Главная
страница 1 ... страница 3страница 4страница 5страница 6страница 7

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№8.



ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ В РЕЖИМЕ СВОБОДНОЙ ГЕНЕРАЦИИ.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: экспериментально исследовать режим свободной генерации твердотельного лазера и определить энергетические характеристики излучения.
ПРИБОРЫ И ПРИНАБЛЕЖНОСТИ: твердотельные рубино-

вый и неодимовый лазеры, измеритель энергии ИКТ-1Н, осциллограф и фотодиод.


Теоретическое введение.
Термин «свободная генерация» объединяет фактически несколько режимов генерации. Их общая черта - отсутствие какого-либо специального управления генера­цией, какого-либо воздействия на нее при помощи внешних сигна­лов или нелинейных элементов (т. е. элементов, характеристики которых меняются в зависимости от [мощности излучения, генери­руемого в активном элементе). В частности, отсутствует какая-ли­бо модуляция (как активная, так и пассивная) добротности ре­зонатора.

При импульсной накачке в режиме свободной генерации высве­чивается импульс, соответствующий по длительности импульсу воз­буждения. Для твердотельных лазеров его длительность состав­ляет 0,1 .. .1 мс; в лазерах на красителях, где используют 'более короткие импульсы накачки, длительность высвечиваемого импуль­са может составлять всего 1 мкс.

Высвечиваемый импульс обна­руживает тонкую структуру: на 73

начальном этапе он состоит из по­следовательности более коротких импульсов длительностью по­рядка 0,1 мкс.

Э
та последовательность импульсов представляет собой затухающие пульсации выходной мощности, характерные для процесса генерации (см. рис.1). Возможны также не затухающие пульсации мощности; они связаны с нестабильностью параметров резонатора и с нелинейностями в резонаторе.
Рис.1 Структура лазерного импульса, в режиме свободной генерации
Основные энергетические параметры излучения лазера в режиме свободной генерации- суммарное энергия излучение в течение импульса накачкм Wи и среднее значение мощности генерации Рср Энергия излучения в импульсе Wи, импульсная мощность излучения Ри , длительность импульса  и частота повторения импульсов f связаны между собой соотношенями:

(1)

(2)
В лазерах с импульсной накачкой энергетические параметры зависят от изменений многих факторов, но наиболее существенный вклад в изменение энергетических характеристик вносят энергия и длительность действия накачки. На рисунке 2

74

представлены характерные для твердотельных лазеров временные зависимости выходного излучения, имеющие вид регулярных незатухающих пульсаций. Здесь же приведены временные диаграммы импульса накачки Рн(t), и населённости верхнего лазерного уровня N2(t). После подачи на лампу накачки импульса поджига ( t = 0 ) начинается разряд накопительной емкости через импульсную лампу.





Рис.2 Временные диаграммы процессов в режиме свободной генерации.
Под воздействием накачки населенность верхнего уровня излучательного перехода увеличивается, и когда она превысит пороговую величину , возникает генерация. Время запаздывание генерации относительно момента включения лампы накачки составляет от десятков до нескольких сотен микросекунд. Первоначально, при значениях , ненамного превышает , энергия индивидуального излучения в резонаторе

75

мала, соответственно мало число индуцированных переходов, и под действием накачки продолжается накопление частиц на верхнем уровне перехода, т.е. увеличивается усиление активной среды. Так как энергия индуцированного излучения экспоненциально возрастает со временем, интенсивность индуцированных переходов непрерывно растет, и, начиная с некоторого момента времени, поступление частиц за счет накачки окажется недостаточным, чтобы скомпенсировать индуцированные переходы с верхнего уровня. В результате с этого момента времени будет уменьшаться. Однако энергия индуцированного излучения еще будет возрастать, пока не снизится до и среда не потеряет усилительные свойства. Скорость убывания при возвращении к пороговому значению будет наибольшей, так как в этот момент поле в резонаторе максимально. Когда станет меньше , условие баланса амплитуд не будет выполнятся, генерация сорвется и полн в резонаторе начнет убывать. Сформируется первый импульс излучения. Поскольку с уменьшением поля в резонаторе, интенсивность индуцированных переходов падает, то тогда энергия поля в резонаторе станет небольшой, вновь будет происходить накопление возбужденных частиц на втором уровне. Когда опять превысит поле в резонаторе вновь будет возрастать, и далее процесс будет качественно повторяться. Сформируется следующий импульс. В результате, излучение твердотельного лазера в режиме свободной генерации состоит из последовательности не регулярных по амплитуде и временному положению импульсов – “ пичков “. Длительность пичков составляет обычно несколько десятых долей микросекунды, а временной интервал между ними – единицы микросекунд.



Пороговая мощность накачки, при которой начинается генерация лазера, складывается из критической мощности накачки и накачки, идущей на преодоление потерь света в резонаторе.
76

Критическая мощность накачки зависит только от температуры активной среды и при ее постоянстве также постоянна. Таким образом пороговая мощность накачки может быть представлена в виде: . Критическая мощность потерь представляет собой ту добавку к введенной ранее критической мощности, которая доводит инверсию населенностей и коэффициент усиления активной среды до пороговых значений:

Для энергии излучения импульсного лазера можно записать соотношение:

(3)

где постоянная, определяемая эффективностью лампы накачки, отражателя, внутренними потерями в резонаторе и пропусканием полупрозрачного зеркала.

Для к.п.д. лазера будет справедливо выражения :

(4)

Экспериментальные исследования показали, что энергия излучения с увеличением накачки выше порогового уровня возрастает линейно, а к.п.д. при сравнительно невысоких уровнях накачки быстро возрастает и затем с увеличением изменяется слабо, стремясь к некоторому предельному для данного лазера значению. Поэтому при конструировании лазера работающего в режиме свободной генерации, для получения достаточно высокого к.п.д. обеспечивают уровень накачки в 3-4 раза выше порогового.

Значение к.п.д. лазера существенно зависит от величины внутренних потерь в кристалле активного вещества и эффективности использования света лампы накачки, а также от пропускания полупрозрачного зеркала резонатора. Отбор энергии из резонатора, как правило, осуществляется только через одно

зеркало, коэффициент отражения которого . Другое зеркало


77

резонатора имеет коэффициент отражения близкий к единице: . Тогда энергия излучения лазера может быть представлена в следующем виде:



(5)

где постоянная, аналогичная , но не зависящая от пропускания полу прозрачного зеркала, потери внутри резонатора на единицу длины, потери на излучение через полупрозрачное зеркало.

Из этого выражения следует, что с увеличением пропускания зеркала возрастает потери на излучение и одновременно возрастает пороговая энергия накачки , так как суммарные потери энергии в резонаторе увеличиваются. Таким образом, с ростом пропускания зеркала количество фотонов, выделяемых в активной среде, уменьшается, что отражает величина а доля энергии, излучаемой из резонатора в свободное пространство, равная , увеличивается. Если энергия не выводится из резонатора она вся расходуется внутри резонатора. С ростом пропускания до оптимального значения, излучаемая энергия возрастает за счет увеличения доли энергии, выводимой из резонатора. При дальнейшем увеличении энергия излучения лазера снижается, так как начинает существенно сказываться уменьшение количества фотонов, выделяемых в активной среде.

Получение высоких энергетических характеристик лазера связано также с выполнением определенных требований к юстировке зеркал резонатора. Потери, возникающие в результате непараллельности зеркал, следует отнести к внутренним, так как


78
излучение рассеивается через боковую поверхность резонатора.

Существенным фактором, влияющим на энергетические и спектральные характеристики излучения твердотельных лазеров, является изменение температуры активной среды. Увеличение температуры активной среды приводит к уменьшению излучаемой энергии и к.п.д. лазера. Основной причиной снижения энергии излучения и к.п.д. является расширение спектральной линии. С ростом температуры энергия возбуждения распределяется в более широком спектральном интервале, и усиление в активной среде падает. Это означает, что порог генерации достигает при большей энергии накачки. Другой причиной снижения и является возникновение различных деформаций и неоднородностей в активной среде при ее нагреве, что вызывает увеличение внутренних потерь в резонаторе.



<< предыдущая страница   следующая страница >>
Смотрите также:
Лабораторная работа №1. Общие вопросы обеспечения лазерной безопасности
929.6kb.
7 стр.
Вопросы к экзамену по дисциплине «информационная безопасность»
38.88kb.
1 стр.
3. 1 Вопросы обеспечения безопасности свидетелей и потерпевших по законодательству США
686.99kb.
3 стр.
Лабораторная работа по химии, физике, биологии, т е. по естественно-научным предметам. На уроках русского языка и литературы термин «лабораторная работа»
261.84kb.
1 стр.
Перспективы развития локомотивных технических средств управления и обеспечения безопасности движения поездов
108.21kb.
1 стр.
Лабораторная работа №2 «Система безопасности Windows xp» Цель работы: Изучить систему безопасности Windows xp описание работы
58.41kb.
1 стр.
Закон о безопасности в ред. Закона РФ от 25. 12. 1992 n 4235-1
154.46kb.
1 стр.
Лабораторная работа №7 Изучение аналитических моделей надежности программного обеспечения Цель и задачи работы
78.58kb.
1 стр.
Лабораторная работа №7 по дисциплине «эксплуатацияэвми систем» Изучение аналитических моделей надежности программного обеспечения
42.81kb.
1 стр.
Лабораторная работа №5 Лабораторная работа выполняется согласно выбранной теме курсовой работы!!! Количество таблиц в бд: от 4 до 6
46.6kb.
1 стр.
Лабораторная работа №1 Техника безопасности Цель: ознакомиться с правилами техники безопасности в химической лаборатории
17.15kb.
1 стр.
Вопросы к экзамену по курсу «Теоретические основы компьютерной безопасности»
38.08kb.
1 стр.