|
|
Методические указания к изучению курса.МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СЕВЕРО - ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
В.Е. Поляков
КАФЕДРА ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ И СИСТЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
Рабочая программа. Методические указания. Задания на контрольную работу.
Факультет: машиностроительный Специальность 1901 - приборостроение Специализация: 1901.... “Контрольно-измерительные приборы и системы”, 190120 -”Приборы таможенного контроля экспортного и импортного”
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998г.
Утверждено редакционно-издательским советом института. УДК 621.378.001
Поляков В.Е. Лазерная техника и технология. Рабочая программа, методические указания, задания на контрольную работу.- СПб.: СЗПИ, 1998, - стр.
Курс охватывает основные разделы лазерной техники, включающие: свойства лазерного излучения, основные принципы работы лазеров характеристики лазерного излучения, управление характеристиками лазерного излучения, типы лазеров и применение лазеров в технологии, голографии и спектроскопии. Приведена рабочая программа курса, даны методические указания к его изучению, представлены варианты заданий на контрольную работу.
Рассмотрено на заседании кафедры приборов, методов контроля и систем экологической безопасности .... ноября 1998 года и одобрено методической комиссией машиностроительного факультета ... ноября 1998 года.
Р е ц е н з е н т ы: кафедра приборов, методов контроля и систем экологической безопасности ( зав.кафедрой Потапов А.И., д-р.техн.наук., проф. член-корр.РИА), Воробьев Е.А., д-р. техн. наук, профессор, член-корр.РИА, СПбААП, к.т.н.,доцент Курчавова Т.П.
Составитель: д.т.н.,профессор Поляков В.Е.
ã Северо-Западный заочный политехнический институт,1998
Рабочая программа (98 часов) Введение (4 часа)
Использование лазерных источников света в контрольно-измерительных приборах, в различных областях научной и технической оптики. Исторический анализ развития и создания лазеров. Уникальность свойства лазерного излучения. Типы лазеров на органических и неорганических веществах. Настоящее и будущее лазеров. Общие задачи курса по изучению лазерной техники и лазерной технологии.
1. ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (10 часов).
Свойства лазерного излучения. Световые волны. Оптические единицы. Электромагнитный спектр. Плоские и сферические волны. Принцип суперпозиции. Монохроматичность лазерного излучения. Направленность (высоколлимированное излучение) лазерного источника. Принципы Гюйгенса и дифракция. Яркость лазерного излучения. Радио и фотометрические величины. Интерференция света. Пятнистая структура лазерного излучения. Когерентность лазерного излучения. Измерение когерентности. Опыт Юнга, интерферометр Фабри-Перо, интерферометр Майкельсона. Поляризация, виды поляризации, преобразователи поляризации, поляризация лазерного излучения.
2. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРА. АКТИВНАЯ СРЕДА (6 часов).
Дискретные энергетические состояния атома и перехода между ними. Квантовые числа. Правила отбора и время жизни атома в возбужденном состоянии. Излучение и поглощение света, происходящее между атомами и молекулами на примере двухуровневой энергетической системы. Закон Бэра. Спонтанное излучение, вынужденное поглощение, вынужденное излучение. Соотношения Эйнштейна. Поглощение и коэффициенты усиления слабого сигнала. Инверсная населенность.
3.ЛАЗЕРНАЯ НАКАЧКА (6 часов).
Оптические резонаторы. Закон Больцмана и населенность энергетических уровней. Создание инверсной населенности: двухуровневая накачка. Оптическая накачка трех и четырехуровневых систем. Оптическая обратная связь. Лазерный резонатор. Коэффициент усиления при двухкратном прохождении резонатора. Пороговые условия стимулированной генерации. Формирования пучка в резонаторе. Условие устойчивости. Типы лазерных резонаторов.
4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (6 часов).
Уширение линий поглощения и излучения. Доплеровское уширение. Столкновительное уширение. Естественное (радиационное) уширение. Однородное и неоднородное уширение. Лазерные моды. Продольные моды лазера. Коэффициент добротности. Продольно-поперечные моды лазера Скорость накачки. Колебания значения коэффициента усиления. Выходная мощность. Пичковый режим генерации. Насыщение усиления в лазерах с неоднородным и однородным уширением линии излучения.
5. УПРАВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ( 6часов).
