Лабораторная работа №1 «Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме свободной генерации»


НазваниеЛабораторная работа №1 «Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме свободной генерации»
страница1/4
Дата публикации04.07.2013
Размер0.49 Mb.
ТипЛабораторная работа
userdocs.ru > Физика > Лабораторная работа
  1   2   3   4




Красноярский государственный технический университет

Кафедра высокоэнергетических процессов обработки материалов
Институт физики СО РАН

Лаборатория «Когерентной оптики»

Объединенная научно-учебная лаборатория


«Лазерных и спектральных технологий»

А. С. Александровский, Им Тхек-де, С. А. Мысливец,

В. В. Слабко, В. П. Тимофеев
Лабораторные работы

по лазерной технике

Красноярск 1998

СОДЕРЖАНИЕ





  1. Лабораторная работа № 1

«Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме свободной генерации».


  1. Лабораторная работа № 2

«Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме механической модуляции добротности».


  1. Лабораторная работа № 3

«Электрооптическая модуляция добротности в лазере на АИГ:Nd3+».


  1. Лабораторная работа № 4

«Нелинейно-оптическое преобразование частоты излучения YAG :Nd3+ лазера в кристалле DKDP».


  1. Лабораторная работа № 5

«Исследование генерации лазера на растворах органических красителей».
^


  1. Лабораторная работа № 6

«Исследование процессов накачки и генерации в газоразрядных лазерах».


  1. Лабораторная работа № 7
^

«Исследование процессов накачки и генерации в полупроводниковых лазерах».

Лабораторная работа № 1



Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме свободной генерации


  1. Оборудование.

1.1. Гелий-неоновый лазер ЛГН-105 для юстировки резонатора.

1.2. Квантрон твердотельного лазера.

1.3. Зеркала лазерного резонатора.

1.4. Источник импульсного высоковольтного напряжения.

1.5. Осциллограф C1-91.

1.6. Фотоприемник.

1.7. Измеритель энергии и мощности излучения ИМО-2Н.


  1. Цель работы.

2.1. Знакомство с принципом действия и устройством твердотельных лазеров и определение их основных характеристик.

2.2. Приобретение практических навыков юстировки лазеров и работы с электронной измерительной аппаратурой лазерной техники.
3. Основные понятия о предмете исследования.

В лазерах используются три фундаментальных явления, происходящих при взаимодействии электромагнитных волн с веществом, а именно процессы поглощения, спонтанного и вынужденного излучения квантов света.

1. ^ Спонтанное излучение (рис. 1а). Атом или молекула, находящиеся первоначально в возбужденном состоянии, самопроизвольно, без внешнего воздействия, испускает электромагнитную волну в течении времени, называемым временем жизни данного состояния. При этом направления распространения, фазы и поляризации волн, излученных разными атомами определяется случайными процессами и не зависят друг от друга. Спектральный состав излучения, спонтанно испускаемого совокупностью атомов или молекул, совпадает с спектральным составом излучения отдельного атома. Вероятность dPсп21/dt спонтанного излучения фотона с энергией h = E2 – E1, (т.е. число фотонов, испущенных в единицу времени), является константой, определяемой строением атома (или молекулы), но не зависит от внешнего по отношению к атому поля излучения:
dPсп21/ dt = A21 (1)
Эта константа, обозначенная как A21 , называется коэффициентом Эйнштейна для спонтанного излучения или вероятностью спонтанного перехода.




Рис.1. Схематическое представление процессов испускания и поглощения:

а) спонтанное излучение;

б) вынужденное излучение;

в) поглощение
2. Вынужденное излучение (рис.1б). Процесс излучения инициируется падающей электромагнитной волной, и поэтому излучение любой молекулы добавляется к этой волне с той же фазой. Направление испущенной волны совпадает с направлением падающей волны. Вероятность вынужденного излучения dP21/dt пропорциональна спектральной плотности энергии поля излучения в падающей волне ():
dP21/ dt = B21 (). (2)
Коэффициент пропорциональности B21 называется коэффициентом Эйнштейна для вынужденного излучения.

