WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 27 |

5) дополнительные элементы, зависящие от цели лазера. (Приборы управления лучом, модуляторы и т.д.) Рассмотрим подробнее некоторые из элементов лазера.

Лазерное излучение 3 Рис.1.2. Принципиальная схема лазера: 1 - активный элемент;

2 - устройство накачки; 3 - зеркало со стопроцентным отражением;

4 - полупрозрачное зеркало 1.3.1. РАБОЧЕЕ ВЕЩ ЕСТВО Активная среда лазера может быть различна по агрегатному состоянию. Именно по этому признаку различают лазеры на твёрдом теле, газовые лазеры и жидкостные. Соответственно различается и устройство активных элементов лазеров. Активный элемент твердотельного лазера представляет собой стержень с кристаллической или аморфной структурой.

В газовых лазерах активный элемент имеет вид трубки, заполненной газом или смесью газов. В жидкостных лазерах активный элемент находится в кювете.

1.3.2. СОЗДАНИЕ ИНВЕРСИИ Возбуждение активного вещества или накачка может осуществляться несколькими методами.

1. Оптическая накачка. Это достаточно универсальный и широко используемый метод накачки твердотельных и жидкостных лазеров, иногда он применяется и для накачки полупроводниковых и газовых лазеров.

Сущность метода заключается в облучении активной среды излучением, которое поглощается активным веществом и переводит активные центры из основного в возбужденное состояние. В качестве источника излучения могут быть использованы разнообразные источники света, в том числе ксеноновые лампы-вспышки низкого давления (около 100 мм рт.ст.), вольфрам-иодные, криптоновые и ртутные капиллярные лампы высокого давления, обычные лампы накаливания, лазеры.

2. Накачка с помощью газового разряда осуществляется путём пропускания тока через газ. При этом возбуждение активных состояний атомов и молекул осуществляется при неупругих столкновениях электронов с тяжелыми частицами, а также при вторичных процессах в газе. В настоящее время для накачки используются тлеющий и дуговой разряды на постоянном токе, высоких и сверхвысоких частотах.

3. Возбуждение электронным пучком. Этот метод накачки достаточно широко используется для полупроводниковых и газовых лазеров.

4. Инжекция неосновных носителей заряда через n-p переход - это самый распространенный способ накачки полупроводниковых лазеров, который позволяет непосредственно, без промежуточных стадий, преобразовывать электрическую энергию в лазерное излучение.

5. Химическая накачка применяется главным образом в газовых лазерах и использует химические реакции, сопровождающиеся образованием возбужденных продуктов.

6. Газодинамическая накачка. Этот метод применяется в газовых лазерах и заключается в резком охлаждении рабочего газа, в результате чего может быть достигнута инверсная населенность.

1.3.3. УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖ ДЕНИЯ И НАСЫЩ ЕНИЯ УСИЛЕНИЯ Как было показано выше, условием усиления электромагнитных колебаний является наличие инверсной населенности. Для генерации необходимо, чтобы усиление за один проход в активном веществе превысило все потери, в том числе связанные с выводом излучения наружу, дифракционными и неактивными потерями в рабочем веществе и др. Это может быть обеспечено уровнем инверсии, при котором показатель усиления на данной частоте превысит суммарный показатель потерь.

Уменьшение относительной интенсивности излучения в резонаторе, вызванное потерями, определяется его добротностью Q:

I nt - =, (1.16) I Q при этом условие превышения усиления над потерями запишется в виде:

n >, (1.17) Q где n - частота излучения; t - время прохождения слоя активного вещества.

Энергия или мощность накачки, при которой достигается пороговая инверсия для генерации, называется пороговой энергией или мощностью генерации.

Условие самовозбуждения будет выполняться в первую очередь для колебаний, обладающих наивысшей добротностью, при этом система, состоящая из активного вещества в оптическом резонаторе, будет перекачивать энергию в моды резонатора с малыми потерями.

