонатора осуществляется с помощью газового лазера 1 в такой последовательности. Снимают активный элемент. Вблизи зеркал 2 и 5 ставят диафрагмы 3 и 4 (рис. 4) и центрируют систему до тех пор, пока лучи не будут выходить за пределы отверстий диафрагмы. После этого устанавливают и центрируют систему до тех пор, пока лучи не будут выходить за пределы отверстий диафрагм. После этого устанавливают и центрируют активный элемент.

Юстировка с помощью диоптрийной трубки. Для маломощных гелий-неоновых лазеров с полуконфокальными резонаторами этот метод применяется наиболее часто. Наблюдения ведут при горении разряда через выходное зеркало с применением светофильтра. Опишем последовательность операций на примере лазера ЛГН­­-109.

1. Юстировка начинается с выставления и центрирования активного элемента ( перед юстировкой проверить заземление лазерной головки), чтобы со стороны переднего (плоского) зеркала он просматривался по всей длине.

2. Наблюдая со стороны переднего зеркала, совместить изображение зрачка глаза с центром (осью) трубки активного

Рис. 4. Юстировка резонатора со сферическими зеркалами.

 

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 в сторону окна.)

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

4. Прислонить диоптрийную трубку к лазерной головке со стороны выходного зеркала. Навести (сфокусировать) её на заднее зеркало. Юстировочными винтами заднего зеркала добиться того, что 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.

5. Перевести фокусировку диоптрийной трубки на переднее зеркало. При этом одновременно будут видны интер-ференционные кольца, характерные для интерферометра Фабри-Перо, и изображение светящегося пятна от заднего зеркала.

 

 

 

Юстировочными винтами выставить переднее зеркало так, чтобы светящееся пятно вышло в центр 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 торцы активного элемента ватным тампоном, смоченным в спирте, а затем протереть сухой чистой тканью и, наконец, снять ворсинки беличьей кисточкой;

б) снять пыль и ворсинки с зеркал беличьей кисточкой;

в) изменить (увеличить или уменьшить) разрядный ток. Для юстировки лазеров с неустойчивыми резонаторами применяют специальные методы /2/.

Порядок выполнения работы.

2. Провести юстировку резонатора лазера ЛГН-109 с помощью диоптрийной трубки; при этом необходимо получить устойчивую генерацию лазера. 3. Выполнить юстировку плоскопараллельного резонатора лазера… 4. Провести юстировку конфокального резонатора, образованного сферическими зеркалами, твердотельного лазера.

Контрольные вопросы.

1. Принцип работы и устройство He-Ne лазеров.

2.Методы юстировки оптических резонаторов: автоколлимационный метод, метод оптического рычага, интерференционный метод.

3.Юстировка оптического резонатора, He-Ne лазеров с помощью диоптрийной трубки.

4.Влияние разъюстировки зеркал резонатора на генерационные характеристики излучения лазера.

 

Литература.

1. Б.Р. Белостоцкий, Ю.В. Любавский, В.М. Овчинников Основы лазерной техники. М., «Советское радио», 1972.

2. Л.В. Ковальчук, Н.А. Свеницкая Методы юстировки лазеров с неустойчивыми резонаторами./Квантовая электроника, 1972,№11, с.80.

3. П.Н. Эверетт Способ юстировки зеркал лазеров на твердом теле с помощью газового лазера./Приборы для научных исследований, 1966, т.37, с.128.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№4

ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить основные типы и характеристики оптических резонаторов и экспериментально исследовать условия генерации для устойчивых и неустойчивых резонаторов лазеров.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:квантрон; блок питания, система охлаждения, на6ор резонаторных зеркал, юстировочный гелий-неоновый лазер, автоколлиматор, комплект зеркал резонатора, диафрагма, экран, измеритель энергии ИКТ-1Н.

Теоретическое введение.

 

Система зеркал, расположенная определенным образом и обеспечивающая существенное увеличение эффективной длины активной среды за счет многократного отражения излучения между зеркалами, в пространстве, между которыми могут возбуждаться определенные типы колебаний электромагнитного поля оптического диапазона, называется оптическим резонатором. Резонатор формирует спектральные и пространственные свойства генерируемого излучения.

В оптических резонаторах используются плоскопарал-лельные, сферические зеркала, комбинации сферического и плоского зеркал. Основными параметрами оптического резонатора являются радиусы кривизны отражающих поверхностейr₁и r₂,расстояние между зеркалами L, диаметр аппертурной диафрагмы D, ограничивающей поперечный размер пучка (рис. 1).

На рис. 2 показаны характерные комбинации зеркал в резонаторах лазеров.

 

 

Оптические резонаторы характеризуются обобщенными параметрами:

(1)

 

При выполнении условия:

(2)

резонатор называется устойчивым (рис 2,з,к). В таком резонаторе луч света, отклонившийся от оптической оси, при многократных отражениях от зеркал остается вблизи оси.

Если условие (2) не выполняется, т.е.,

(3)

 

то резонатор является неустойчивым (рис 2,е). Это значит, что отклонение луча от оптической оси в таком резонаторе приводит после серии отражений к его удалению от оси и выходу луча из резонатора.

При выполнении условия:

(4)

резонатор находится на грани устойчивости (рис 2,в,г,д,ж)

 

В лазерах используются как устойчивые, так и неустойчивые резонаторы.

Для оценки эффективности резонатора вводят понятие "добротность резонатора".

(5)

где Е_зап —энергия, запасенная в резонаторе, Е_пот — энергия, теряемая резонатором в единицу времени, ω — частота колебаний возникающих в резонаторе.

 

 

а) плоскопараллельный, б) конфокальный, в}концентрический, г) плосковогнутый, , д) плосковыпуклый, , е) с выводом излучения в о6е стороны, , ж) телескопический конфокальный (фокусы зеркал R₁ и R₂ совмещены), , з) почти плоский, , к) почти концентрический, ,

л) полусферический, .

Формула (5) дает общее энергетическое определение добротности. Для оптического резонатора:

(6)

 

Дня коэффициентов отражения двух одинаковых зеркал справедливо соотношение:

(7)

где α_r — потери энергии при отражении, α_d —потери энергии из-за дифракции на краях зеркал. Тогда получим:

(8)

Если суммарные потери малы (это допущения для лазеров выполняется), то α_r+α_d«1 и выражение (8) принимает следующий вид:

, (9)

где α — суммарные потери резонатора.