Управление лазерным излучением с помощью элементов прикладной оптики (линзы, зеркала отображательные, светоделительные и т.п.). Внутрирезонаторные элементы. Селекция линии излучения лазера. Одномодовый режим работы лазера. Модуляция добротности. Электрооптические и акустооптические затворы. Пассивная модуляция добротности. Синхронизация мод.
6.ТИПЫ ЛАЗЕРОВ. ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ. (10 часов).
Схема энергетических уровней Не-Nе-лазера. Электрическая схема источника питания лазера. Характеристики Не-Nе-лазера. Лазеры на ионах инертных газов. Аргоновый лазер. Ионные лазеры на парах твердых веществ. Не-Cd-лазер. Молекулярные лазеры. СО2 - лазер. Схемы энергетических уровней СО2 -лазера. Лазер с поперечной накачкой и газодинамические лазеры. Лазер на азоте или N2-лазер. Химические лазеры. Эксимерные лазеры.
7. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ. (10 часов).
Активные Среды твердотельных лазеров. Рубиновый лазер. Схема энергетических уровней. Характеристики лазера. Гранатовый (ИАГ: Nd3+) лазер. Схема энергетических уровней. Характеристика неодимового лазера. Лазер на александрите. Накачка твердотельных лазеров импульсными лампами. Оптический резонатор твердотельных лазеров. Полупроводниковые лазеры. Принцип работы. Диаграмма энергетических зон. Излучение p-n-перехода. Полупроводниковый лазер на основе GaAs.
8. ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ. (10 часов).
Жидкостные лазеры на красителях. Активные Среды. Спектральные характеристики поглощения и люминесценции этаноловых растворов органических красителей. Характеристики красителей ряда кумаринов, оксазинов и родаминов. Энергетическая диаграмма лазера на красителях. Продольная и поперечная накачка жидкостного лазера, ламповая и когерентная накачки. Твердотельные лазеры на красителях на основе активированного полиметилметакрилата и эпоксидиановых полимеров. Характеристики жидкостных и твердотельных лазеров на красителях. Лазер с распределенной обратной связью на основе “ активной призмы” и “активного катета”. Свипирование линии генерации РОС-лазера.
9. ЛАЗЕРЫ С НЕТРАДИЦИОННЫМИ СПОСОБАМИ НАКАЧКИ. (10 часов).
Твердотельные лазеры с оптическим источником накачки, использующие излучательные способности ударных волн, процессы горения пиротехнических смесей и оптическую составляющую процесса взрыва. Свечение абсолютно черного тела. Температура горения пиротехнических смесей. Гипотетический лазер, использующий в качестве активной Среды атмосферу Венеры, а источник накачки- излучение Солнца. Матричные лазеры в виде цилиндрических и сферических оболочек секционированных модулями. Гипотетический лазер на парах стронция. Инжекторы лазерной плазмы - плазменные и плазмодинамические лазеры.
10. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРЫ. (4 часа).
Мощность, как основное требование, предъявляемое к технологическим лазерам. Мощные однокаскадные лазеры. Двух и многокаскадные твердотельные лазеры. Технологический СО2 - лазер. Фокусировка лазерных пучков.
11. ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. (6 часов).
Некоторые свойства материалов. Термообработка стали и чугуна с целью закалки или отжига. Очистка поверхности перед нанесением лакокрасочных покрытий. Активизация поверхностей полимерных материалов перед склеиванием с металлическими материалами. Лазерная пайка. Скрабирование сапфировых и кремниевых подложек в электронной промышленности. Микрообработка и подготовка резисторов. Лазерная сварка. Лазерная резка материалов. Лазерные голография и спектроскопия. Прошивание отверстий с помощью лазерного излучения. Лазерный термоядерный синтез.
ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ.
1. Измерение спектров поглощения и люминесценции активной Среды для лазеров на красителях (2 часа). 2. Изучение твердотельного лазера на ИАГ: Nd3+ и его характеристики (2 часа). 3. Измерение характеристик твердотельного лазера на красителях с поперечной (квазипродольной) накачкой (2 часа). 4. Измерение характеристик и свойств стимулированного излучения He-Ne-лазера (2 часа). 5. Изучение характеристик лазера с распределенной обратной связью с когерентной накачкой (2 часа).
ЛИТЕРАТУРА. Основная.