3. ^ Поглощение (рис. 1в). Падающий фотон поглощается, вызывая переход атома в возбужденное состояние. Вероятность поглощения dP12/dt можно записать аналогично (2) в виде
dP12/dt = B12 (). (3)
Коэффициент пропорциональности B12 называется коэффициентом Эйнштейна для поглощения. Между коэффициентами Эйнштейна A21, B21 и B12существует связь:
B12 = g2B21/g1 , (4)

A21 = (8h3/c3)B21 ,
где g1, g2 - кратности вырождения уровней 1 и 2, h - постоянная Планка,  - частота излучения, с - скорость света.

4. Основные элементы и принцип работы лазера

Лазер, по существу, состоит из трех компонент (рис.2):

1. Активная среда, которая усиливает падающую электромагнитную волну;

2. Система накачки, которая селективно накачивает активную среду (т. е. передает ей энергию), так чтобы заселить выбранные уровни и достичь инверсной заселенности;

3. Оптический резонатор, состоящий из двух расположенных параллельно зеркал M1 и M2 с коэффициентами отражения R1 и R2, обеспечивающий многократное прохождение усиливаемым излучением активной среды.




Рис.2. Схематическое изображение устройства лазера.

Система накачки создает распределение населенностей в лазерной среде, существенно отличающееся от больцмановского распределения, существующего при тепловом равновесии. При достаточно большой мощности накачки населенность N(E2) одного из возбужденных уровней E2 может превысить населенность более низкого энергетического уровня E1 (Рис. 3). Такое соотношение населенностей называется инверсией населенностей. При этом мощность индуцированного излучения N2B21() на переходе 2  1 превышает поглощенную мощность N1B12(), и электромагнитная волна, проходя через такую среду, усиливается. Активная среда, таким образом, может служить усилителем светового излучения. Используя положительную обратную связь, т.е. подавая усиленное излучения снова на вход усиливающей среды, можно превратить усилитель в генератор светового излучения. Обычно обратная связь обеспечивается размещением активной среды между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения. Свет, распространяющийся в направлении, перпендикулярном обоим зеркалам, будет поочередно отражаться от них и усиливаться при каждом прохождении через активную среду. Если одно из зеркал сделать частично прозрачным, то часть излучения будет выходить из резонатора, образуя выходной пучок.

Генерация становится возможной при выполнении определенного порогового условия, когда усиление в среде компенсирует потери в ней. Если потери в резонаторе определяются только пропусканием зеркал, то порог генерации достигается при превышении критического значения разности населенностей Nкр , которое определяется соотношением:
Nкр = -ln(R1 R2)/2L, (5)
где L - длина активной среды, R1 и R2 - коэффициенты отражения зеркал,  - сечение поглощения на переходе 1 - 2. Если разность населенностей N больше, чем Nкр , то волна, распространяющаяся между зеркалами, будет усиливаться. В качестве затравочного сигнала при генерации служит спонтанное излучение возбужденных атомов в активной среде.





Рис. 3. Возникновение инверсии на фоне больцмановского распределения населенностей.

Возбуждение активной среды с целью достижения инверсии населенностей может осуществляться разными способами: с помощью интенсивного облучения некогерентным светом импульсных или непрерывных дуговых ламп, при помощи электрического разряда в активной среде и другими способами.

5. Типы резонаторов


а. Плоскопараллельный резонатор.


б. Концентрический (сферический) резонатор.



в. Конфокальный резонатор.



г. Полуконфокальный резонатор.




д. Полусферический резонатор.

Для импульсных твердотельных лазеров чаще всего используются плоскопараллельные резонаторы. Поле излучения в резонаторе лазера не является плоской волной. Такая волна могла бы существовать лишь в резонаторе с бесконечно большим диаметром зеркал и активной среды. В лазере с конечными размерами зеркал и активной среды плоская волна не образует стоячей волны, и следовательно, не может существовать. В результате многократных проходов излучением резонатора в нем образуется стоячая волна со стационарным, воспроизводящимся от прохода к проходу пространственным распределением электромагнитного поля, которое можно описать суперпозицией плоских волн. Такая стоячая волна называется модой электромагнитных колебаний. Низшая мода резонатора, т.н. TEM00 -мода, имеет однородное, затухающее к краям пространственное распределение интенсивности в поперечном сечении. Высшие моды, TEMmn , где m, n >0 - индексы моды, имеют поперечное сечение в виде системы светлых пятен, разделенных темными узловыми линиями (Рис. 5).




