Файл: Matvienko_B_I_-var_12 (1).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 № 12

Виконав

студент группи ФЕ-31 Матвієнко Б.І.

Перевірив Кривець О.С.

Суми 2016

Зміст

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

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

3. Розділ 1. Аналіз трирівневої схеми другого типу…….……………………..7

4. Завдання 1. Трирівнева схема другого типу……………………………..…..7

4. Розділ 2. Теоретичні відомості про лазери…………………………….……11

6. Завдання 2. Metal Vapor Lasers…………...……………………………….….11

7. Завдання 3.Принцип роботи лазера на рубіні. Схема енергетичних рівнів рубінового лазера ............................................................................................….21

8. Завдання 4. Робота лазера в режимі модульованої добротності…….......…26

9. Розділ 3. Розрахункова частина…………………………………………...….33

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…………………………………………..33

11. Розрахунок вихідної енергії випромінювання і порогової енергії накачування твердотільного лазера на рубіні, що працює у режимі вільної генерації…………………………………………………………………………..40

12. Висновок………………………………………………………………..…….45

13. Література……………………………………………………………………46

Завдання розрахунково-графічної роботи

---

1. Проаналізувати механізм створення інверсної заселеності в трирівневій схемі другого 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

В даний час області застосування лазерів розширюються з кожним днем. Після першого промислового використання лазерів для отримання отворів в рубінах для годинників, ці пристрої успішно застосовуються в самих різних областях.

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 .

Відома термічна обробка матеріалів і деталей звичайними засобами. Попередній підігрів з використанням газових лазерів дозволяє обробляти матеріали вищої твердості. Прямолінійні ділянки багатокомпонентних деталей легко зварюються газовими лазерами, в той час як непрямолінійність ділянки зварюється з використанням спеціальних поворотних дзеркальних систем. Проводиться лазерний гарт і заточка деталей. Застосовуються подібні лазери в спектроскопії, лазерній хімії, медицині.

Інші газові лазери. Електророзрядні лазери низького тиску на благородних газах: He-Ne, He-Xe і ін. Ці малопотужні системи відрізняються високою монохроматичністю і спрямованістю. Застосовуються в спектроскопії, стандартизації частоти і довжини випромінювання, в настройці оптичних систем.

Іонний аргоновий лазер - лазер безперервної дії, що генерує зелений промінь. Накачування здійснюється електричним розрядом. Потужність досягає декількох десятків Вт. Застосовується в медицині, спектроскопії, нелінійній оптиці.

Хімічні лазери. Робоче середовище - суміш газів. Основне джерело енергії - хімічна реакція між компонентами робочої суміші. Можливі варіанти лазерів імпульсної і безперервної дії. Вони мають широкий спектр генерації в ближній ІЧ - області спектра. Мають велику потужність безперервного випромінювання та велику енергію в імпульсі. Такі лазери застосовуються в спектроскопії, лазерній хімії, системах контролю складу атмосфери.

---

Напівпровідникові лазери складають найчисленнішу групу. Накачування здійснюється інжекцією через гетероперехід, а також електронним пучком. Гетеролазери мініатюрні, мають високий ККД. Можуть працювати як в імпульсному, так і в безперервному режимах. Незважаючи на низьку потужність вони знайшли своє застосування в промисловості. Вони застосовуються для спектроскопії, оптичної стандартизації частоти, оптико-волоконних ліній зв'язку, для контролю форми, інтерференційних смуг деформації, в оптико-електроніці, у робототехніці, в системах пожежної безпеки. У побуті застосовуються в системах оптичної обробки інформації (в сканерах) в парі з нескладною системою багатогранних дзеркал, застосовуваних для відхилення променя, в звуко- і відеосистемах, в охоронних системах. Останнім часом напівпровідникові лазери, завдяки своїм малим розмірам, застосовуються і в медицині. Лазери з електронним накачуванням перспективні в системах проекційного лазерного телебачення.

З кожним роком лазери все міцніше входять в промисловість і побут людини.

Розділ 1. Аналіз трирівневої схеми другого типу

Завдання 1

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

Рисунок 1. Трирівнева схема другого 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):

Підставимо рівняння (1.7) до рівняння (1.2):

Рисунок 2. Залежності вiдносної заселеностi рiвнiв вiд спектральної густини енергiї

накачування

Розділ 2. Теоретичні відомості про лазери Завдання 2

Metal Vapor Lasers

Approximately 75 to 80 visible laser transitions have been reported in vapors of over 30 elements. These range from the first ion laser discovered, which was in mercury vapor where oscillation occurs in the red portion of the spectrum at 615.0 nm, to the helium-cadmium laser which oscillates at 441.6 nm at the blue end of the visible spectrum. Other well-known metal vapor lasers include the pulsed copper laser at 510.5 and 578.2 nm and the gold vapor laser at 627.8 nm. Pulsed visible lasers in strontium ions at 407.7, 416.2, and 430.5 nm have also been developed. A laser with perhaps one of the broadest spectral output ranges is the helium-selenium laser producing over 35 laser transitions in the visible spectrum ranging from 446.7 to 653.4 nm.

---