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

Порядок выполнения работы.

1.Включить систему охлаждения и блок питания рубинового лазера.

2.Изменяя энергию накачки на блоке питания провести измерение величины пороговой энергии излучения лазера.

3.Юстировкой зеркал резонатора лазера и увеличивая энергию накачки на блоке питания получить максимальную энергию генерации излучения.

4.Определить КПД рубинового лазера.

5.Включить систему охлаждения и блок питания неодимового лазера.

6.Выполнить пункты 2,3,4, для неодимового лазера.

7.Сравнить пороговые значения энергии излучения и КПД рубинового и неодимового лазеров.

8.Составить отчет о проделанной работе.

79

Контрольные вопросы.

1.Режим свободной генерации излучения для рубинового и неодимового лазеров, а так же лазера на АИГ.

2.Временные и энергетические характеристики режима свободной генерации излучения твердотельных лазеров.

3.Причины снижения энергии излучения и КПД для твердотельных лазеров.

Литература.

1. Л.В.Тарасов Лазеры и их применение Москва Радио и связь, 1983г.

2. А.Г.Смирнов Квантовая электроника и оптоэлектроника Минск Вышэйшая школа 1987г.

3. Н.В.Карлов Лекции по квантовой электронике Минск: Наука , 1983г.

4. О.Звелто. Физика лазеров Минск: Мир, 1979г.

5. Э.Г. Пестов , Г.М. Лапшин Квантовая электроника Минск: Воениздат. 1972г.


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9.
УСИЛЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить принцип действия и экспериментально определить коэффициент усиления резонаторного оптического квантового усилителя.

80

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: задающий генератор на неодимовом стекле, усилитель на неодимовом стекле, набор резонаторных зеркал, система питания (накачка 3000-М) и система охлаждения (УО-1), юстировочный Не-Nе лазер; измеритель энергии (ИКТ-1Н).


Теоретическое введение.
Приборы, способные за счет внутренней энергии электронов, связанных с атомами и молекулами активного вещества, усиливать малые сигналы без искажения формы электромагнитного поля, называют квантовыми усилителями. По длине волны усиливаемого ими электромагнитного поля квантовые усилители делятся на две большие группы: усилители СВЧ-диапозона длин волн и оптические квантовые усилители.

В основе работы оптических квантовых усилителей лежит тот же принцип, что и у лазеров, то есть способность возбужденных квантовых частиц отдавать свою энергию под воздействием внешнего электромагнитного поля. За счет внутренней энергии квантовой системы, происходит квантовое усиление излучения, так как пролет фотонов через активное вещество вызывает рождение новых точно таких же фотонов. При этом происходит лавинное умножение фотонов в веществе. Движение частиц и связанная с ним кинетическая энергия в процесс усиления не вовлекаются, в силу чего отсутствуют характерные для обычных электронных приборов дробовые шумы. Основными же источниками шумов являются спонтанное излучение активной среды и тепловое излучение диссипативных элементов. При индуцированном излучении кванты электромагнитного поля, как исходные, так и излученные квантовой системой, полностью тождественны, то есть имеют одинаковые частоты, поляризацию и направления распространения, что и определяет когерентность квантового усиления.


81

Получение инверсии населенностей энергетических уровней активной среды является необходимым, но недостаточным условием для получения усиления. Для создания усилителей должно быть обеспечено необходимое взаимодействие активного вещества и усиливаемого излучения. Это взаимодействие может происходить как в режиме бегущей волны - оптические квантовые усилители бегущей волны, так и в режиме стоячей волны. В последнем случае излучение многократно проходит через один и тот же образец вещества, помещенный в объемный оптический резонатор - резонаторные (регенеративные) оптические квантовые усилители. Резонаторные усилители в свою очередь разделяют на проходные, кольцевые, однонаправленные и отражательные.