Рис.5. Поперечная структура некоторых мод низших порядков.

6. Режим свободной генерации твердотельного лазера

Лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. При импульсном режиме работы возбуждение осуществляется мощным импульсом энергии, вводимым в среду в течение короткого времени. Мощность импульсного возбуждения при этом достигает величин, которые были бы невозможны при непрерывном возбуждении вследствие разрушения среды и источника накачки. Поэтому в импульсном режиме проще достичь порога генерации и проще получить высокое усиление, чем в непрерывном режиме. Энергия, запасенная в лазере за время действия импульса накачки, выделяется в виде импульса света, длительность которого, как правило, совпадает с длительностью импульса накачки, если не принимать специальных мер по управлению длительностью. В этом случае генерация лазера называется свободной. Наиболее распространенным источником для накачки импульсных твердотельных лазеров являются импульсные лампы. Длительность импульса накачки определяется параметрами источника питания и разрядной цепи и для лазеров на ионах неодима составляет величину порядка сотен микросекунд. Такова же длительность огибающей импульса генерации.

7. Nd+3:YAG – лазеры

В Nd+3:YAG – лазерах роль активного элемента играет кристалл Y3Al5O12 , в котором небольшая часть ионов Y+3 замещена ионами Nd+3. Неодимовые лазеры могут генерировать на нескольких линиях (0.91; 1.06; 1.34 и 1.9 мкм). Самая сильная из них имеет длину волны излучения 1.06 мкм. Неодимовый лазер работает по четырехуровневой схеме. Упрощенная схема энергетических уровней ионов неодима в кристалле, участвующих в процессе возбуждения ионов и создания инверсной заселенности, представлена на рис.2. Две основные линии поглощения (следовательно, основные линии оптической накачки) расположены на длинах волн 0.73 и 0.8 мкм на переходах между основным состоянием 1(4I9/2) и группой уровней 2(4F5/2, 2H9/2, 4S9/2, 4F7/2). Группа уровней 2 связаны с верхним лазерным уровнем 3(4F3/2), а нижний лазерный уровень 4(4I11/2) – с основным состоянием быстрой безизлучательной релаксацией. Лазерный переход между уровнями 3 и 4 преимущественно уширен однородно и имеет при температуре Т=300К ширину =6.5 см-1=195 ГГц. Лазерные кристаллы, обычно, имеют вид стержней диаметром 5-10 мм и длиной 5-20 см. Лампы накачки и лазерный стержень помещаются в специальную осветительную систему, который должен обеспечить максимум концентрации световой энергии ламп на месте расположения лазерного стержня.


В качестве ламп накачки используются, в основном, ксеноновые дуговые лампы среднего давления (500-1500 мм рт.ст.) и криптоновые лампы высокого давления (4-6 атм). Для повышения КПД лазера очень важно совмещение спектра излучения накачки со спектром поглощения рабочих частиц активного элемента. При накачке ксеноновыми лампами удается использовать до 30% лучистой энергии ламп.

8. Юстировка лазера.

Для юстировки лазерного резонатора из элементов оборудования необходимо собрать оптическую схему в соответствии с рис.3.

На первом этапе юстировки необходимо в отсутствии диафрагмы 6 с помощью двух поворотных зеркал 2 совместить луч вспомогательного гелий-неонового лазера 1 с оптической осью лазерного стержня 4. Контроль качества совмещения оптических осей опорного луча и стержня следует осуществлять с помощью полупрозрачного экрана с юстировочным крестом на торцах стержня. При этом необходимо добиться совпадения юстировочного луча с геометрической осью симметрии стержня.





