WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 27 |

Контрастность полос интерференционной картины и, следовательно, степень когерентности определяются из выражения:

(I - I ) max min V =. (1.19) (Imax + I ) min Когерентность излучения имеет важное значение в тех применениях лазера, где происходит расщепление и последующее сложение составляющих лазерного пучка. К этим применениям относятся интерферометрическая лазерная дальнометрия, голография.

Временная и пространственная когерентность - независимые параметры: один вид когерентности может существовать в отсутствии другого. Пространственная когерентность зависит от поперечной выходной моды лазера. Лазер непрерывного действия, работающий на одной поперечной моде, обладает почти идеальной пространственной когерентностью. Импульсный лазер в многомодовом режиме имеет ограниченную пространственную когерентность. Временная когерентность непосредственно связана с монохроматичностью. Одночастотные (одномодовые) лазеры непрерывного действия имеют высокую степень временной когерентности.

1.4.3. НАПРАВЛЕННОСТЬ И ВОЗМОЖ НОСТЬ ФОКУСИРОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ Направленным называют излучение, распространяющееся в пределах очень небольшого телесного угла. Иными словами, направленность характеризуется телесным углом, в котором распространяется большая часть излучения. Обычные источники обладают очень низкой направленностью излучения (в пределах телесного угла от 2 до 4).

От обычных источников можно получить почти параллельные лучи, если на большом расстоянии установить диафрагму или поместить источник в фокальной плоскости коллиматора. Однако энергия такого пучка будет весьма мала. ОКГ излучают в очень небольшом телесном угле. Излучение лазеров является когерентным, и поэтому фронт волны представляет собой, как правило, почти плоскость или сферу очень большого радиуса, т.е. лазер можно рассматривать как источник почти параллельных лучей с очень небольшой расходимостью. В принципе эта расходимость определяется дифракцией на выходном отверстии. Причём направленность излучения лазеров достигается не в результате каких-то специальных приёмов, а благодаря когерентности излучения. Необходимо отметить, что создание идеально параллельного пучка света невозможно, и при помощи лазеров, можно лишь добиться очень малого угла расхождения. Нижний предел для расходимости пучка, определяемый дифракцией, может быть оценен из выражения:

K =, (1.20) d где d - диаметр отверстия или диаметр пучка в наиболее узкой его части;

К - коэффициент, зависящий от формы пучка.

Для плоского пучка К = 2,44, для гауссова К = 1,27.

Когерентное излучение ОКГ можно сфокусировать в пятно чрезвычайно малых размеров, где плотность энергии будет очень большой.

Теоретическим пределом минимального диаметра лазерного пучка является длина волны. В реальной ситуации этот предел недостижим из-за неидеальности пространственных характеристик лазерного пучка и искажений в линзах. Для промышленных лазеров размеры сфокусированного светового пятна составляют 0,001 - 0,1 см.

1.4.4. ЯРКОСТЬ И МОЩ НОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ Яркость В определяется как мощность на единицу площади и на единицу телесного угла. Для луча круглого сечения радиусом R, расходимостью и полной мощностью Р имеем:

P B =. (1.21) R Спектральная яркость В = B/, где - ширина лазерной линии в Гц.

Лазер даже небольшой мощности имеет яркость, которая на несколько порядков превосходит яркость обычных источников. Это свойство является следствием высокой направленности лазерного пучка. Согласно одной из теорем оптики, яркость источника нельзя повысить с помощью оптической системы. Поэтому для повышения яркости необходимо улучшать модовый состав излучения и снижать угловую расходимость пучка.

Мощность излучения, или лучистый поток, представляет собой энергию, переносимую излучением за единицу времени. Если энергия излучается в виде импульсов, то пользуются понятием импульсной и средней мощности.

Средняя мощность излучения ОКГ обычно невелика, хотя существуют генераторы, развивающие в непрерывном режиме мощность до десятков кВт.

По своей импульсной мощности и спектральной плотности мощности лазеры значительно превосходят все существующие источники в оптическом диапазоне спектра.

Из лазеров, работающих в непрерывном режиме, наибольшую мощность имеют СО2-лазеры (десятки киловатт для промышленных образцов). Очень высокие уровни мощности имеют импульсные твердотельные лазеры на неодимовом стекле (до 1011 - 1013 Вт при наносекундной длительности импульса).

1.5. ТИПЫ ЛАЗЕРОВ Существует большое количество типов лазеров, классифицируемых по самым различным признакам - агрегатному состоянию рабочего вещества, рабочей длине волны, способу накачки, мощности излучения, режиму генерации и т.д. Рассмотрим основные типы лазеров, основываясь на классификации по агрегатному состоянию активной среды. С этих позиций можно выделить: твердотельные лазеры; газовые лазеры, включая газодинамические, химические и эксимерные; полупроводниковые лазеры;

лазеры на красителях. Хотя полупроводниковые лазеры по агрегатному состоянию твердотельные, их целесообразно рассмотреть отдельно из-за специфики в механизмах генерации.

1.5.1. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ Активными центрами в лазерах этого типа являются ионы, введённые в кристаллическую среду. Активные элементы (кристаллическая основа + активные ионы) изготавливаются в виде стержней с отполированными торцевыми поверхностями, с нанесёнными зеркальными покрытиями и также с обработанной боковой поверхностью для эффективного введения излучения накачки. Типичные лазерные стержни имеют длину 50 - 300 мм и диаметр 5 - 15 мм.



Излучение накачки создаётся в импульсном или непрерывном режиме с помощью ламп различной формы и газового наполнения, а также с помощью лазера. Накачка с помощью лазера особенно эффективна. В качестве источников накачки применяются: ксеноновые лампы, криптоновые лампы, ртутные лампы высокого давления, галогенные лампы. Различные твердотельные лазеры генерируют излучение в широкой спектральной области: 0,3 - 3 мкм в импульсном режиме; 0,69 – 2,6 мкм в непрерывном режиме. Излучение происходит в виде одиночных спектрально узких линий, которые не являются перестраиваемыми. Само излучение характеризуется малой длиной когерентности, большими колебаниями интенсивности излучения, слабо регулярным распределением интенсивности по поперечному сечению пучка. Более высокое качество пучка возможно в непрерывном режиме при возбуждении моды ТЕМ00.

Для излучения импульсного лазера характерны пичковые режимы. При работе в импульсном режиме длительность импульса накачки равна примерно 5 мс. Длительность пичков примерно 1 мс. Многие из твердотельных лазеров работают по четырёхуровневой схеме. Поскольку нижний уровень почти не заселён, этот тип лазеров обладает низкой пороговой мощностью накачки. Из указанных лазеров особо следует выделить рубиновый, Nd-ИАГ и лазеры на неодимовом стекле.

Рубиновый лазер Характерные концентрации ионов Cr3+ в рубине – 0,01 – 0,5%. Так как система Cr3+ : Al2O3 работает по трёхуровневой схеме, инверсия заселённости достигается только при возбуждении около 50% ионов Cr3+. Это приводит к высокому порогу генерации. Рубиновые лазеры могут работать в импульсном или непрерывном режиме. Из-за низкого КПД (около 0,1%) рубиновый лазер непрерывного действия неэкономичен по сравнению с другими твердотельными лазерами непрерывного действия. При работе в импульсном режиме без модуляции добротности выходное излучение лазера состоит из повторяющихся пичков длительностью около 1мкс с большой мощностью в максимумах. Таким образом, излучение рубинового лазера характеризуется большой мощностью при невысоком качестве излучения (неоднородное распределение по поперечному сечению, пичковый характер излучения).

Лазеры на неодимовом стекле Этот лазер излучает в ближайшем ИК-диапазоне (=1,06 мкм). В качестве активных ионов в стекло, используемое в качестве матрицы, вводят ионы Nd3+ с массовым содержанием 0,5 - 8%. Nd - лазер работает по четырёхуровневой схеме. Поскольку нижний лазерный уровень почти не заселён, пороговая мощность накачки мала (около 200 Вт), в результате чего нетрудно осуществить непрерывный режим работы. Для оптической накачки преимущественно применяют стержневые импульсные лампы с эллиптическим отражателем. Из-за особой структуры активного вещества лазеры на неодимовом стекле лучше всего подходят для генерации пикосекундных импульсов в режиме синхронизации мод. В этом режиме достигнуты максимальные мощности 1012 - 1013 Вт.

Лазеры на алюмоиттриевом гранате В настоящее время лазер этого типа является важнейшим твердотельным лазером. Он отличается высокими значениями мощности в импульсном режиме при высокой частоте следования импульсов (до 10кГц).

Физический принцип получения инверсии населённости в этом лазере совпадает с лазером на стекле с неодимом. Отличие заключается в использовании кристаллической матрицы (Y3Al5O12), а не аморфной (стекло).

Активирование иттрий-алюминиевого граната ионами Nd3+ составляет 0,53,5 %.

Возбуждение среды происходит с помощью оптической накачки: в импульсном режиме - ксеноновыми импульсными лампами с цилиндрическим отражателем; в непрерывном режиме - галогенными лампами и криптоновыми дуговыми лампами с эллиптическими отражателями. Пороговая энергия составляет менее 5 Дж.

Максимальная мощность лазерного излучения в импульсном режиме достигает 109 Вт, в непрерывном режиме -500 Вт. КПД составляет примерно 1%, длина волны излучения - 1,06 мкм.

1.5.2. ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ В качестве активных сред для газовых лазеров пригодны все газообразные при комнатной температуре элементы, большое число элементов в парообразном состоянии (например, пары металлов), большое число молекул.

При создании инверсии заселённости широко используется ударное возбуждение излучающих состояний при столкновениях атомов и молекул с электронами в газовых разрядах и электронных пучках. При этом большую роль обычно играют ступенчатые процессы с участием метастабильных атомов и молекул. Для лазеров, работающих на колебательных переходах в молекулах, может быть использована химическая или газодинамическая накачка. Предельные физико-технические параметры газовых лазеров приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.Параметр Значение Тип лазера Мощность в непрерывном 400 Газодинамический CO2-лазер режиме, кВт Энергия импульса излучения, 70 Быстропоточный CO2-лазер кДж Импульсная мощность, ТВт 20 ТЕА-лазер на COДлительность импульса, пс 30 ТЕА-лазер на COКПД, % 50 Лазер на галогенидах инертных газов Минимальная длина волны, нм 116 H2-лазер Максимальная длина волны, мм 1,965 CH3Br-лазер Примерная конструкция газового лазера приведена на рис.1.5.

Активная среда находится в пределах лазерной трубки, длина зоны возбуждения достигает от нескольких сантиметров до 200 м (типично 0,3 – 1,5 м), а диаметр лазерной трубки 0,1 - 50 см (типично 0,1 - 2 см), наполнение газа стационарное или в проточной системе. Охлаждение газа, т.е. отвод тепловых потерь происходит с помощью воздушного охлаждения при малой мощности; водяного охлаждения при средней и высокой мощности; быстрой замены газа при очень высокой мощности.





В зависимости от типа частицы, на переходах которой осуществляется генерация, различают атомные, ионные и молекулярные газовые лазеры.

2 Рис.1.5. Принципиальная схема газоразрядного лазера: 1 - источник питания разряда; 2 - оптический резонатор; 3 - активный элемент; 4 - лазерное излучение Атомные лазеры Рассмотрим более подробно Не-Ne лазер. Этот лазер может работать в непрерывном режиме с малыми выходными мощностями. Он отличается небольшими размерами, простой и надёжной конструкцией. В Не-Nе лазере возможна генерация на многочисленных переходах между электронными уровнями атома неона. Чаще всего используется генерация на длине волны 632,8 нм. Создание инверсной заселённости происходит в электрическом газовом разряде, причём заселение верхних уровней атома неона в основном происходит за счёт неупругих столкновений с метастабильными атомами Не, которые возбуждаются при столкновениях с электронами.

Свойства Не-Nе лазера типичны для газовых лазеров и характеризуются большой длиной когерентности, хорошим качеством пучка.

Гелий-неоновые лазеры имеют сравнительно малую мощность (обычно менее одного Ватта в непрерывном режиме) и используются в голографии, измерительной технике и технологии как инструмент контроля.