При увеличении интенсивности накачки выше порога генерации происходит насыщение инверсии населенностей и усиления. Характер насыщения усиления в лазере зависит от типа уширения спектральной линии.

При однородном уширении контур спектральной линии в режиме насыщения не изменяется. При неоднородном уширении увеличение показателя усиления будет происходить неравномерно по всему контуру, а преимущественно вблизи частоты, то есть в общем спектре образуется характерный пик.

При достижении порога генерация начинается на одной моде, обладающей наивысшей добротностью и расположенной ближе всех к максимуму спектральной линии. Это режим одномодовой генерации. При увеличении интенсивности накачки появляется генерация и на модах с меньшей добротностью, при этом лазер работает в режиме многомодовой генерации.

1.3.4. ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ Важнейшим элементом оптических квантовых генераторов является оптический резонатор, при наличии которого за счет многократного прохождения излучения достигается наиболее полное взаимодействие последнего с активной средой. Обеспечивая положительную обратную связь, резонатор влияет на диаграмму направленности и спектральный состав излучения. Важной характеристикой любого резонатора является добротность, представляющая собой отношение энергии, запасенной в резонаторе, к средней энергии, теряемой за период колебаний или в единицу времени. Оптический резонатор является открытым, то есть отражающие стенки его не замкнуты.

Простейший оптический резонатор образуют два плоских зеркала, расположенные строго параллельно друг другу. Электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль оптической оси резонатора, будут отражаться от зеркал и интерферировать между собой. Те из них, для которых выполняется условие резонанса, интерферируют на максимум, образуя в резонаторе стоячую волну. За счет многократного прохождения таких волн резко увеличивается эффективность их взаимодействия с активным веществом.



Волны, распространяющиеся под не слишком малым углом к оптической оси, после нескольких отражений выходят из резонатора.

Колебания, распространяющиеся вдоль оси резонатора, обладают наивысшей добротностью и называются аксиальными колебаниями. В оптическом диапазоне в пределах спектральной линии обычно укладывается много собственных типов колебаний резонатора, то есть резонатор является многомодовым. Моды аксиальных колебаний обозначаются ТЕМоо.

Для вывода излучения наружу одно из зеркал резонатора делается полупрозрачным. Это определяет необходимые полезные потери резонатора (потери на излучение). Добротность резонатора, определяемая потерями на излучение, может быть найдена из уравнения:

2L Q =, (1.18) (1- R) где R - коэффициент отражения зеркала; L - длина резонатора.

Из других видов потерь отметим следующие:

1. Дифракционные потери, связанные с дифракцией электромагнитной волны на зеркалах, имеющих конечные размеры. Чем меньше поперечные размеры зеркала, тем больше потери. Дифракционные потери минимальны для аксиальных ТЕМоо мод и велики для неаксиальных.

2. Потери на несовершенства зеркал обусловлены возможным поглощением в зеркалах, рассеянием на шероховатостях, отклонением геометрии зеркала от заданной и т.д. Для их исключения к зеркалам предъявляются очень высокие требования. Так, погрешность в обработке не должна превышать 0,1 от длины волны.

3. Потери на разъюстировку резонатора. Угол между плоскостями зеркал не должен превышать несколько угловых секунд.

4. Потери в активном веществе связаны с поглощением и рассеянием энергии на различных дефектах в активной среде.

В плоском резонаторе фронт волны на его зеркале практически плоский, что позволяет получить малую расходимость луча.

Кроме плоских часто применяются различные типы резонаторов оптического диапазона со сферическими зеркалами (рис. 1.3). Преимущество сферических зеркал перед плоскими заключается в том, что требуется значительно меньшая точность их юстировки.

Конфокальный резонатор образован двумя одинаковыми сферическими зеркалами, оси и фокусные расстояния которых совпадают.

Поле в таком резонаторе более плотно сконцентрировано около его оси, поэтому дифракционные потери в нем значительно меньше. Резонатор менее чувствителен к разъюстировке зеркал, но в нем хуже используется объем активного вещества.

L L L L RRRR1 RFFFFFRг в а б Рис.1.3. Схемы различных типов резонаторов со сферическими зеркалами:

а - конфокальный (R1=R2=L); б - полуконфокальный (R1=2L, R2 = );

в - концентрический (R1=R2=L/2); г - полуконцентрический (R1=L, R2=) Полуконфокальный резонатор образован одним плоским и одним сферическим зеркалом, радиус кривизны которого равен удвоенной длине резонатора. Его свойства аналогичны свойствам конфокального резонатора с удвоенной длиной.

Концентрический резонатор образован двумя одинаковыми сферическими зеркалами, оси и центры кривизны которых совпадают.

Дифракционные потери в нем быстро возрастают для неаксиальных мод, что используется для селекции неаксиальных колебаний.

Полуконцентрический резонатор имеет свойства, аналогичные концентрическому.

1.3.5.ИМПУЛЬСНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ, МОДУЛЯЦИЯ ДОБРОТНОСТИ И СИНХРОНИЗАЦИЯ МОД В нестационарном режиме работы лазеров уровень инверсии и выходная мощность представляют собой определенную последовательность импульсов. На рис.1.4. представлена картина развития импульсов излучения при прямоугольном импульсе накачки. За время t2 после включения накачки достигается пороговая населенность, необходимая для генерации. При наличии генерации происходит снижение уровня инверсии, и появляется первый всплеск мощности излучения. При генерации на одной моде создается последовательность лазерных импульсов, амплитуда которых затухает по экспоненте. Такую генерацию называют режимом затухающих пичков. На больших временах и при отсутствии дополнительных источников флуктуаций режим регулярных пичков переходит в стационарный.

Основной причиной возникновения релаксационных колебаний является взаимодействие поля в резонаторе с активной средой. Отметим, что такие колебания могут развиваться не только в начале импульса накачки, но и в стационарном режиме при появлении внезапного возмущения.

Характерный период таких колебаний составляет 0,1 - 10 мкс.

н t t N2 t (t) пор Na t t P вых Pстац вых t t t 2 Q t t N2(t) Nпор(t) б NNпор t t t t Pвых t t t t Рис.1.4. Временная диаграмма развития лазерного импульса при прямоугольном импульсе накачки: а - режим свободной генерации; б - режим модуляции добротности Режим регулярных затухающих колебаний возникает лишь при одномодовой генерации и неизменности параметров лазера во времени. В реальных условиях, особенно в твердотельных и полупроводниковых лазерах, наблюдается режим нерегулярных пичков, интенсивность которых во времени не затухает и меняется хаотично (рис.1.4). Причиной таких колебаний могут быть нестабильность параметров лазера и взаимодействие различных мод при многомодовой генерации.

Рассмотренные выше эффекты соответствуют режиму свободной генерации, когда добротность резонатора и пороговая заселенность постоянны во времени. Очень интересные результаты можно получить при работе лазера в режиме модуляции добротности. Режим модуляции добротности позволяет получать лазерную генерацию в виде импульсов с малой длительностью и высокой пиковой мощностью (гигантские импульсы).





Принцип работы лазера в режиме модуляции добротности состоит в следующем. Предположим, что внутрь лазерного резонатора помещён затвор. Если затвор закрыт, то генерация не возникает и, следовательно, инверсия населённости может достигнуть очень высокого значения. Если теперь очень быстро открыть затвор, то усиление в лазере будет существенно превышать потери, и накопленная энергия выделится в виде короткого (порядка нескольких наносекунд) и интенсивного импульса света (рис.1.4).

Поскольку в данном случае происходит изменение добротности резонатора от низких до высоких значений, то такой режим называется режимом модуляции добротности.

Режим модуляции добротности лазера характеризуется следующими основными параметрами: временем задержки генерации tзад, длительностью гигантского импульса tим, пиковой мощностью Рмах и энергией излучения импульса W.

Существует ряд методов модуляции добротности.

1. Одно из двух зеркал резонатора вращается. Потери резонатора будут очень высокими в течение всего периода вращения за исключением момента времени, соответствующего параллельности зеркал.

2. Внутри резонатора имеется оптический модулятор, свойства которого можно менять с помощью внешних воздействий. Чаще всего используют электрооптические эффекты в кристаллах.

3. Внутри резонатора имеется насыщающийся поглотитель, показатель поглощения которого уменьшается при увеличении мощности излучения, например, просветляющийся краситель.

Для получения ещё более коротких импульсов с более высокой пиковой мощностью применяют режим синхронизации мод. При многомодовой генерации зависимость интенсивности выходного излучения лазера от времени часто имеет вид нерегулярных пичков, так как моды обычно не генерируют одновременно, а их фазы более или менее случайны.

Однако, если моды вынуждены генерировать одновременно с примерно одинаковыми амплитудами, и их фазы синхронизованы, то происходит очень интересное явление. Моды интерферируют, в результате чего генерация имеет вид коротких световых импульсов.

Чтобы получить очень короткие импульсы, требуется большая ширина генерируемого спектра. Это реализуется в ряде твёрдотельных лазеров, однако невозможно для типичных газовых лазеров. Так в газоразрядных лазерах можно получить импульсы длительностью порядка 1 нс, а в твердотельных порядка 1пс и менее.

В режиме синхронизации мод можно получать большие пиковые мощности, ибо пиковая мощность увеличивается пропорционально числу синхронизованных мод, которое в твёрдотельных лазерах может составлять порядка 1000-10000. Синхронизация мод достигается как с помощью активного модулятора, управляемого внешним воздействием, так и нелинейной среды. В то же время средняя мощность не зависит от синхронизации мод. Синхронизация мод позволяет получать импульсы с пиковой мощностью порядка 11013 Вт и длительностью менее 1пс.

Каждый из режимов работы лазера имеет свои особенности. В режиме свободной генерации обеспечиваются наиболее высокие уровни энергии излучения при наибольших значениях КПД, в режиме модулированной добротности - наиболее высокие уровни импульсной мощности при более низких значениях КПД и т. д.

1.4. СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 1.4.1. МОНОХРОМАТИЧНОСТЬ Ш ирина спектра излучения является одной из основных его характеристик. Для оценки ширины спектра пользуются понятиями ширины спектральной линии на уровне 0,5 от ее максимума и степени монохроматичности. В случае спектральной линии степень монохроматичности µ равна:

µ =. (1.18) o Идеально монохроматического излучения с шириной спектра =0 не может быть по самой природе излучения, поэтому обычно монохроматическим считается излучение, имеющее достаточно узкий спектральный интервал, который можно охарактеризовать одной длиной волны или частотой. Весьма важно отметить, что с помощью спектральных приборов нельзя получить мощное монохроматическое излучение (чем больше монохроматичность излучения, тем меньше мощность). Это связано с тем, что в обычных источниках излучения мощность распределена в широком спектральном диапазоне, а в ОКГ вся излучаемая мощность сосредоточена в одной или нескольких чрезвычайно узких линиях.

Наименьшую ширину линии излучения имеют газовые лазеры (до нескольких десятков герц).

При генерации в импульсном режиме спектр излучения будет уширен до величины, обратной длительности импульса. Спектр лазерного излучения может быть уширен и из-за неоднородности активного материала, что особенно характерно для твердотельных лазеров.

1.4.2. КОГЕРЕНТНОСТЬ Понятие когерентности в применении к колебаниям относится к связи или согласованности между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени или между фазами колебаний в одной и той же точке пространства, но в различные моменты времени.

Когерентность характеризуется степенью или функцией когерентности, которая изменяется от 1 (полная когерентность) до 0 (полная некогерентность). Степень когерентности можно определить экспериментально путем наблюдения интерференционной картины, образуемой при расщеплении светового пучка на два и последующем их сложении после прохождения оптических путей разной длины.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 27 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.