Рис 4. 1 – He-Ne-лазер, 2 – алюминиевое зеркало, 3 – выходное полупрозрачное зеркало резонатора, 4 – активный элемент излучателя на Nd3+:YAG, 5 –глухое зеркало, 6 – диафрагма.
На втором этапе необходимо установить диафрагму 6, перемещая ее в горизонтальном и вертикальном направлениях так, чтобы центр диафрагмы совпал с осью юстировочного луча. Затем, с помощью юстировочных винтов глухого зеркала следует точно направить отраженный луч в обратном направлении, пропуская его через установленную для этой цели диафрагму 6. Таким образом, одно из зеркал лазерного резонатора оказывается настроенным. Аналогичным образом следует выполнить юстировку выходного зеркала 3. Для этого нужно найти отраженное от рабочей поверхности зеркала луч и направить его с помощью юстировочных винтов на центр диафрагмы 6.

На третьем этапе следует произвести тонкую юстировку зеркал резонатора по максимуму выходной мощности излучения лазера. С этой целью следует включить систему охлаждения квантрона и источник питания лампы накачки в соответствии с инструкциями их эксплуатации. Если лазерный резонатор достаточно хорошо сьюстирован, то одновременно со вспышкой лампы накачки должен возникать импульс генерации лазерного излучения, в чем можно убедиться по пятну отжига на жестком экране либо черной бумаге, установленном примерно на расстоянии 20 см от выходного зеркала (если лазерная генерация не достигнута, то настройку резонатора необходимо повторить). Вращая юстировочные винты зеркал резрнатора в обоих направлениях, находят их оптимальное положение, при котором яркость пятна лазерного факела максимальна. Юстировку производят сначала визуально, а затем более точно с помощью измерителя мощности.

9. Порядок выполнения работы.
  1   2   3   4

Похожие:

Лабораторная работа №1 «Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме свободной генерации» iconЛабораторная работа №1
Лазерная технологическая установка "Квант-16"; лазер газовый лг-105; генераторная головка твердотельного лазера; лазерный стержень,...
Лабораторная работа №1 «Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме свободной генерации» iconОтчёт (лабораторная работа №1) изучение дифракции света при помощи газового лазера
Цель работы: получение дифракционной картины, определение периода дифракционной решетки и длины волны излучения газового лазера
Лабораторная работа №1 «Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме свободной генерации» iconЛабораторная работа №1
Экспериментальное исследование входного сопротивления и резонансных явлений в цепях второго порядка на основе последовательного колебательного...
Лабораторная работа №1 «Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме свободной генерации» iconЛабораторная работа "Активные диэлектрики. Нелинейная сегнетокерамика"
Цель работы: исследование диэлектрических свойств сегнетоэлектрических материалов при различных температурах, используемых для изготовления...
Лабораторная работа №1 «Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме свободной генерации» iconЛабораторная работа № Управление персоналом как система Методические указания
Для выполнения задания студентам предлагается перечень функций службы управления персоналом, составленный в свободной последовательности....
Лабораторная работа №1 «Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме свободной генерации» iconЛабораторный практикум по дисциплине: «Тепломассообмен» Лабораторная...
Используются два метода расчета коэффициента: прямой по экспериментальным данным о тепловом потоке и температурном напоре, косвенный...
Лабораторная работа №1 «Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме свободной генерации» iconИзучение дифракции света при помощи газового лазера
Цель работы: получение дифракционной картины, определение периода дифракционной решетки и длины волны излучения газового лазера
Лабораторная работа №1 «Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме свободной генерации» iconЛабораторная работа №2 исследование резонансных явлений в параллельном колебательном контуре
Экспериментальное исследование резонансных явлений в параллельном колебательном контуре
Лабораторная работа №1 «Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме свободной генерации» iconЛабораторная работа №4 исследование переходных процессов в rl-цепях
Воздействие прямоугольных импульсов тока, изображенных на рис. 1, на электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных...
Лабораторная работа №1 «Исследование твердотельного лазера на алюминате иттрия с неодимом в режиме свободной генерации» iconЛабораторная работа №3 исследование переходных процессов rc-цепях
Воздействие прямоугольных импульсов тока, изображенных на рис. 1, на электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница