Файл: Разработка системы оптической накачки твердотельного лазера.doc
Добавлен: 23.11.2023
Просмотров: 35
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(Г0СУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
КАФЕДРА ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Отчет по практика
ПРЕДДИПЛОМНАЯ (ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ) ПРАКТИКА
(Тип практики)
НА ТЕМУ
« Разработка системы оптической накачки твердотельного лазера »
Выполнил:
студент 4 курса гр. ЭНб-19-2
Файзуллаев Т. А Руководитель работы:
доцент кафедры Гончаров И. Н
Содержание
Введение………………………………………………………………………….. 3
1 Стекла с примесью неодима ………………………………………………….4
1.2 Общие сведение об источниках накачки оптических генераторов……..6
1.3 Системы накачки…………………………………………………………… 14
2 Расчетная часть……………………………………………………………… 16
2.1 Задание на курсовой проект………………………………………………….16
2.2 Расчет эллиптической системы накачки…………………………………....17
2.3.Распределение энергии накачки внутри активного образца……………… 20
Заключение …………………………………………………………………....24
Список используемых источников…………………………………………...25
Введение
Рассмотрение режимов оптической накачки лазеров связано с рассмотре- нием устройства лазера и принципа его действия. При накачке лазера, погло- щенная энергия переводит атомы рабочей среды в возбужденное состояние. Когда число атомов в возбужденном состоянии превышает количество атомов в основном состоянии, возникает инверсия населенности. В этом состоянии начинает действовать механизм вынужденного излучения и происходит излу- чение лазера или же оптическое усиление. Оптическая накачка чаще всего производится в твердотельных лазерах. Мощность накачки должна превышать порог генерации лазера. Поэтому для практики представляют большой интерес различные режимы оптической накачки лазеров.
Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные методы накачки. Накачка лазера может осуществляться как непрерывно, так и импульсно. При длительном (непрерывном) режиме вво- димая в активную среду мощность накачки ограничена перегревом актив- ной среды и связанными с ним явлениями. В режиме одиночных импульсов возможно введение в активную среду значительно большей энергии, чем за то же время в непрерывном режиме. Это обусловливает большую мощность одиночного импульса.
Целью данного проекта является исследование импульсного и непре- рывного режимов оптической накачки лазеров. Необходимо отметить, что это очень важная задача ,поскольку накачка в значительной степени определяет энергетические характеристики лазера, частности мощность излучения, а также общую эффективность его работы.
При этом существенно важным является решение следующих задач:
-
провести литературный анализ режимов оптической накачки лазеров (их конструктивных особенностей);
1.1. СТЕКЛА С ПРИМЕСЬЮ НЕОДИМА
В оптических генераторах широко используются стеклянные активные среды с примесью различных редкоземельных элементов. Преимущество стекол заключается в простоте изготовления образцов больших размеров и любой формы (в том числе в виде волокон), что позволяет получить очень большие энергии выходного импульса (до нескольких тысяч джоулей). Кроме того, они обладают очень высокой оптической однородностью, в результате чего к.п.д. стеклянных генераторов оказывается выше, чем у генераторов на кристаллах. В то же время сравнительно низкая теплопроводность стекол ограничивает область их применения в основном с генераторами с небольшой средней мощностью излучения (т. е. с малой частотой следования импульсов).
Известно, что индуцированное излучение получено в стеклянных средах с примесью различных трехвалентных редкоземельных ионов, однако практическое значение из них имеют пока лишь стекла с примесью неодима, которые работают при комнатной температуре и позволяют реализовать непрерывный режим генерации.
Структура энергетических уровней трехвалентных ионов неодима в стекле примерно такая же, как в кристаллах, однако отсутствие определенной кристаллической структуры приводит к уширению линий поглощения и излучения.
Спектр поглощения бариевого стекла с примесью 2% (весовых) неодима при температуре 300° К показан на рисунке 1
Рисунок 1- Спектр поглощения стекла с неодимом (два весовых процента)
Наиболее интенсивные полосы расположены вблизи 0,9; 0,8; 0,74; 0,58; 0,52; 0,36 мкм. Положение полос в стеклах различного состава меняется в пределах 30 Å, однако их относительные интенсивности могут изменяться довольно значительно.
В настоящее время разработано большое количество силикатных, боратных, лантановых и других видов стекол с примесью неодима, используемых в оптических генераторах. Для лучших составов пороговая энергия накачки составляет 30-50 Дж при длине активных образцов порядка 10 см и диаметре 1 см.
Следует заметить, что в состав стекол обычно вводится небольшое количество церия, что повышает их фотохимическую устойчивость по отношению к ультрафиолетовому излучению. Под действием ультрафиолетового излучения в стеклах происходит восстановление закисного железа из окисного и увеличение нерезонансного поглощения на волне 1,06 мкм. Окись железа FeO присутствует в качестве вредной примеси почти во всех исходных материалах, из которых варится стекло, в количествах, не превышающих 0,01%. Однако присутствие даже таких количеств железа в закисном состоянии вызывает сильное поглощение энергии в диапазоне волн 1,06-1,11 мкм.
Вследствие большой ширины линий люминесценции спектр индуцированного излучения стекла с неодимом состоит из нескольких линий, заключенных в области порядка 10 Å около 1,06 мкм. При повышении накачки число генерирующих линий резко возрастает, и занимаемая ими область расширяется до 50-100 Å, что иллюстрируется на рисунок 2
Рисунок 2- Зависимость ширины спектра лазерного излучения от энергии накачки
При использовании в оптическом резонаторе селективных отражающих покрытий была получена генерация на волнах 0,918 и 1,37 мкм. Генерация ионов
на волне 0,918 мкм имела место в силикатном стекле при температуре 
. Пороговая энергия накачки равнялась 700 Дж. При превышения порога генерации на 50 % ширина излучаемого спектра составляла 80 Å. Лазерный эффект на волне 1,37 мкм наблюдался в боратном стекле при комнатной температуре при энергии накачки 460 Дж.
1.2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСТОЧНИКАХ НАКАЧКИ
ОПТИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ
Для накачки оптических генераторов на твердом теле применяются различные интенсивные источники света. Наиболее интенсивные полосы поглощения большинства активных сред находятся в видимой области спектра и в прилегающих к ней участках инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Поэтому общее требование, предъявляемое к источникам накачки, заключается в том, чтобы именно на эти области приходилась основная часть излучаемой ими энергии и чтобы эта энергия была достаточно велика. Поскольку частота излучения источника накачки всегда превышает частоту генерации, то с увеличением последней спектр возбуждающего излучения смещается в более коротковолновую область. В связи с этим ясно, что, например, электрические лампы накаливания малоэффективны для накачки генераторов видимого диапазона волн, поскольку они преобразуют в свет только очень небольшую часть потребляемой энергии и, кроме того, мощность их сравнительно невелика. Это связано с низкой температурой нити накала, которая для вольфрамовых ламп составляет приблизительно 2500-3000° К.
Согласно закону Стефана-Больцмана полная мощность излучения S с единицы поверхности абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени температуры:
где σ = 5,6697 · 10-12 Вт· см-2·°К-4, а длина волны λmax, на которой находится максимум излучения, обратно пропорциональна температуре (Закон смещения Вина)
где b = 0,289 см T = 3·107 Å °К.
Под термином «абсолютно черное тело» понимается некоторое идеальное тело, которое поглощает все падающее на него излучение. В действительности все тела обладают некоторой отражательной способностью, которая является функцией длины волны и температуры. Поэтому понятно, что законы излучения реальных тел в какой-то степени отличаются от законов излучения абсолютно черного тела. Тем не менее указанная идеализация оказывается весьма полезной, и в целом ряде случаев излучение источников света может быть с достаточной степенью точности аппроксимировано излучением черного тела с некоторой эффективной температурой.
На рисунок 3 для иллюстрации представлены рассчитанные по формуле Планка спектральные зависимости мощности излучения с единицы поверхности черного тела в полосе 1000 Å, что является типичным значением ширины полосы поглощения для многих активных сред.
Рисунок 3- Плотность мощности излучения с поверхности черного тела (в полосе 1000Å)
при различных температурах.
Как видно, при температуре порядка 3000° К излучение заключено в основном в инфракрасном диапазоне. Поэтому тепловые источники излучения (лампы накаливания) малоэффективны для накачки генераторов видимого света.
С увеличением эффективной температуры абсолютные значения излучаемой мощности возрастают для всех участков спектра. Максимум излучения сдвигается при этом в сторону более коротких волн. Если ввести понятие эффективного источника в определенном спектральном интервале (которое показывает, какая часть излучения заключена в этом интервале), то очевидно, что при некоторой температуре эта величина будет достигать максимума.
Эффективные температуры излучения порядка 5000-10000° К реализуются при использовании газоразрядных ламп, которые получили наиболее широкое распространение среди источников накачки оптических генераторов.
К числу наиболее важных параметров газоразрядных ламп с точки зрения использования их для накачки оптических генераторов относятся: эффективность преобразования электрической энергии в световое излучение, спектральный состав излучения, предельная мощность (или энергия), при которой не нарушается нормальная работоспособность лампы.
Рассмотрим характеристики наиболее употребительных импульсных ламп-вспышек трубчатой формы.
Рисунок 4- Зависимость к.п.д. ксеноновой лампы от давления газа.
На рисунок 4 в качестве иллюстрации приведена зависимость эффективности ксеноновой лампы от давления наполняющего газа р (внутренний диаметр разрядной трубки 6 мм). Как видно, с увеличением р до 300 мм рт. ст. к.п.д. также быстро растет. При дальнейшем увеличении давления к.п.д. заметно не изменяется.
На рисунок 5 приведены экспериментальные зависимости к.п.д. ксеноновой лампы-вспышки ИФП-800 от величины подведенной энергии Uс.
