Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Качество лазерного луча

Читайте также:
  1. I. Теоретические аспекты управления качеством медицинской помощи.
  2. II.2.1. Лаборатории, контролирующие качество продукции общественного питания. Их функции
  3. Lt;variant>Менеджмент- это врожденное качество отдельных индивидов
  4. V1: Методология и терминология управления качеством
  5. Блок-схема процесса расчета и анализа затрат на качество
  6. В каких областях началась «стыковка» теории управления качеством с общим менеджментом?
  7. Верификация и качество прогноза
  8. Виды и качество выполнения работ
  9. Виды и качество выполнения работ
  10. Виды и качество выполнения работ

2,5 Нe+

Ne+

3s

2,0 2s 0,6328 мкм

Разряд Соударения 2 р 1

1,152мкм -4

1s 0,6 мкм 10

1,5 Теплообмен со стенкой

 

» 11S (2 p)6

Гелий Неон

Рис. 11. Схема энергетических уровней гелия и неона

 

Атомы неона могут возбуждаться, кроме того, при столкновении со свободными атомами, не приводя при этом к боль-шому заселению верхних состояний лазерного переходапо сравнению с нижними. Такое прямое возбуждение уменьшает инверсную разность населённостей. Поэтому необходимо смешивать большое количество гелия с малым количеством неона.

Лазерный эффект на основе механизма непрямого возбуждения был обнаружен также у молекул кислорода в смеси Ne¾O2 и Ar¾O2 и в парах цезия на длинах волн l = 3,2 мкм и l = 7,2 мкм.

Для получения представление о мощности, потребляемой газовым лазером, следует для примера провести оценку пороговой величины мощности накачки гелий-неонового лазера. Для получения усиления, достаточного для возникновения генерации в случае активной среды в виде относительно тонкого цилиндра, используют разрядные трубки длиной ~ 1 м. При оптимальных размерах лазера потери при отражении и дифракционные потери составляют лишь 2% мощности. Следовательно, для возникновения генерации необходимо преодолеть затухание a = а/ L = 0,01/100 = 10-4 см-1.

В случае смеси из гелия и неона время жизни верхнего состояния в 2s-мультиплете составляет t = 10-7 с. Генерация возбужденных частиц происходит на частоте f = 3·1014 Гц. Вследствие эффекта Допплера, вызванного тепловым движением атомов, линия излучения уширяется на величину D f = 9·108 Гц.

Время жизни на нижнем лазерном состоянии настолько мало, что оценку мощности можно проводить, как для четырёхуровневого лазера, Dn = 7·106 см-3.

Если принять квантовый выход равным единице, учитывая мощность, необходимую для прямого возбуждения атомов гелия с энергией Е03 = 19,81 эВ, то пороговая величина мощности накачки по флуоресценции составит лишь Р f / V = 2·10-3 Вт/см3. Фактически при возбуждении в поле высокой частоты или в поле постоянного напряжения требуется намного бóльшая мощность. Однако, несмотря на это, представляется очевидным, что возбудить газовый лазер можно значительно проще, чем твердотельный. Важно также, что в нормальных условиях газовые лазеры могут работать в непрерывном режиме.

 

Качество лазерного луча

Кроме монохроматичности получаемое в резонаторе лазерное излучение обладает такими показателями качествами как когерентность, поляризация и модовая структура (спектр излучения лазера состоит из «гребёнки» спектральных компонент (мод), частоты которых отличаются на величину Δ=c/2L, определяющуюся длиной резонатора L и скоростью света в среде c). Когерентность – согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов. При изучении лазерных пучков различают пространственную и временную когерентность. Временная связана со степенью монохроматичности световой волны и характеризуется временем когерентности (tког = 1/Δνл), в течение которого возможный сдвиг фазы колебаний в пределах ширины линии излучения достигнет максимальной величины. Для описания когерентных свойств волны в направлении, перпендикулярном направлению её распространения применяют термин пространственная когерентность, которая характеризуется объемом когерентности – областью пространства, где волна сохраняет когерентность. Для количественной оценки когерентности излучения пользуются коэффициентом контрастности интерференционной картины, образуемой в результате сложения двух лазерных пучков из одного источника, прошедших путь разной длины: γ=(Imax-Imin)/(Imax+Imin), где I – интенсивность света в максимумах и минимумах интерференционной картины. Для когерентного излучения γ стремится к 1, в случае полной некогерентности γ стремится к нулю.