Пример: при α=0,01 (R=0,99), L=1м, Λ=0,63 мкм. получим Q=10⁹

Ширина полосы резонатора .

В резонаторах лазеров присутствуют следующие виды потерь излучения:

а) дифракционные потери

(10)

а — радиус круглого зеркала.

при а =2см, L = 1м, Λ=0,б3мкм, α_d=0,0015

б) потери, о6условленные непараллельностью зеркал резонатора.

(11)

 

β — угол наклона луча к зеркалу. Определим допустимый угол

перекоса зеркал: при а =2см, L =100см , =0,0085, = 2,4¹¹.

в) потери обусловленные отклонением поверхности зеркал от плоскости или сферичности.

 

Допустимое отклонение поверхности зеркал от плоскости или сферической формы:

(12)

 

при α=0,02; ΔL=0,005Λ.

Для повышения стабильности работы используются электронные схемы стабилизации длины резонатора.

Резонатор определяет основные свойства выходного излучения: монохроматичность, когерентность, направленность и мощность.

Лазерное излучение, формируемое в резонаторе, характеризуется острой направленностью, т.е. малой угловой расходимостью.

Расходимость лазерного излучения определяется несколькими факторами: дифракцией луча на выходной апертуре резонатора, оптической неоднородностью активной среды лазера, деформацией зеркал резонатора и т.д.

Для получения резонансных частот, длина резонатора L должна быть равной целому числу полуволн, т е.

п - положительное целое число. Такое условие является необходимым, для того чтобы на обоих зеркалах электрическое поле электромагнитной стоячей волны было равным нулю. Отсюда следует, что резонансные частоты даются выражением:

(13)

В оптическом диапазоне значение n для открытых резонаторов составляет 10⁵—10⁶.

Волны, распределяющиеся вдоль оси резонатора, называют продольными, а под углом к оси — поперечными видами колебаний. Виды колебаний резонатора называют ТЕМ-видами, чтобы показать, что векторы электрического и магнитного полей

 

 

в большинстве случаев перпендикулярны продольной оси резонатора.

Нормальные типы колебаний открытого резонатора обозначают ТЕМ_mng. Индексы m, n, g — целые числа, указывающие на число полуволн, укладывающихся вдоль ширины, высоты и длины резонатора. Для прямоугольных зеркал индекс m означает число изменений направления поля по оси х, а n — пооси у. Для круглых зеркал индекс m означает число изменений знака поля вдоль радиуса, а n — по углу.

Типы колебаний с различными m и n называются поперечными типами колебаний. Они отличаются друг от друга распределением амплитуды и фазы на поверхностях зеркал, а также величиной дифракционных потерь. Типы колебаний, имеющих одни и те же значения m и n, но разные q, называются продольными. Они отличаются друг от друга резонансной частотой.

Порядок выполнения работы.

 

1. Собратьоптическую схему с устойчивым резонатором (рис 2 з,к).

2. Выполнить юстировку с помощью газового гелий-неонового лазера. Получить генерацию. Измерить энергию в импульсе.

3. Собрать оптическую схему с неустойчивым типом резонатора (рис 2 д,е).

4. Провести юстировку, получить генерацию, измерить энергию в импульсе.

5. Провести сравнительный анализ двух типов резонаторов.

6. Рассчитать добротность и ширину полосы резонатора при заданных параметрах Λ, L, R.

7. Определить дифракционные потери и потери, обусловленные непараллельностью зеркал резонатора.

8. Составить отчет о проделанной работе.

 

 

Контрольные вопросы.

 

Типы резонаторов лазера.

3. Устойчивый и неустойчивый типы резонаторов. 4. Добротность резонатора. 5. Виды потерь в резонаторах лазера.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№5

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАМП НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение функциональных элементов электрических схем источников питания импульсных ламп накачки лазеров и проведение экспериментальных…   ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:твердотельный лазер, блоки питания (БПЛ-75/33У, НАКАЧКА-3000), измеритель энергии лазерного…

Испытания показали, что для работы источника питания на лампу ИНП – 7/80А в оптимальном режиме с частотой заряда f > 1 Гц мощность силового трансформатора должна составлять около 1500 Вт. КПД схемы невысок и составляет примерно 30%.

Для проектирования источника питания с требуемой частотой генерации необходимо составить эквивалентную схему. Основным элементом эквивалентной схемы является контур заряда буферной и рабочей ёмкости накопителя С_Н = C₁ + С₂

 

От правильного выбора величины этих емкостей, индуктивности зарядного дросселя L и сопротивления нагрузки R зависят выходные характеристики системы накачки: f, Еc, . Составив дифференциальное уравнение переходного процесса для тока в кон­туре заряда и проведя ряд несложных преобразований, получим формулы для расчета необходимых параметров.

Оптимальная частота генерации импульсов накачки ОКГ

где Ucб.— напряжение на буферной емкости, В; Uвых — напряжение на выходе накопителя, В. Максимальное значение энергии, потребляемой от сети, где R = r + R1; r—внутреннее сопротивление источника, Ом; R1 —сопротивление зарядного контура, Ом.

Порядок выполнения работы.

1. Изучить устройство и принцип работы блоков питания лазеров БПЛ-75/33У и НАКАЧКА-3000. 2. Собрать излучатель и оптическую схему генератора на АИГ. 3. Подать электрическое напряжение на лампу накачки от БПЛ-75/33У.

Контрольные вопросы.

 

1. Основные функциональные элементы электрических схем источников питания импульсных ламп.

2. Схемы включения блока поджига в разрядный контур импульсной лампы.

3. Схемы с индуктивно-емкостными преобразователями.

 

Литература.

 

6. Б.Р.Белостоцкий , Ю.В.Любавский , В.М.Авчинников Основы лазерной техники. М., ‘Советское радио’, 1972.

7. Ю.В.Байбородин Введение в лазерную технику. Изд. «Техника», 1977.

8. Н.В.Карлов Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1983.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№6.

СЕЛЕКЦИЯ ТИПОВ КОЛЕБАНИЙ В РЕЗОНАТОРАХ ЛАЗЕРОВ.

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение методов селекции модового состава излучения в резонаторах лазеров и проведение экспериментальных исследований схем селекции поперечных типов колебаний.

 

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: твердотельный лазер; измеритель энергии ИКТ-1Н; набор линз; набор диафрагм; визуализатор; юстировочный лазер ЛГН-208.

 

 

Теоретическое введение.

Практически селекцию типов колебаний осуществляют путем увеличения потерь для нежелательных типов колебаний до такой величины, чтобы условие баланса амплитуд не выполнялось. Если в резонаторе лазера возбуждаются колебания только основного типа ТЕМ₀₀, то такой режим называют одномодовым.

Одномодовые лазеры отличаются тем, что они генерируют и излучают одну, обычно нулевую поперечную моду резонатора. Эта нулевая мода имеет гладкое, колоколообразное симметричное распределение интенсивности излучения в поперечном сечении пучка (рис.1).

Математически его распределение описывается функцией Гаусса:[ZAL1]

, (1)

где I₀ - интенсивность излучения в центре пучка;

r - расстояние точки пучка от его центра;

w₀₀ - условный радиус пучка, на котором интенсивность падает в е²=7.4 раза.

 

Рис. 1. Поперечное распределение интенсивности излучения в нулевой моде резонатора ТЕМ₀₀ (r-расстояние точки пучка до его центра, w- условный I₀/e² радиус пучка).

 

Одномодовый режим можно получить снижая интенсивность накачки до величины, близкой к порогу возбуждения генератора.

Однако мощность излучения в этом случае мала, а режим работы - неустойчив. Изменения температуры окружающей среды, мощности накачки, приводят либо к срыву генерации, либо к возникновению дополнительных нежелательных типов колебаний.

Одним из распространенных методов селекции является использование фокусирующих линз и диафрагм в резонаторе.

На рисунке 2 представлены схемы которые работают следующим образом.

Тип колебаний ТЕМ₀₀ является суперпозицией волн, распространяющихся вдоль оси резонатора. Поле этих волн фокусируется линзой в малое пятно на ее оптической оси.

Подбирая размер диафрагмы можно “перекроить” оптический путь для высших поперечных типов колебаний, не внося существенных потерь для основного типа ТЕМ₀₀.

Селекторы и диафрагмы, как следует из их действия, требуют точной юстировки; настройка их является критичной.

Весьма эффективно осуществляется селекция поперечных типов колебаний при использовании полусферического резонатора, состоящего из плоского и сферического зеркал, которые располагаются на расстоянии приблизительно равном радиусу кривизны сферического зеркала. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что в полусферическом резонаторе дифракционные потери для различных типов колебаний существенно различаются и сильно зависят от расстояния между зеркалами различным образом изменяется добротность резонатора для поперечных типов колебаний.

 

Рис.2 Схемы селекции поперечных типов колебаний с помощью диафрагм; а- с двумя линзами; б- с одной линзой. 1, 1¢-зеркала резонатора; 2-активная среда; 3, 3¢-фокусирующие линзы;

4-диафрагмы.

 

Если подобрать расстояние между зеркалами, то добротность резонатора для колебания ТЕМ₀₀ будет существенно превышать

добротность для других поперечных типов колебаний (TEM₀₁, TEM₀₂, и т.д.).

Эффективная селекция поперечных типов колебаний может быть также достигнута при использовании так называемых “неустойчивых” резонаторов. В таких резонаторах зеркала не концентрируют поле в его внутренней полости, а рассеивают.

Дифракционные потери в неустойчивом резонаторе даже для низшего типа колебаний ТЕМ₀₀ составляют от нескольких единиц до десятков процентов. Но вместе с тем разница в величине дифракционных потерь для низшего и высшего типов колебаний оказывается весьма значительной. Поэтому для всех высших типов колебаний добротность неустойчивого резонатора намного меньше, чем для типа ТЕМ₀₀.

Наиболее простой способ селекции центральной продольной моды предполагает уменьшение длины резонатора. Измеряемое по шкале частот расстояние между соседними продольными модами обратно пропорционально длине резонато­ра: Dn ~ 1/L. С уменьшением длины резонатора Dn возрастает, соседние продольные моды как бы раздвигаются. А поскольку ин­тенсивность мод ограничена линией усиления, то такое раздвигание мод приводит к тому, что интенсивность центральной моды становится значительно больше интенсивности соседних мод. Под­нимая соответствующим образам уровень потерь, можно исклю­чить генерацию этих соседних мод. Для пояснения обратимся к рис. 3. В левой половине рисунка показаны линия усиления и продольные моды для некоторой длины L резонатора; прямая АА — уровень потерь в резонаторе. В правой половине рисунка показаны продольные моды в случае, когда длина резонатора уменьшена вдвое по сравнению с исходной; прямая A₁A₁ соответ­ствует новому уровню потерь в резонаторе. Данный способ селекции центральной 'продольной моды выгод­но отличается от других Способов своей простотой. К сожалению, уменьшение длины резонатора имеет отрицательные стороны, — снижается выходная мощность, увеличивается расходимость излу­чения.

 

 

Рис.3 Селекция центральной продольной моды за счет уменьшения длины резонатора.

 

Поэтому более интересны способы селекции, основанные на использовании резонаторов с дополнительными зеркалами. Селекция центральной продольной моды за счет использования резонатора с дополнительным зеркалом. При появлении дополни­тельного зеркала (одного или нескольких) исходный резонатор превращается, по сути дела, в совокупность нескольких взаимо­связанных резонаторов. Интерференция световых волн, формируе­мых этими резонаторами, приводит к перераспределению световой мощности между разными продольными модами. При соответству­ющем подборе коэффициента отражения дополнительного зерка­ла и положения его в резонаторе упомянутое перераспределение световой «мощности может привести к существенному возрастанию интенсивности центральной продольной моды и к уменьшению интенсивности остальных мод. Подобные методы селекции называют интерференционными. Рассмотрим в качестве примера резонатор, схематически показанный на рис.4а. Этот резонатор имеет три зеркала: полупрозрачное зеркало 1 и 2 и полностью отражающее зеркало3.

Зеркало 1 является выходным зеркалом резонатора, зеркало 2 – дополнительное зеркало.

На рис. 4б представлены продольные моды для рассматриваемого резонатора ( непрерывные кривые ) и для того же резонатора, но без дополнительного зеркала 2 ( штриховые кривые ). Эти результаты получены для конкретного случая, когда l/L = 3/4, R= 0.65 ( R- коэффициент отражения зеркала 2).

 

 

Рис. 4 Селекция центральной продольной моды за счет использования дополнительного зеркала.

 

Уменьшение числа генерируемых мод достигается также и в резонаторе с плоскими зеркалами, между которыми помещена диспергирующая призма (рис. 5). Из-за наличия показателя преломления (дисперсии) колебания различных частот отклоняются призмой на разные углы. Условие нормального падения лучей на зеркало 4 выполняется только для определенной частоты, в окрестности которой и происходит генерация. Резонатор с диспергирующей призмой позволяет плавно изменять рабочую частоту в пределах спектральной линии излучения путем поворота зеркала 4 или призмы.

Одновременное использование устройств, осуществляющих селекцию поперечных и продольных типов колебаний, дает возможность получить одночастотный режим работы лазера.

 

 

1 2 3 4

 

Рис.5 Схема лазера с диспергирующим элементом.1и 4- зеркала резонатора; 2- активная среда; 3 – призма

 

 

Порядок выполнения работы.

1. Собрать оптическую схему, представленную на рисунке 2б без линзы и селектирующей диафрагмы с плоскопараллельным резонатором. 2. Юстировкой резонатора получить устойчивую генерацию. С помощью… 3. Внести в резонатор лазера положительную линзу и диафрагму. Перемещая линзу и диафрагму вдоль оси резонатора…

Контрольные вопросы.

 

1. Методы селекции поперечных типов колебаний.

2. Методы селекции продольных типов колебаний.

3. Селекция типов колебаний в лазерах с модулированной добротностью.

4. Селекция модового состава излучения в технологических лазерах.

Литература.

 

1. Н.В.Карлов Лекции по квантовой электронике. М. : Наука, 1983.

2. Ю.А. Ананьев Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М. : Наука, 1979.

3. Справочник по лазерной технике. (Под ред. Ю.В. Байбородина и др.-Киев. Техника, 1978.)

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

 

МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ДОБРОТНОСТЬЮ РЕЗОНАТОРА.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение основных методов модуляции лазерного излучения и проведение экспериментальных исследований управления добротностью резонатора акустооптическим затвором.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: акустооптический затвор (АОЗ); блок питания АОЗ; твердотельный лазер; фотоприемник; осциллограф; измеритель мощности лазерного излучения.

 

Теоретическое введение.

 

В качестве элементов, управляющих добротностью резонатора

,используются механические, электорооптические, акусто-оптические и пассивные затворы.

В механических затворах для модуляции добротности широко используется метод, основанный на вращении одного из зеркал резонатора, но обычно используется не плоское зеркало, а призма с полным внутренним отражением (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема лазера с механическим (призменным)модулятором добротности.

1- активная cреда; 2- призма; 3- выходное зеркало.

 

При скорости вращения порядка 20000-30000 об/мин время переключения добротности составляет примерно 10^-7 сек. Включение лампы накачки синхронизируется с вращением призмы таким образом, чтобы разряд в лампе начинался за время t₁, для того, как призма придет в положение, соответствующее максимальной добротности резонатора. Пороговая энергия возбуждения лазера с призмой принимает минимальное значение, когда ребро прямого двугранного угла призмы перпендикулярно оси резонатора = 0. При небольших поворотах призмы вокруг вертикальной оси пороговая энергия резко увеличивается. Призменные затворы обладают рядом достоинств:

- простота устройства;

- малые оптические потери, вносимые в резонатор;

- небольшие габариты и малое потребление энергии;

- устойчивость в работе.

Основной же недостаток призменных затворов – недостаточное

быстродействие. Электрооптические затворы в сравнении с механическими обеспечивают более быструю модуляцию добротности резонатора, что улучшает энергетические характеристики лазера и уменьшает длительность импульса генерации. В основе работы электрооптических затворов лежат эффекты Поккельса и Керра - создание искусственной оптической анизотропии и, как следствие, возникновение двойного лучепреломления в среде, помещенной в электрическое поле. В отличие от эффекта Керра, Эффект Поккельса линеен по полю (линейный электрооптический эффект) и затворы на основе этого эффекта получили наибольшее распространение с использованием одноосных кристаллов, лишенных центра симметрии, - пьезокристаллах. В отсутствии внешнего электрического поля оптическая индикатрисса одноосных кристаллов представляет собой эллипсоид вращения, оптическая ось которого направлена вдоль оси резонатора. В этом случае линейно-поляризованное излучение, проходя через кристалл, не претерпевает изменений в поляризованности. В результате приложения электрического поля эллипсоид вращения оптической индикатриссы перестает быть оптической осью кристалла. За счет двойного лучепреломления линейно-поляризованная волна “распадается” на границе кристалла на две волны, поляризации которых направлены вдоль главных осей x¢ и y¢ деформированного эллипсоида и распространяется со скоростями c/n₁ и c/n₂ соответственно. Разность фаз указанных волн после прохождения светом пути 1 в кристалле определяется формулой:

Dj=2p(n₁-n₂)/l₀=2pn₀³rU/l_0, (1)

 

где l₀ - длина волны света в вакууме;U= E×- напряжение, приложенное к кристаллу; r - электрооптический коэффициент кристалла. Таким образом, после прохождения кристалла световые волны с поляризацией вдоль осей x¢ и y¢ окажутся сдвинутыми по фазе относительно друг друга и в общем случае линейно-поляризованный пучок света, превращается на выходе в эллиптически поляризованный пучок. Величина Dj может быть

равной p и p/2. В первом случае напряжение, обеспечивающее значение Dj = p называется полуволновым и поляризация светового пучка на выходе из кристалла остается линейной, но направление поляризации оказывается повернутым на 90° относительно исходного положения. Во втором случае - на выходе из кристалла световой пучок циркулярно поляризован. В соответствии с этими двумя случаями схемы с электро-оптическими затворами классифицируют на полуволновые и четвертьволновые (рис. 2). В первом случае кристалл располагают между двумя поляризаторами, плоскости пропускания которых развернуты на 90°. При отсутствии напряжения затвор полностью заперт, а при U=U_l/2 излучение проходит через него без потерь. Во втором случае кристалл располагается между поляризатором и 100%-ным зеркалом резонатора. В этой схеме при U=U_l/4 после двойного прохода ячейки излучение также линейно-поляризованно, но направление вектора поляризации развернуто на 90% по отношению к первоначальному и, следовательно, резонатор закрыт.

Рис. 2. Электрооптические затворы на эффекте Поккельса: а- полуволновая схема; б- четвертьволновая схема.

 

После создания инверсной населенности в активной среде напряжение снимается с ячейки, резонатор открывается и в нем развивается гигантский импульс излучения. К кристаллу электрическое поле может быть приложено либо вдоль распространения светового луча, либо перпендикулярно. Однако в современных затворах используют в основном поперечный электрооптический эффект Поккельса, позволяющий снизить управляющие напряжения, поскольку в этом случае выражение для U_l/2 приобретает вид

 

U_l/2=2l d(n₀³r), (2)

 

где d- толщина кристалла; - длина; n₀- показатель преломления обыкновенного луча; r- электрооптический коэффициент. Когда 2d<<1, можно резко снизить полуволновое напряжение. Достаточно выраженным электрооптическим эффектом обладают кристаллы с симметрией 42m : KH₂PO₄ (КДР), NH₄H₂PO₄ (АДР), KH₂AsO₄ (КДА), которые прозрачны в области 0.35-1.4 мкм.

К недостаткам электрооптических модуляторов следует отнести высокие управляющие напряжения порядка 6 кВ, невысокую оптическую прочность кристаллов, критичность к колебаниям температуры.

Эффективное управление добротностью резонатора может осуществляться также с помощью пассивных, фототропных затворов. Такие затворы представляют собой нелинейную среду, просветляющуюся под действием интенсивного лазерного излучения. Фототропные затворы содержат молекулы (атомы), резонансно поглощающие излучение на частоте рабочего перехода данного лазера. Пропускание затвора конечной толщины зависит от интенсивности светового потока, сечения поглощения и времени жизни возбужденных поглощающих центров, и в хорошо работающем двухуровневом приближении может быть выражено соотношением [2]:

2sT_1ПF , (3)

 

где Т₀ - начальное пропускание фильтра; Ф - интенсивность светового потока, фотон/см²*с; Т_1П - время спонтанного перехода с верхнего уровня поглощающих центров на нижний.

Начальное пропускание затвора Т₀, как правило, составляет 0.04 - 0.06 и Т=0.75- 0.65.

В качестве просветляющихся сред для лазеров на АИГ-Nd используются различные растворы полиметиновых красителей, а также затворы с поглощающими F-центрами в кристаллах типа LiF. Роль F- центров в этом случае выполняют ионы железа.

Расчет характеристик излучения лазера с пассивным затвором обычно проводится на основе балансных уравнений для

населенностей активной и поглощающей cреды. С методикой расчета можно подробно ознакомиться в [2]. В настоящее время в лазерной технике наиболее широко используются акустооптические модуляторы, принцип действия которых основан на дифракции света на акустических волнах. Акустическая (ультразвуковая) волна, распространяющаяся в оптически прозрачной среде, создает в ней области локального сжатия и разрежения и вызывает периодическое изменение показателя преломления n за счет эффекта фотоупругости. Таким образом, в фотоупругой среде образуются периодические слои с различающимися показателями преломления, движущиеся со скоростью звука. Такую среду можно рассматривать как квазистационарную фазовую дифракционную решетку с периодом l_ак/l. При падении света на такую решетку происходит дифракция, характер которой существенно зависит от параметра

Q= l(l_ак² *n), (4)

где - длина акустически возмущенной среды в направлении распространения света. При Q=1 имеет место дифракция Рамана-Ната с большим числом дифракционных максимумов (рис. 3а). В другом предельном случае наблюдается дифракция Брэгга.

При этом угол падения света должен быть близок к углу Брэгга Q_бр, который может быть найден из соотношения

sin Q_бр= -l / (2nl_ак). (5)

Дифракционная картина в этом случае состоит из двух максимумов: нулевого и первого порядков дифракции.

Интенсивность света в первом максимуме равна

, (6)

где М_ак - коэффициент эффективности фотоупругого материала, скорости звука в нем, а также от составляющей упруго-оптического тензора; Р_ак - акустическая мощность; S - площадь поперечного сечения акустического столба.

Из выражения (6) следует, что интенсивность дифрагированного пучка зависит от мощности акустической волны Р_ак.

 

Рис. 3. Схема прохождения излучения в ультразвуковых модуляторах; а- дифракция Рамана- Ната; б- дифракция Брэгга.

 

Акустическая мощность прямопропорциональна квадрату напряжения, приложенного к пьезоэлектрическому преобра-зователю, возбуждающему акустические волны в кристалле. При выборе режима работы модулятора длина волны акустических колебаний выбирается из условий обеспечения требуемой величины угла Брэгга, а модуляция интенсивности осуществляется изменением напряжения, подводимого к преобразователю.

 

В видимой области спектра для модуляции излучения мощных лазеров может использоваться кристаллический кварц.

Суммарные оптические потери в акустооптических модуляторах в 3-6 раз меньше, чем в электрооптических. Управляющие напряжения не превышают 30 В. Высокая температурная стабильность.

Типичная оптическая схема лазера с акустооптическим затвором представлена на рис. 4. Для проведения контрольно- измерительных исследований параметров лазерного пучка в схеме предусмотрен фотоприемник.

 

 

Рис. 4. Оптическая схема лазера:1,2 - зеркала резонатора; 3 - активный элемент; 4 - лампа накачки; 5 - селектирующая диафрагма; 6 - акустооптический затвор; 7 - ослабитель; 8 - фотоприемник.

Порядок выполнения.

2. Внести селектирующую диафрагму в резонатор и перемещая ее вдоль оптической оси лазера получить одномодовый режим генерации. 3. Поместить АОЗ внутрь резонатора и наклоняя его относительно оптической оси… максимальна.

Контрольные вопросы.

1. Модуляторы лазерного излучения, назначение и клас-сификация.

2. Продольный и поперечный эффекты Поккельса.

3. Дифракция света на акустических волнах и оптических средах.

4. Применение акустооптических модуляторов в лазерной технике.

Литература.

1. Г. М. Зверев, Ю. Д. Голяев и др. Лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом.- М. : Радио и связь, 1985.

2. В. А. Пилинович, А. А. Ковалев. Оптические квантовые генераторы с просветляющимися фильтрами.- Минск : Наука и техника, 1975.

3. Е. Р. Мустель, В. Н. Парыгин. Методы модуляции и сканирования света. М. : Наука, 1970.

4. А. Г. Смирнов. Квантовая электроника и оптоэлектроника.-

Мн. : Выш. шк. , 1987.

5. С. Г. Рябов, Г. Н. Торопкин, И. Ф. Усольцев. Приборы квантовой электроники. - М. : Сов. радио, 1985.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№8.

 

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ В РЕЖИМЕ СВОБОДНОЙ ГЕНЕРАЦИИ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: экспериментально исследовать режим свободной генерации твердотельного лазера и определить энергетические характеристики излучения.

 

ПРИБОРЫ И ПРИНАБЛЕЖНОСТИ: твердотельные рубино-

вый и неодимовый лазеры, измеритель энергии ИКТ-1Н, осциллограф и фотодиод.

 

Теоретическое введение.

 

Термин «свободная генерация» объединяет фактически несколько режимов генерации. Их общая черта - отсутствие какого-либо специального управления генера­цией, какого-либо воздействия на нее при помощи внешних сигна­лов или нелинейных элементов (т. е. элементов, характеристики которых меняются в зависимости от [мощности излучения, генери­руемого в активном элементе). В частности, отсутствует какая-ли­бо модуляция (как активная, так и пассивная) добротности ре­зонатора.

При импульсной накачке в режиме свободной генерации высве­чивается импульс, соответствующий по длительности импульсу воз­буждения. Для твердотельных лазеров его длительность состав­ляет 0,1 .. .1 мс; в лазерах на красителях, где используют 'более короткие импульсы накачки, длительность высвечиваемого импуль­са может составлять всего 1 мкс.

Высвечиваемый импульс обна­руживает тонкую структуру: на 73

начальном этапе он состоит из по­следовательности более коротких импульсов длительностью по­рядка 0,1 мкс.

Эта последовательность импульсов представляет собой затухающие пульсации выходной мощности, характерные для процесса генерации (см. рис.1). Возможны также не затухающие пульсации мощности; они связаны с нестабильностью параметров резонатора и с нелинейностями в резонаторе.

 

Рис.1 Структура лазерного импульса, в режиме свободной генерации

 

Основные энергетические параметры излучения лазера в режиме свободной генерации- суммарное энергия излучение в течение импульса накачкм W_и и среднее значение мощности генерации Р_ср Энергия излучения в импульсе W_и, импульсная мощность излучения Р_и , длительность импульса t и частота повторения импульсов f связаны между собой соотношенями:

 

(1)

 

(2)

В лазерах с импульсной накачкой энергетические параметры зависят от изменений многих факторов, но наиболее существенный вклад в изменение энергетических характеристик вносят энергия и длительность действия накачки. На рисунке 2

представлены характерные для твердотельных лазеров временные зависимости выходного излучения, имеющие вид регулярных незатухающих пульсаций. Здесь же приведены временные диаграммы импульса накачки Р_н(t), и населённости верхнего лазерного уровня N₂(t). После подачи на лампу накачки импульса поджига ( t = 0 ) начинается разряд накопительной емкости через импульсную лампу.

 

Рис.2 Временные диаграммы процессов в режиме свободной генерации.

 

Под воздействием накачки населенность верхнего уровня излучательного перехода увеличивается, и когда она превысит пороговую величину , возникает генерация. Время запаздывание генерации относительно момента включения лампы накачки составляет от десятков до нескольких сотен микросекунд. Первоначально, при значениях , ненамного превышает , энергия индивидуального излучения в резонаторе

мала, соответственно мало число индуцированных переходов, и под действием накачки продолжается накопление частиц на верхнем уровне перехода, т.е. увеличивается усиление активной среды. Так как энергия индуцированного излучения экспоненциально возрастает со временем, интенсивность индуцированных переходов непрерывно растет, и, начиная с некоторого момента времени, поступление частиц за счет накачки окажется недостаточным, чтобы скомпенсировать индуцированные переходы с верхнего уровня. В результате с этого момента времени будет уменьшаться. Однако энергия индуцированного излучения еще будет возрастать, пока не снизится до и среда не потеряет усилительные свойства. Скорость убывания при возвращении к пороговому значению будет наибольшей, так как в этот момент поле в резонаторе максимально. Когда станет меньше , условие баланса амплитуд не будет выполнятся, генерация сорвется и полн в резонаторе начнет убывать. Сформируется первый импульс излучения. Поскольку с уменьшением поля в резонаторе, интенсивность индуцированных переходов падает, то тогда энергия поля в резонаторе станет небольшой, вновь будет происходить накопление возбужденных частиц на втором уровне. Когда опять превысит поле в резонаторе вновь будет возрастать, и далее процесс будет качественно повторяться. Сформируется следующий импульс. В результате, излучение твердотельного лазера в режиме свободной генерации состоит из последовательности не регулярных по амплитуде и временному положению импульсов – “ пичков “. Длительность пичков составляет обычно несколько десятых долей микросекунды, а временной интервал между ними – единицы микросекунд.

Пороговая мощность накачки, при которой начинается генерация лазера, складывается из критической мощности накачки и накачки, идущей на преодоление потерь света в резонаторе.

 

Критическая мощность накачки зависит только от температуры активной среды и при ее постоянстве также постоянна. Таким образом пороговая мощность накачки может быть представлена в виде: . Критическая мощность потерь представляет собой ту добавку к введенной ранее критической мощности, которая доводит инверсию населенностей и коэффициент усиления активной среды до пороговых значений:

Для энергии излучения импульсного лазера можно записать соотношение:

(3)

где постоянная, определяемая эффективностью лампы накачки, отражателя, внутренними потерями в резонаторе и пропусканием полупрозрачного зеркала.

Для к.п.д. лазера будет справедливо выражения :

(4)

Экспериментальные исследования показали, что энергия излучения с увеличением накачки выше порогового уровня возрастает линейно, а к.п.д. при сравнительно невысоких уровнях накачки быстро возрастает и затем с увеличением изменяется слабо, стремясь к некоторому предельному для данного лазера значению. Поэтому при конструировании лазера работающего в режиме свободной генерации, для получения достаточно высокого к.п.д. обеспечивают уровень накачки в 3-4 раза выше порогового.

Значение к.п.д. лазера существенно зависит от величины внутренних потерь в кристалле активного вещества и эффективности использования света лампы накачки, а также от пропускания полупрозрачного зеркала резонатора. Отбор энергии из резонатора, как правило, осуществляется только через одно

зеркало, коэффициент отражения которого . Другое зеркало

 

резонатора имеет коэффициент отражения близкий к единице: . Тогда энергия излучения лазера может быть представлена в следующем виде:

(5)

где постоянная, аналогичная , но не зависящая от пропускания полу прозрачного зеркала, потери внутри резонатора на единицу длины, потери на излучение через полупрозрачное зеркало.

Из этого выражения следует, что с увеличением пропускания зеркала возрастает потери на излучение и одновременно возрастает пороговая энергия накачки , так как суммарные потери энергии в резонаторе увеличиваются. Таким образом, с ростом пропускания зеркала количество фотонов, выделяемых в активной среде, уменьшается, что отражает величина а доля энергии, излучаемой из резонатора в свободное пространство, равная , увеличивается. Если энергия не выводится из резонатора она вся расходуется внутри резонатора. С ростом пропускания до оптимального значения, излучаемая энергия возрастает за счет увеличения доли энергии, выводимой из резонатора. При дальнейшем увеличении энергия излучения лазера снижается, так как начинает существенно сказываться уменьшение количества фотонов, выделяемых в активной среде.

Получение высоких энергетических характеристик лазера связано также с выполнением определенных требований к юстировке зеркал резонатора. Потери, возникающие в результате непараллельности зеркал, следует отнести к внутренним, так как

 

 

излучение рассеивается через боковую поверхность резонатора.

Существенным фактором, влияющим на энергетические и спектральные характеристики излучения твердотельных лазеров, является изменение температуры активной среды. Увеличение температуры активной среды приводит к уменьшению излучаемой энергии и к.п.д. лазера. Основной причиной снижения энергии излучения и к.п.д. является расширение спектральной линии. С ростом температуры энергия возбуждения распределяется в более широком спектральном интервале, и усиление в активной среде падает. Это означает, что порог генерации достигает при большей энергии накачки. Другой причиной снижения иявляется возникновение различных деформаций и неоднородностей в активной среде при ее нагреве, что вызывает увеличение внутренних потерь в резонаторе.

Порядок выполнения работы.

 

1.Включить систему охлаждения и блок питания рубинового лазера.

2.Изменяя энергию накачки на блоке питания провести измерение величины пороговой энергии излучения лазера.

3.Юстировкой зеркал резонатора лазера и увеличивая энергию накачки на блоке питания получить максимальную энергию генерации излучения.

4.Определить КПД рубинового лазера.

5.Включить систему охлаждения и блок питания неодимового лазера.

6.Выполнить пункты 2,3,4, для неодимового лазера.

7.Сравнить пороговые значения энергии излучения и КПД рубинового и неодимового лазеров.

8.Составить отчет о проделанной работе.

 

Контрольные вопросы.

 

1.Режим свободной генерации излучения для рубинового и неодимового лазеров, а так же лазера на АИГ.

2.Временные и энергетические характеристики режима свободной генерации излучения твердотельных лазеров.

3.Причины снижения энергии излучения и КПД для твердотельных лазеров.

Литература.

1. Л.В.Тарасов Лазеры и их применение Москва Радио и связь, 1983г.

2. А.Г.Смирнов Квантовая электроника и оптоэлектроника Минск Вышэйшая школа 1987г.

3. Н.В.Карлов Лекции по квантовой электронике Минск: Наука , 1983г.

4. О.Звелто. Физика лазеров Минск: Мир, 1979г.

5. Э.Г. Пестов , Г.М. Лапшин Квантовая электроника Минск: Воениздат. 1972г.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9.

 

УСИЛЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:изучить принцип действия и экспериментально определить коэффициент усиления резонаторного оптического квантового усилителя.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: задающий генератор на неодимовом стекле, усилитель на неодимовом стекле, набор резонаторных зеркал, система питания (накачка 3000-М) и система охлаждения (УО-1), юстировочный Не-Nе лазер; измеритель энергии (ИКТ-1Н).

Теоретическое введение.

Приборы, способные за счет внутренней энергии электронов, связанных с атомами и молекулами активного вещества, усиливать малые сигналы без искажения формы электромагнитного поля, называют квантовыми усилителями. По длине волны усиливаемого ими электромагнитного поля квантовые усилители делятся на две большие группы: усилители СВЧ-диапозона длин волн и оптические квантовые усилители.

В основе работы оптических квантовых усилителей лежит тот же принцип, что и у лазеров, то есть способность возбужденных квантовых частиц отдавать свою энергию под воздействием внешнего электромагнитного поля. За счет внутренней энергии квантовой системы, происходит квантовое усиление излучения, так как пролет фотонов через активное вещество вызывает рождение новых точно таких же фотонов. При этом происходит лавинное умножение фотонов в веществе. Движение частиц и связанная с ним кинетическая энергия в процесс усиления не вовлекаются, в силу чего отсутствуют характерные для обычных электронных приборов дробовые шумы. Основными же источниками шумов являются спонтанное излучение активной среды и тепловое излучение диссипативных элементов. При индуцированном излучении кванты электромагнитного поля, как исходные, так и излученные квантовой системой, полностью тождественны, то есть имеют одинаковые частоты, поляризацию и направления распространения, что и определяет когерентность квантового усиления.

 

Получение инверсии населенностей энергетических уровней активной среды является необходимым, но недостаточным условием для получения усиления. Для создания усилителей должно быть обеспечено необходимое взаимодействие активного вещества и усиливаемого излучения. Это взаимодействие может происходить как в режиме бегущей волны - оптические квантовые усилители бегущей волны, так и в режиме стоячей волны. В последнем случае излучение многократно проходит через один и тот же образец вещества, помещенный в объемный оптический резонатор - резонаторные (регенеративные) оптические квантовые усилители. Резонаторные усилители в свою очередь разделяют на проходные, кольцевые, однонаправленные и отражательные.

Рассмотрим основные характеристики квантовых усилителей. Коэффициент усиления G - величина, показывающая, во сколько раз мощность выходного сигнала усилителя превышает мощность выходного сигнала. Коэффициент усиления 'всегда зависит от частоты усиливаемого излучения. Интервал частот, в котором коэффициент G достаточно велик, называют полосой пропускания усилителя Dn_у Полоса пропускания определяется как область частотной характеристики, в которой квадрат коэффициента усиления (G)² отличается от квадрата наибольшего коэффициента усиления (G₀)² не более чем в два раза, то есть

(1)

 

 

На практике часто пользуются таким понятием, как широкополостность квантовых усилителей

где G₀ - коэффициента усиления на резонансной частоте .

Третьей важнейшей характеристикой усилителя является мощность шума Р_ш, обуславливающая в основном

 

чувствительность квантовых усилителей, то есть его способность усиливать очень слабые входные сигналы. Чувствительность нельзя повышать бесконечно, ибо она ограничена флуктуациями случайного сигнала во входных элементах и уровнем принципиально неустранимого спонтанного излучения.

Добротность квантовых усилителей определяется отношением резонансной частоты излучения к полосе пропускания:

 

(2)

 

Динамический диапазон измеряется изменением во времени уровня выходного сигнала от минимального значения, приводящего к насыщению квантового рабочего перехода,. то есть к уменьшению инверсии населенностей до нуля. Динамический диапазон можно увеличить, если уменьшить время релаксации активного вещества (например, процесс установления равновесного магнитного момента парамагнетика, вещества, намагничивающегося под действием внешнего магнитного поля ).

Коэффициент квантового усиления К характеризует амплитуду, проходящей сквозь активное вещество электромагнитной волны, по экспоненциальному закону .

(3)

где Е₀-амплитуда выходящей волны; z-расстояние, пройденное волной в активном веществе.

На расстоянии: амплитуда поля возрастает в е=2.71 раз. Активное вещество тем эффективнее, чем большее число квантовых частиц находится на инвертированном уровне, то есть чем больше инверсия населенностей и дипольный момент

квантового перехода :

 

 

(4)

 

Весьма перспективным является отражательный резонаторный оптический квантовый усилитель, также являющийся регенеративным усилителем бегущей волны. В этом усилителе рабочее вещество, имеющее форму длинного однородного стержня, с одного торца ограничено полностью отражающим зеркалом. Со стороны, противоположной полностью отражающему зеркалу, помещено частично прозрачное зеркало, являющееся входным и, одновременно, выходным зеркалом усилителя. Как и в радиодиапазоне, разделение выходного и входного сигналов следует осуществлять с помощью некоторой невзаимной системы, подобной циркулятору. Такая система может быть основана, например, на эффекте Фарадея в сочетании с призмой Глана (смотри рисунок 1). При суммировании амплитуды полей на выходе системы (рис.1), комплексный коэффициент усиления напряженности поля может быть представлен в виде:

(5)

 

Спектральный коэффициент усиления по мощности:

(6)

 

Коэффициент усиления по мощности на резонансной частоте:

 

(7)

5 4 3 2 1

 

 

Рис.1 Отражательный оптический квантовый усилитель.

1-зеркало; 2-активное вещество; 3-полупрозрачное зеркало; 4- ячейка Фарадея; 5- призма Глана

 

Формулы (5)-(7) для отражательного усилителя подобны соответствующим формулам для кольцевого усилителя при замене К на и соответствующим изменением резонансной длины. При R=1 усиления нет (G=1) , при R=0 осуществляется режим бегущей волны, дважды проходящей активное вещество (G =К²). Генерация наступает при R=1/K². Значение коэффициента отражения, необходимое для достижения требуемого усиления G при заданном К дается формулой :

(8)

Для получения G=100 при К=3 необходимо R = 6%. В отражательном усилителе достигается лучшее использование активного вещества. В силу этого, при прочих равных условиях , его широкополостность и стабильность заметно лучше, чем у рассмотренных выше усилителей.

Блок-схема и оптическая схема усилителя для проведения экспериментальных исследований приведены на рисунках 2, 3

Рисунок 2 Блок-схема усилителя лазерного излучения

 

1-излучатель задающего генератора; 2-усилитель;3,4-системы питания задающего генератора и усилителя; 5,6-системы охлаждения генератора и усилителя; 7-юстировачный He-Ne лазер;8-устройство для контроля энергетических параметров схемы

1 2 3 4 5 6

 

Рис.3 Оптическая схема усилителя лазерного излучения.

1- юстировочный Не-Nе лазер; 2,4- зеркала задающего генератора; 3,5- активные элементы на неодимовом стекле; 6- резонаторное зеркало усилителя.

 

Порядок выполнения работы.

2. Провести юстировку схемы с помощью Не-Nе лазера, добиться генерации излучения. 3. Выбрать оптимальный коэффициент пропускания зеркала 4. 4. Измерить энергию излучения задающего генератора.

Контрольные вопросы.

1. Принцип действия оптических квантовых усилителей.

2. Типы квантовых усилителей.

3. Основные характеристики усилителей.

4. Резонаторные оптические квантовые усилители.

5.Оптические квантовые усилители бегущей волны.

 

Литература.

1. Ю.В. Байбародин Основы лазерной техники.- Киев: высшая школа,1981.

2. Н.В. Карпов Квантовые усилители.-М:ИНИ,1966.

3. Оптические когерентные квантовые генераторы и усилители/Под редакцией Н.Е. Жаботинского -М:ИИЛ, 1963.

4. С.Г. Рябов Приборы квантовой электроники.-М:Сов. радио, 1976.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№10

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ИЗЛУЧЕНИЕ УДВОЕННОЙ ЧАСТОТЫ ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение основ теории генерации оптических гармоник, проведение…  

Порядок выполнения работы.

1.Сьюстировать оптическую схему представленную на рисунке2 без кристалла-преобразователя и светофильтра. 2. Провести измерение энергии излучения лазера. 3. В оптическую схему внести кристалл КДР и светофильтр. Ориентируя кристалл вдоль направления синхронизма добиться…