1.Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения.-М.: Радио и связь, 1981. 439 с. 2.Привалов В.Е. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах.-Л.:”Судостроение”, 1989.с.260. 3.Справочник по лазерам. В двух томах /Перевод с англ. с изменениями и дополнениями. Под редакцией А.М.Прохорова.-М.:”Советское радио”, 1978. 4.Базаров В.К. Полупроводниковые лазеры и их применение.-М.:Энергия, 1969. с.56. 5.О.Звелто. Принципы лазеров.-М.:Мир,1984.395с. 6.Д.О¢Шиа, Р.Коллен, У.Родс. Лазерная техника.-М.:Атомиздат, 1980.256 с. 7. Промышленное применение лазеров/ Под редакцией Г.Кебнера. Пер. с англ.-М.: Машиностроение, 1988.278 с. 8.О.Звелто. Физика лазеров/Под ред. Т.А.Шмаонова.-М.:Мир, 1979.373 с.
Дополнительная.
9.Алешкевич В.А., Кисилев Д.Ф., Корчажкин В.В. Лазеры в лекционном эксперименте.-М.:Изд-во МГУ, 1985. с.135. 10.О.Звелто. Физика лазеров/Пер. с англ .Т.А.Шмаонова.-М.: “Мир”, 1979. 11.Н.Г.Гасов, И.Г.Лебо, В.Б.Розанов Физика лазерного термоядерного синтеза.-М.: “Знание”, 1988.с.171. 12. Ю.В.Троицкий. Одночастотная генерация в газовых лазерах.-Новосибирск.: “Наука”, 1975. с.158. 13.Б.А.Виноградов, В.Б. Копылов Лазерная резка неметаллических материалов.-Л.: ЛДНТП, 1987. 14.В.Е.Поляков, А.И.Потапов Твердотельные лазеры на красителях. Учебное пособие.- Спб, Изд-во СЗПИ, 1993.с.129. 15.Космическое оружие: дилемма безопасности./Под ред. академика Е.П.Велихова.- м.:Мир.1966.с.182. 16.Гончаренко А.Н. Звездные войны в стратегии империализма США. Изд-во политической литературы Украины.-Киев.:1988.с.201. 17.Аналитическая лазерная спектроскопия./ Под ред. Н.Оменетто.Мир.-М.:1982. с.606. 18.Голография методы и аппаратура /Под ред. В.М.Гинзбург, Б.М.Степанова. Советское радио.-М.:1974.с.275. 19. Абельсиитов Г.А., Велихов Е.П.,Голубев В.С. и др. Мощные газоразрядные лазеры и их применение в технологии. Наука.-М.:1984.с.103. 20.Виноградов Б.А., Копылов В.Б. Лазерная резка неметаллических материалов. ЛДНТП.-Л.:1987. с.29. 21.Потапов А.И.,Черкасов В.Н. Лазерные методы дистанционного контроля атмосферы. Учебное пособие СЗПИ,-СПб.:1992.с.77. 22. Потапов А.И.,Черкасов В.Н. Лазерные методы дистанционного контроля водной Среды. Учебное пособие СЗПИ,-СПб.:1993.с.63. 23.Миногин В.Г., Летохов В.С. Давление лазерного излучения на атомы. Наука,-М.:1986.с.222.
Тематический план лекций (для заочников)
1. Введение. Механизм поглощения, люминесценции и стимулированного излучения. Устройство лазера. Классификация лазеров. (2 часа). 2.Свойства лазерного излучения. Управление лазерным излучением. (2 часа). 3.Оптические резонаторы. Накачка активных сред для лазеров. Источники накачки. (2 часа) 4.Типы лазеров. Газовые лазеры. Твердотельные и жидкостные лазеры. (2 часа) 5.Лазерные технологии. (2 часа)
Методические указания к изучению курса. Цель преподавания дисциплины.
В курсе излагаются вопросы, связанные с изучением и расчетами различных типов лазеров, которые нашли широкое применение в измерительных системах, оптической связи, оптической голографии, в технологии. Целью преподавания курса является знание студентами физических принципов лазеров, характеристик лазерного излучения, устройство лазеров, включающих оптические резонаторы и источники накачки. Большое внимание уделяется изучению различных типов лазеров, их энергетическим характеристикам, возможностям и способам управления лазерным излучением. В курс включены основные наиболее эффективные лазерные технологии, связанные с обработкой материалов, активизацией поверхностей, сваркой, прошиванием отверстий и т.п.