Лазеры на парах металлов Среди лазеров на переходах в атомах лазеры на парах металлов занимают важное место. Дело в том, что металлы обладают наиболее подходящей структурой энергетических уровней с точки зрения получения высокого квантового КПД. В качестве лазерного обычно используется переход из резонансного в метастабильное состояние, так как время жизни нижнего состояния больше, чем верхнего, то лазер может работать только в импульсном режиме, Такие лазеры получили название лазеров на самоограниченных переходах. В настоящее время получена генерация на парах многих металлов - меди, золота, свинца, марганца, таллия, висмута, железа, бария, кальция, стронция и других. Промышленное значение имеют, в основном, лазеры на парах меди и меди-золота. Лазеры на парах меди дают излучение в зеленой (510,6 нм) и желтой (578,2 нм) областях спектра. В присутствии паров золота появляется красная линия (627,8 нм), т.е.

излучение лазера становится трехцветным. Такие лазеры имеют среднюю мощность излучения до 20 Вт, а импульсную - до 200 кВт при длительности импульса 20 - 30 нс. Трудности создания лазеров на парах металлов обусловлены высокой рабочей температурой (до 1700 К) активного объема и необходимостью обеспечения мощных коротких импульсов накачки при частоте повторения в десятки килогерц.

Ионные лазеры В ионных лазерах генерация осуществляется на электронных переходах в ионах. Из ионных лазеров наибольшее распространение получил аргоновый лазер, в котором генерация может происходить на нескольких длинах волн в диапазоне от 454 до 528 нм. Заселение верхнего лазерного уровня происходит при электронных ударах. Накачка осуществляется мощным дуговым разрядом для создания высокой степени ионизации. Нижний лазерный уровень обладает очень коротким временем жизни, что обеспечивает высокую инверсность населенности. Мощность аргоновых лазеров достигает 500 Вт в непрерывном режиме при КПД порядка 0,1%. Из других ионных лазеров следует отметить криптоновые и гелий-кадмиевые.

Заселение верхнего лазерного уровня иона кадмия осуществляется при участии метастабильных атомов гелия. Возможны два лазерных перехода с длинами волн 325 и 441,6 нм.

Молекулярные лазеры 1. Газовые лазеры в УФ-диапазоне (N2- и Н2-лазеры).

N2-лазер является высокомощным лазером с коротким временем нарастания импульса, с высокой частотой следования импульсов. Из-за незначительного времени жизни верхнего уровня инверсия заселённости достигается только при возбуждении короткими импульсами (<15нс). Для достижения высоких энергий в импульсе требуется большая электрическая мощность возбуждения. Благодаря очень быстрому усилению в активной среде, из-за чего вся инверсная населённость снимается в один проход, N2-лазер может работать без резонатора. Длина волны излучения азотного лазера составляет 337,1 нм. Н2-лазер является мощным импульсным лазером в вакуумном УФ-диапазоне с малой длительностью импульса. По принципу действия он аналогичен азотному.

2. Эксимерные лазеры Класс импульсных газовых лазеров, объединенных названием "эксимерные", возник сравнительно недавно. Лазеры этого класса работают на переходах между двумя термами молекулы, нижний из которых является отталкивательным и составлен обычно из атомов в основном состоянии.

Верхний терм лазерного перехода имеет потенциальный минимум. Такие молекулы существуют только в возбужденном состоянии, откуда и происходит название этого типа лазеров.

В результате процессов в возбужденном газе образуется эксимерная молекула в электронно-возбужденном состоянии на некотором колебательном уровне. Ш ирина полосы испускания перехода в эксимерном лазере на несколько порядков превышает значение этой величины для других типов лазеров. Сечение индуцированного излучения для перехода в эксимерном лазере весьма мало, и этот лазер может работать только при относительно высокой интенсивности накачки в импульсном режиме.

В настоящее время существуют эксимерные лазеры с энергией импульса до 300 Дж при длительности импульса порядка 50 нс и КПД = 10%.

Указанные параметры являются рекордными для всех лазеров видимого и ультрафиолетового диапазонов.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 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.