Резонатор Фабри-Перо из двух плоскопараллельных зеркал редко применяется на практике. Это связано с большими потерями излучения в таких резонаторах. Из-за дифракции на краях зеркал пучок расширяется в поперечном направлении и может выйти за пределы оптической системы. Резонаторы современных устройств состоят из плоских и сферических зеркал с разными радиусами кривизны отражающей поверхности. Критерий возможности использования для анализа распространения излучения волнового или геометрического приближения – число Френеля Nф=d2/(λL), где d – поперечный размер пучка. При Nф больше 1 используют геометрическое приближение, при Nф меньше или равном 1 – необходимо учитывать волновые свойства света.

В геометрической оптике любое рассмотрение начинают с луча света, распространяющегося в резонаторе на малом расстоянии от оптической оси под небольшим углом к ней (параксиального луча).

 

Рис. 17 - Схема резонатора со сферическими зеркалами

Если при многократных отражениях от зеркал расстояние луча от оптической оси возрастает по мере роста числа отражений, то в таком резонаторе потери будут велики. При этом относительная величина смещения положения луча на выпуклом зеркале за один проход называется коэффициентом увеличения резонатора М. Для резонатора с малыми потерями должно выполняться условие устойчивости: 0<(1-L/r1)(1-L\r2)<1. Пока для резонатора выполняется это неравенство, параксиальные лучи остаются вблизи оптической оси даже после многих отражений и такой резонатор называют устойчивым. В остальных случаях после многократных отражений луч удаляется от оси и резонатор является неустойчивым. Величину коэффициента увеличения для неустойчивых резонаторов определяют через отношение радиусов зеркал М=|r1/r2|. Для лазеров небольшой мощности наиболее характерны устойчивые резонаторы с вогнутыми зеркалами. В таком устройстве пучок излучения сжимается и становится очень узким, вклад в его усиление дает только та часть активной среды, которая близка к оптической оси.

 

 

Рис. 18 - Распространение света в устойчивом резонаторе

НЕустойчивые резонаторы применяют, как правило, для лазеров средней и большой мощности. Они имеют определенные достоинства: даже в случае применения очень коротких резонаторов такого типа активная среда в них используется очень эффективно – весь объем активной среды может участвовать в процессе усиления света.

 

Рис. 19 - Распространение света в неустойчивом резонаторе

Кроме того, выходную мощность лазерного излучения можно легко регулировать в широких пределах, варьируя расстояние между зеркалами неустойчивого резонатора.

Короткие резонаторы с большими поперечными размерами зеркал (область больших чисел Френеля Nф>>1) вызывают усложнение поперечной структуры лазерного пучка, что связано с развитием в резонаторе поперечних мод э/м колебаний. В лазерном резонаторе, характеризующемся небольшими числами Френеля Nф~1 роль дифракции велика и все области усиливающей среды оказываются связанными дифракционной поперечной связью, т.е. вынужденное излучение всех активних частиц будет синхронизировано по фазе и выходной пучок может иметь постоянную по фронту фазу. Излучение, сформированное в таком резонаторе, характеризуется одномодовой структурой.

В резонаторах с Nф>>1 дифракционными поперечними связями можно пренебречь и, согласно геометрической оптике, пучки в таком случае могут распространяться по независимым друг от друга замкнутым траекториям, которые могут существовать в активной среде и поддерживаться зеркалами резонатора. Отбирая энергию с разных частей активной среды, эти различные поперечные моды генерируют независимо друг от друга и вызывают пространственную некогерентность выходного пучка.

При изготовлении оптических резонаторов главным образом используют интерференционные зеркала. Они состоят из большого числа слоёв с разными показателями преломления. Толщина каждого слоя составляет четверть длины волны отражаемого света. Все отражения от каждого отдельного уровня показателя преломления складываются по фазе, в то время как прямая волна вследствие интерференции почти полностью гасится. Интерференционные зеркала обладают селективной отражательной способностью. Поэтому их необходимо использовать в первую очередь в лазерах, активное вещество которых может испускать индуцированное излучение в нескольких различных областях спектра. В этом случае благодаря селективности зеркала будет возбуждаться лишь определённая частота.

Интерференционные зеркала работают практически без потерь. Если не учитывать потери вследствие рассеяния на дефектах, то вся энергия падающей волны либо отражается от зеркала, либо проходит через него. Правильным выбором числа слоёв можно получить зеркало, обладающее определённой пропускающей способностью. Даже в случае, когда требуется очень высокая отражающая способность, интерференционные зеркала дают лучшие результаты, чем металлические. Электрическое сопротивление металлов обусловливает на оптических частотах более высокие потери при отражении, чем хорошие интерференционные зеркала. На зеркалах, имеющих примерно 15 слоёв: отражение 99,4%, пропускание 0,3%. Остальная часть энергии теряется из-за рассеяния на неоднородностях слоёв и вследствие поглощения.




Дата добавления: 2014-12-20; просмотров: 34 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Газы и смеси газов| ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2024 год. (0.009 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав