Файл: Khomichenko_var_19 (3).docx

Міністерство освіти і науки України

Сумський державний університет

КАФЕДРА НАНОЕЛЕКТРОНІКИ

Розрахунково-графічна робота

з предмету: «Квантова та оптоелектроніка»

з теми: «Розрахунок енергетичних характеристик твердотільного лазера, що працює в режимі модульованої добротності»

Варіант № 19

Виконав

студент группи ФЕ-31 Хомиченко М.І.

Перевірив Кривець О.С.

Суми 2016

Зміст

1. Завдання…………………………………………………………………………3

2. Вступ………………………………………………………………………….....4

3. Розділ 1. Аналіз трирівневої схеми першого типу…….……………………..6

4. Завдання 1. Трирівнева схема першого типу……………………………..…..6

4. Розділ 2. Теоретичні відомості про лазери…………………………….……10

6. Завдання 2. How gas-ion lasers work…………………………………..……...10

7. Завдання 3.Принцип роботи лазера на рубіні. Схема енергетичних рівнів рубінового лазера ............................................................................................….26

8. Завдання 4. Робота лазера в режимі модульованої добротності…….......…31

9. Розділ 3. Розрахункова частина…………………………………………...….38

10. Розрахунок порогової енергії накачування, вихідної енергії та середноьї за час імпульсу потужності випромінювання твердотільного лазера на рубіні, що працює у режимі модульованої добротності з пасивним затвором при використанні водяного охолодження…………………………………………..38

11. Розрахунок вихідної енергії випромінювання і порогової енергії накачування твердотільного лазера на рубіні, що працює у режимі вільної генерації…………………………………………………………………………..47

12. Висновок………………………………………………………………..…….50

13. Література……………………………………………………………………51

---

Завдання розрахунково-графічної роботи

1. Проаналізувати механізм створення інверсної заселеності в трирівневій схемі першого типу. Визначити залежність заселеності рівнів від щільності (інтенсивності), що збуджує випромінювання накачування.

2. Знайти та зробити переклад англійської статті, ессе, лекції з підручника про лазери.

3. Замалювати схему енергетичних рівнів рубінового лазера. Описати принцип роботи лазера на рубіні.

4. Описати роботу лазера в режимі модульованої добротності.

5. Розрахувати граничну енергію накачування, вихідну енергію і середню за час імпульсу потужність випромінювання твердотільного лазера на рубіні, що працює в режимі модульованої добротності з пасивним затвором при використанні водяного охолодження.

6. Розрахувати вихідну енергію випромінювання і порогову енергію накачування твердотільного лазера на рубіні, що працює в режимі вільної генерації. Енергію накачування вибрати з умови: .

Вступ

Лазерні системи діляться на три основні групи: твердотільні лазери, газові, серед яких особливе місце займає - лазер, і напівпровідникові лазери.

Лазери на рубіні. У лазерах цей кристал має високий поріг генерації і отже низький ККД, зазвичай 0.5%. Його вихідна потужність також сильно залежить від робочої температури, що обмежує частоту повторення імпульсів величиною 10 Гц або менше. У той же час цей матеріал термічно стійкий і не боїться перегріву. Однак його широке застосування обмежує досить висока вартість спеціально вирощеного кристала, особливо якщо потрібно стрижень великих розмірів. Тому рубінові лазери застосовуються, коли необхідне випромінювання довжиною хвилі 694 нм, або не потрібна висока енергія на виході і ККД не відіграє суттєвої ролі. Наприклад, такі лазери стали широко використовуватися для спеціальної фотографії - голографії, після того, як вдалося домогтися достатньої чутливості плівки на частоті 694 нм. Ці лазери більш зручні і для пробивання дуже точних отворів, оскільки із зменшенням довжини хвилі розміри точки фокусу, що обмежується дифракцією, зменшуються.

---

Твердотільні лазери. Це лазери на люмінісцируючих середовищах. Це лазери на склі, що активуються неодимом , лазери на кристалі ітрій-літієвого флюориту, легованого ербієм або їх аналоги. Це лазери з оптичним накачуванням. ККД таких лазерів не вище 5%, проте потужність практично не залежить від робочої температури. Так як це порівняно дешевий матеріал, підвищення потужності можна проводити простим збільшенням розміру робочого елементу. Ці типи лазерів застосовуються в лазерній спектроскопії, нелінійній оптиці, лазерній технології: зварювання, гарт, зміцнення поверхні. Лазерне скло застосовується в потужних установках для лазерного термоядерного синтезу.

Газові лазери. У газових лазерах існує кілька сумішей газів, які можуть випускати вимушене випромінювання. Один з газів - двоокис вуглецю, що застосовується в і СО - лазерах потужністю більше 15 кВт з поперечним накачуванням електричним розрядом. А також газодинамічні лазери з тепловим накачуванням, у яких основна робоча суміш: або .

Для практичного використання лазерів необхідно управляти потужністю, просторовим і тимчасовим розподілом випромінювання лазерів.

Під модуляцією розуміється зміна по заданому закону характеристик лазерного випромінювання для отримання інформаційного сигналу з певною часової залежністю. Модуляцію можна здійснити зміною показника заломлення оптичного середовища, зміною добротності резонатора, розщепленням або зрушенням робочих рівнів атомів, молекул і т.д..

Метод управління добротністю резонатора для збільшення типової потужності лазерного випромінювання був запропонований Р.Х.Хелавортом в 1962 р. Суть цього методу зводиться до створення великої перенаселеності атомів на метастабільних рівнях. Накачування активної речовини лазера проводиться при великих втратах мод резонатора, що досягається шляхом перекриття дзеркал. Відомо, що вимушене випромінювання виникає за умови самозбудження, тобто при такому накачуванні, коли посилення в активній речовині за один прохід енергії компенсує можливі втрати. Чим більше втрати, тим вище поріг генерації і тим більше повинна бути енергія накачування. У момент проходження заданого імпульсу накачування управління інтенсивністю випромінювання досягається штучним зменшенням добротності резонатора шляхом миттєвого включення додаткових втрат. В результаті цього умова самозбудження не виконується.

---

Відомі різні типи перемикачів добротності: оптико-механічні, електрооптичні, пасивні (фототропні) і акустооптичні.

---

Розділ 1. Аналіз трирівневої схеми першого типу Завдання 1

Проаналізувати механізм створення інверсної заселеності в трирівневій схемі першого типу. Визначити залежність заселеності рівнів від щільності (інтенсивності), що збуджує випромінювання накачування.

Рисунок 1. Трирівнева схема першого типу

З рівняння (1.4) виразимо :

Підставимо рівняння (1.5) до рівняння (1.1) та отримаємо:

Підставимо рівняння (1.6) до рівняння (1.2):

Підставимо рівняння (1.7) до рівняння (1.3):

---