Задачи изучения дисциплины.
В результате изучения дисциплины “Лазерная техника и технология” студент должен: - ознакомиться с терминологией, необходимой для понимания прогресса в лазерных технологиях и применениях лазеров, -научиться по функциональной схеме лазерного источника определять назначение каждого отдельного компонента схемы: - освоить основные физические и теоретические принципы, необходимые для понимания работы лазеров, -изучить типы лазеров, источников накачки и оптических резонаторов, -приобрести навыки в подборе оптических систем, обеспечивающих управление параметрами лазерного излучения, -изучить области применения лазеров и тенденции в развитии лазерной техники - лазеров будущего.
Место курса в учебном процессе.
Дисциплина “Лазерная техника и технология” дает общие знания о лазерах, методику построения измерительных приборов на базе лазеров, используемых для точных измерений физических величин, для получения объемных изображений предметов, в системах контроля, связи и энергетики. Она базируется на ранее изученных курсах “Высшая математика”, “Физика”, “Основы метрологии”, “Прикладная оптика”, “Электронные оптические приборы” и является основой для освоения курса по специализациям “Контрольно-измерительные приборы и системы” и “Приборы таможенного контроля экспортного и импортного”, а также для выполнения дипломного проекта. Следует отметить, что лекционный материал охватывает только ключевые вопросы дисциплины, основное же изучение материала должно проводиться студентом самостоятельно.
ВВЕДЕНИЕ. [1] , с.3-5 или [7], с.9-65
Оптические приборы или оптические измерительные системы на основе лазеров являются основной или вспомогательной частью большинства измерительных приборов самого разнообразного назначения. Студенту необходимо проанализировать исторический путь развития и создания лазеров, разобраться в уникальности свойств лазерного излучения, следует ознакомиться с возможностями лазерных источников света в измерительных системах. Ознакомиться с терминологией, необходимой для понимания процессов, происходящих в лазерах.
Вопросы для самопроверки. 1. В чем уникальность лазера как оптического прибора? 2. Кто является создателем первого отечественного и зарубежного лазеров? 3. Как переводится на русский язык аббревиатура “LASER”?
1. ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. [8],с.9-19 или [6],с.12-55.
Этот раздел содержит информацию о свойствах лазерного излучения таких, как чрезвычайная яркость и направленность. Другая необычная характеристика - эффект мерцания или пятнистая структура отраженного от шероховатой поверхности лазерного света, что связано с высокой степенью когерентности. Кроме того, лазерное излучение обладает чрезвычайной монохроматичностью и имеет высокую степень поляризации. Для того, чтобы разобраться в свойствах лазерного излучения, студент должен изучить основы волновой теории света, общепринятые единицы измерения оптических частот и длин волн, ориентироваться в спектре электромагнитного излучения. Изучить принцип Гюйгенса и явление дифракции. Для того, чтобы уметь измерять параметры электромагнитного излучения, необходимо обладать радио- и фотометрическими физическими величинами и их размерностью. При изучении пятнистой структуры студент должен восстановить знания об интерфференции света и разобраться в одном из замечательных свойств лазера - временной и пространственной когерентности. (Видоизмененный опыт Юнга, интерфферометры Фабри-Перо и Майкельсона). Изучение видов поляризации лазерного излучения должно сопровождаться знаниями о возможностях преобразования поляризации.
Вопросы для самопроверки.
1. Какую частоту имеет электромагнитное излучение, если длина волны l = 1м? Какую длину волны имеет электромагнитное излучение, если частота n = 110 Ггц ? 2. Выражение для бегущей волны имеет вид : у = 5Sin(6 p t - 10p x) х -выражено в сантиметрах, t - в секундах. Определить амплитуду, частоту, длину волны и скорость распространения волны. 3. Луна находится на расстоянии 400000 км от Земли. Определить площадь поверхности, освещаемой лазером с расходимостью пучка 1 мрад, 1 мкрад. 4. Какова длина когерентности излучения с l =500нм и шириной полосы 1м ? Найдите ширину полосы при которой длина когерентности составляет 1 м. 5. Чему равен угол Брюстера для окна лазера, изготовленного из плавленного кварца (n =1,462), стекла (n =1,523) и пластмассы (n=1,421)?
ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА. АКТИВНАЯ СРЕДА. [5],с.16-25, [1],с.7-21, [4], с.3-56.
Для работы большинства лазеров требуется выполнение трех условий. Необходима прежде всего активная среда. Во-вторых должна быть реализована так называемая инверсная населенность. И, в третьих, лазерная генерация возможна при наличии в лазерной системе обратной положительной связи. Если обратная связь отсутствует, то лазер работает как усилитель света в узком диапазоне частот. Для изучения этих трех главных условий и принципов, лежащих в их основе, студент должен изучить дискретные энергетические состояния атома и переходы между ними, квантовые числа, правила отбора и время жизни атома в возбужденном состоянии. На двухуровневой физической модели изучить механизмы спонтанного излучения, вынужденного поглощения и вынужденного излучения, соотношения Эйнштейна для трех механизмов, научиться определять и рассчитывать коэффициенты усиления слабого сигнала, изучить закон Бэра, соотношение для отрицательного поглощения и спектрального коэффициента усиления.
Вопросы для самопроверки.
1. Пусть В10 =109 м3/(вт ·с-3). Найдите значение А10 и соответствующее время жизни t10=1/А10. Для изучения с длиной волны 600 нм(видимый диапазон), l=6 мкм (инфракрасный диапазон), l=6 нм (ультрафиолетовая область), l=0,6 нм (рентгеновский диапазон). 2. Предполагая, что потерь в активной среде нет, вычислить b, если интенсивность света удваивается при прохождении через лазерный усилитель, длина которого равна 1 м. Определите значение b, если увеличение интенсивности на этой же длине составляет 6%. 3. Определите необходимую температуру, чтобы получить на возбужденном уровне 10% полного числа частиц, переходы на который из основного состояния осуществляются при поглощении квантов в видимой области спектра (l = 500 нм).
3. ЛАЗЕРНАЯ НАКАЧКА. ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ. [8],с.71-94, [6],с.66-72, [4], с.3-56.
Восстановить в памяти закон Больцмана для населенностей энергетических уровней и изучить условия создания инверсной населенности при двухуровневой накачке, трех - и четырех уровневой схемах. Принцип усиления света с помощью вынужденного излучения используется в однопроходном усилителе света. Величина коэффициента усиления у большинства активных сред измеряется долями процента на сантиметр пути. В большинстве лазеров это ограничение обходят, применяя зеркала, которые заставляют световой пучок многократно проходить через активную среду. Студент должен изучить и уметь рассчитывать коэффициент усиления при двухкратном прохождении резонатора. Разобраться каким образом происходит формирование пучка в резонаторе, какие существуют типы резонаторов, в чем заключается условие устойчивости резонатора?
Вопросы для самопроверки.
1. Для двух зеркал с заданными радиусами кривизны r1 =50 см и r2=100см вычислите расстояние между зеркалами L, при котором они образуют оптический резонатор “на грани устойчивости”. 2.Какой радиус кривизны имеют зеркала резонатора Фабри-Перо? 3.Какую форму имеет сечение пучка лазерного излучения в телескопическом резонаторе? В резонаторе Фабри-Перо?
4.ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. [6],с.82-104, [8],с.288-314, [23],с.3-222.
Для создания лазера необходимо иметь активную среду с инверсной населенностью и оптический резонатор, обеспечивающий положительную обратную связь между полем излучения и активной средой. Важной проблемой является уяснить каким образом определяют временные, пространственные и спектральные характеристики лазерного излучения. В этой связи студенту необходимо изучить механизм уширения линий поглощения и излучения, Доплеровское столкновение, радиационные, однородные и неоднородные уширения. Лазерный резонатор играет большую роль в формировании спектра излучения лазера и лазерных мод - собственных типов колебаний оптического резонатора. Студент должен научиться анализировать модовый состав лазерного излучения. Получив представление о модах лазера, необходимо рассмотреть такие вопросы как скорость накачки, колебания значения коэффициента усиления, выходная мощность в стационарном и пичковом случаях. Необходимо также рассмотреть механизм насыщения усиления в лазерах с однородным и неоднородным уширением линии излучения, а также выгорание провалов.
Вопросы для самопроверки.
1. Сравнить доплеровское уширение линии лазера на СО2 с l =10,6 мкм и линии неона с l = 0,633 мкм, считая температуру разряда в лазерах равной 400 К. 2.Оптический переход атома характеризуется частотой 5х1013 Гц и временем жизни t = 1/g. Сколько полных колебаний совершит атом, прежде чем запасенная энергия упадет до уровня 1/е? 3. Найдите частотный интервал между модами тем00 и Тем 01 с одинаковыми значениями q, если L=40 см, R1 и R2= 100см.
5. УПРАВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. [6], с.105-120, [5],с.316-353, [21], с.3-77, [22],с.3-63
Излучение реального лазера имеет довольно сложную структуру. Спектр излучения может содержать большое число дискретных частот: ход генерации во времени может выглядеть как последовательность нерегулярных пичков. В большинстве традиционных задач эти временные и спектральные характеристики являются вполне приемлемыми. Вместе с тем, часто возникает необходимость внести в конструкцию лазера те или иные изменения, чтобы получить излучение с новыми необходимыми параметрами. Поэтому студент должен знать каким образом и с помощью каких устройств можно управлять характеристиками лазерного излучения. Прежде всего необходимо изучить возможность использования внутрирезонаторных элементов, а именно: Призма, дифракционная решетка, фильтр, диафрагма (селекция мод), модулятор добротности. В проблеме модуляции добротности необходимо изучить оптико-механический метод модуляции с использованием электростатических и акустооптических затворов, изучить метод пассивной модуляции добротности. В задачах получения лазерных импульсных с большой мощностью и малой длительностью необходимо изучить методы активной и пассивной синхронизации мод. Необходимо также изучить простые элементы прикладной оптики, которые позволяют разделить пучок лазерного излучения на два пучка (светоделительное зеркало), изменить направление лазерного излучения (отражательное зеркало), управлять расходимостью (телескоп), сфокусировать, расширить пятно, сформировать в виде плоскости лазерное излучение (положительная, отрицательная и цилиндрическая линзы.)
Вопросы для самопроверки.
1. С какой целью в лазере обеспечивается режим модуляции добротности? 2. Объясните механизм пассивной синхронизации мод? 3. Полный угол расходимости рубинового лазера составляет 10-4 рад, а диаметр лазерного луча 1 см. Во сколько раз измениться расходимость пучка лазера, если его пропустить через телескоп с апертурой 400 см? Определить размер пятна излучения, вышедшего из телескопа.
6. ТИПЫ ЛАЗЕРОВ. ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ. [2],с.3-252, [3],с.7-221.
В этом разделе дисциплины студент должен изучить строение лазера, его функциональную и оптическую схемы, знать назначение каждого узла лазера. Учитывая, что число различных лазеров и материалов, в которых была получена генерация вынужденного излучения, достигает больших величин, студенту необходимо ограничиться знанием наиболее распространенных типов лазеров: газовых, твердотельных жидкостных лазеров на красителях и полупроводниковых лазеров. В зависимости от природы активной Среды необходимо изучить атомарные, ионные и молекулярные лазеры, а именно: лазер на Не-Ne, аргоновый лазер, He-Cl и He-Se лазеры, СО2 лазер, N2 - лазер. Необходимо разобраться в схемах энергетических уровней, в излучательных и безизлучательных переходах, в источниках питания газовых лазеров и особенностях оптических резонаторов. Знать длины волн излучения указанных лазеров на основные характеристики.
Вопросы для самопроверки.
1. Перечислите типы газовых лазеров и укажите длину волны лазерного излучения, режим излучения (непрерывный, импульсный). 2. Какие активные Среды используются в молекулярных газовых лазерах, атомарных и ионных лазерах? 3. Перечислите газовые лазеры, работающие в непрерывном и в импульсном режимах? Укажите их основные энергетические характеристики.
7. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ. [6],с.143-150, [10],с.186-189, [4],с.3-56.
Необходимо изучить активные Среды, которые применяют в твердотельных лазерах, а именно: лазер на гранате, рубине, александрите. Изучить функциональные схемы этого типа лазеров с накачкой импульсными лампами, с когерентной накачкой. Разбираться в схемах энергетических уровней, лазерных переходах и резонаторах. Студент должен знать длины волн лазерного излучения и их основные энергетические характеристики, режимы работы твердотельных лазеров. Необходимо ознакомится с полупроводниковыми лазерами, электронными свойствами твердых тел, диаграммами энергетических зон, схемами энергетических уровней полупроводников n и p -типов. Изучить физические принципы излучения p-n перехода и характеристики Ga As -лазера.
Вопросы для самопроверки.
1. Назовите основные твердотельные лазеры, используемые активные Среды и способы накачки активных сред. 2. Чем отличается когерентная накачка твердотельного лазера от накачки импульсными лампами.? 3. Нарисуйте функциональную схему лазера ИАГ: Nd3+, укажите основные узлы лазеры и их назначение. 4. Укажите длины волн излучения лазеров на граните и рубине. 5. Рассчитайте энергию фотона лазеров на граните и рубине. 6. Свет с длиной волны l=900 нм, пройдя через щель шириной а=6мкм, дифрагирует на угол q, такой что Sinq = l/a. Определить расходимость лазера на GaAs и сравнить с расходимостью лазера на ИАГ: Nd3+.
8.ЖИДКОСТНЫЕ ЛАЗЕРЫ. ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ. [8],с.230-237 или [14],с.3-129
В этом разделе необходимо обратить внимание на спектральные характеристики поглощения, пропускания и флуоресценции этанольных растворов органических красителей: кумаринов, родаминов и оксазинов. Изучить типы основных активных сред на их основе и диаграммы уровней лазеров на красителях. Обратить внимание на то, что все лазеры на красителях накачиваются оптическим путем с помощью импульсных ламп и когерентных источников света, что эти лазеры являются перестраиваемыми с помощью частотноселективных элементов дисперсионных призм, дифракционных решеток или двоякопреломляющих фильтров. Изучить возможности внедрения органических красителей в полимерные матрицы (полиметилметакриалит, эпоксиполимеры и т.п.) с целью получения твердотельных лазеров на красителях. Необходимо знать варианты накачки лазеров на красителях: продольный, квазипродольный и поперечный. Особый интерес представляют широкополосные лазеры и лазеры с распределенной индуцированной обратной связью (РОС-лазеры). Изучить возможность “свипирования” длины волны излучения на основе РОС-генерации.
Вопросы для самопроверки.
1.Укажите типы органических красителей, обеспечивающих стимулированное излучение в синей, зеленой, желтой, оранжевой и красной областях спектра. 2. Нарисуйте схему лазера на красителях с поперечной когерентной накачкой от ИАГ: Nd3+ - лазера с удвоенной частотой. Укажите тип активной среды, которую можно накачать излучением, имеющим длину волны накачки: l1 =532нм и l2 = 337нм. 3. Нарисуйте функциональную схему РОС-лазера с “активной призмой” и “активным катетом”. Рассчитайте длину волны излучения РОС-лазера, активная Среда которого содержит твердый раствор родамина 6Ж, если lнак =532 нм, показатель преломления активной Среды и “активного катета” равны n акт.ср. =12 акт .кат. Угол падения излучения накачки q = 450. Каким должен быть угол падения излучения накачки, чтобы обеспечить длину волны генерации l1 = 585 нм, l2 = 560 нм и l3 =110 нм? 4. С помощью каких дисперсионных элементов можно обеспечить непрерывную перестройку частоты лазера на красителях?
9. ЛАЗЕРЫ С НЕТРАДИЦИОННЫМИ СПОСОБАМИ НАКАЧКИ. [6],с.171-174, [15],с.3-182, [23],с.3-222, [16],с.3-201, [17],с.3-173, [18], c.3-606, [19] ,с.3-275.
Этот раздел предназначен для студентов, которые свою будущую научную деятельность направят на глубокое изучение и развитие лазерной техники. В настоящее время наряду с глубокими исследованиями по нелинейной оптике продолжаются работы над созданием совершенно новых типов лазеров, новых источников накачки, поиска новых областей применения лазеров. Внимательно изучив предшествующий материал, нетрудно прийти к выводу, что несмотря на разнообразие существующих лазеров, используемые активные Среды, как правило имеют малые объемы, что не позволяет запасти значительное количество энергии перед импульсом излучения. Одним из важных направлений является создание лазеров, имеющих большой (сотни килограммов и выше) объем активной среды, например, сконструированных в виде цилиндрических и сферических оболочек, секционированных лазерными модулями. В сферических оболочках увеличение радиуса оболочки в 10 раз приводит к увеличению объема активной среды в 103 раз. На базе таких лазеров могут быть созданы инжекторы газовой плазмы, термоядерной плазмы, плазмодинамические мощные лазеры. Для создания матричных лазеров и обеспечения инжекции плазмы необходимо также разработать кумулятивные мишени, обеспечивающие разброс продуктов сферического сжатия вещества в виде кумулятивных струй. Другим важным направлением в лазерной технике является разработка рентгеновских лазеров - источников когерентной генерации длинноволнового рентгеновского излучения (l =10-9 - 10-10 м). Здесь возникают две важные проблемы:отсутствие отражателей пригодных для резонаторов в области длинноволнового рентгеновского излучения и трудности в поисках источника накачки таких лазеров вследствие крайне короткого (t = 10-15с) времени жизни рентгеновских преходов. До настоящего времени известен один источник накачки, удовлетворяющий требованиям для рентгеновского лазера - световая составляющая ядерного взрыва ( Эдвар Теллер, США) Перспективными направлениями является разработка твердотельных и жидкостных лазеров с нетрадиционной накачкой, использующих оптическую составляющую процессов быстрого горения пиротехнических смесей, процессов взрыва, обеспечивающих генерацию ударных волн и использующих излучательные способности инертных газов на фронте ударной волны. Дальнейшее развитие лазерной техники не ограничивается перечисленными проблемами. Диапазон проблем чрезвычайно широк: от маломощного лазера с качающейся частотой до сверх мощных лазеров, обеспечивающих инерционное удерживание термоядерной плазмы в лазерных термоядерных электростанциях, от использования лучистой энергии Солнца для накачки активных сред, содержащих атмосферу различных планет, например,Венеры, до создания фотонных ракетных двигателей.
Вопросы для самопроверки.
1. Назовите температуру на поверхности Солнца, температуры горения циркония в кислороде, дициана в кислороде. 2. В чем заключаются основные принципы конструирования матричных лазеров в виде сферических оболочек? 3. Перечислите основные идеи лазерного термоядерного синтеза с инерционным удержанием термоядерной плазмы. В чем заключается кумулятивный разброс продуктов сферически сжатой мишени? 4. Рассчитайте энергию, запасенную перед импульсом излучения в сферическом лазере, активная Среда которого выполнена из ИАГ: Nd3+, длина волны генерации l=1064нм, инверсная населенность N =1,8N0/2, N0 =1019част.см3, радиус оболочки R=10см. 5. Рассчитайте какую мощность должен иметь источник накачки рентгеновского лазера, чтобы перевести один атом с основного состояния в возбужденное? При расчете учесть, что длина волны излучения l=10-10 м, время жизни возбужденного уровня t=10-15 и n = с/l, где с-скорость света равная 3х108 м/с, n - частота излучения.
10. Технологические лазеры. [6],с.226-250, [12],с.3-158, [19],с.30103, [20],с. 3-29.
Способность концентрировать большую мощность (или энергию) на малой площади материала, способствовала широкому применению лазеров в промышленности. В этом разделе студент должен изучить задачи, связанные с конструированием лазеров, имеющих большой объем активной Среды, достигаемый за счет использования задающего генератора и многокаскадной системы дисковых усилителей на неодимовом стекле. Рассмотреть вопросы, связанные с синхронизацией мод и модуляцией добротности в технологических лазерах, вопросы фокусировки лазерных пучков.
Вопросы для самопроверки.
1. Рассчитайте плотность мощности излучения СО2 - лазера, имеющего мощность излучения 10 Мвт, которое фокусируется на площадь 30х10-6 см 2. 2. Какие многоканальные установки Вам известны? Назовите области их применения, тип лазерного материала, используемого в задающих генераторах, в квантовых усилителях. С чем связано увеличение диаметра лазерного элемента каждого последующего усилителя по сравнению с предыдущим?
11.ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. [9],с.3-135, [17],с.3-606, [11],с.3-171, [18],с.3-275.
Успешное применение лазеров зависит не только от выбора лазерной системы и геометрии фокусировки лазерного пучка, но и от знания свойств материала, который требуется подвергнуть обработке. Наиболее полезными данными являются коэффициенты поглощения и отражения материала в зависимости от длины волны лазерного излучения, теплопроводность и удельная теплоемкость. Указанные характеристики можно найти в соответствующих справочниках. Если же таковые отсутствуют, то необходимо провести серию испытаний с целью получения нужной информации. Кроме того, студент должен изучить три механизма взаимодействия лазерного излучения с веществом: нагревание, плавление и испарение.
Области применения лазеров настолько велики, что каждая из них представляет отдельный интерес и требует самостоя 
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|