Рассмотрим основные характеристики квантовых усилителей. Коэффициент усиления G - величина, показывающая, во сколько раз мощность выходного сигнала усилителя превышает мощность выходного сигнала. Коэффициент усиления 'всегда зависит от частоты усиливаемого излучения. Интервал частот, в котором коэффициент G достаточно велик, называют полосой пропускания усилителя у Полоса пропускания определяется как область частотной характеристики, в которой квадрат коэффициента усиления (G)2 отличается от квадрата наибольшего коэффициента усиления (G0)2 не более чем в два раза, то есть

(1)

На практике часто пользуются таким понятием, как широкополостность квантовых усилителей



где G0 - коэффициента усиления на резонансной частоте .

Третьей важнейшей характеристикой усилителя является мощность шума Рш, обуславливающая в основном
82

чувствительность квантовых усилителей, то есть его способность усиливать очень слабые входные сигналы. Чувствительность нельзя повышать бесконечно, ибо она ограничена флуктуациями случайного сигнала во входных элементах и уровнем принципиально неустранимого спонтанного излучения.

Добротность квантовых усилителей определяется отношением резонансной частоты излучения к полосе пропускания:
(2)
Динамический диапазон измеряется изменением во времени уровня выходного сигнала от минимального значения, приводящего к насыщению квантового рабочего перехода,. то есть к уменьшению инверсии населенностей до нуля. Динамический диапазон можно увеличить, если уменьшить время релаксации активного вещества (например, процесс установления равновесного магнитного момента парамагнетика, вещества, намагничивающегося под действием внешнего магнитного поля ).

Коэффициент квантового усиления К характеризует амплитуду, проходящей сквозь активное вещество электромагнитной волны, по экспоненциальному закону .



(3)

где Е0-амплитуда выходящей волны; z-расстояние, пройденное волной в активном веществе.

На расстоянии: амплитуда поля возрастает в е=2.71 раз. Активное вещество тем эффективнее, чем большее число квантовых частиц находится на инвертированном уровне, то есть чем больше инверсия населенностей и дипольный момент

квантового перехода :


83
(4)
Весьма перспективным является отражательный резонаторный оптический квантовый усилитель, также являющийся регенеративным усилителем бегущей волны. В этом усилителе рабочее вещество, имеющее форму длинного однородного стержня, с одного торца ограничено полностью отражающим зеркалом. Со стороны, противоположной полностью отражающему зеркалу, помещено частично прозрачное зеркало, являющееся входным и, одновременно, выходным зеркалом усилителя. Как и в радиодиапазоне, разделение выходного и входного сигналов следует осуществлять с помощью некоторой невзаимной системы, подобной циркулятору. Такая система может быть основана, например, на эффекте Фарадея в сочетании с призмой Глана (смотри рисунок 1). При суммировании амплитуды полей на выходе системы (рис.1), комплексный коэффициент усиления напряженности поля может быть представлен в виде:

(5)

Спектральный коэффициент усиления по мощности:



(6)

84

Коэффициент усиления по мощности на резонансной частоте:


(7)


5 4 3 2 1

Рис.1 Отражательный оптический квантовый усилитель.

1-зеркало; 2-активное вещество; 3-полупрозрачное зеркало; 4- ячейка Фарадея; 5- призма Глана
Формулы (5)-(7) для отражательного усилителя подобны соответствующим формулам для кольцевого усилителя при замене К на и соответствующим изменением резонансной длины. При R=1 усиления нет (G=1) , при R=0 осуществляется режим бегущей волны, дважды проходящей активное вещество (G =К2). Генерация наступает при R=1/K2. Значение коэффициента отражения, необходимое для достижения требуемого усиления G при заданном К дается формулой :

(8)

85

Для получения G=100 при К=3 необходимо R = 6%. В отражательном усилителе достигается лучшее использование активного вещества. В силу этого, при прочих равных условиях , его широкополостность и стабильность заметно лучше, чем у рассмотренных выше усилителей.



Блок-схема и оптическая схема усилителя для проведения экспериментальных исследований приведены на рисунках 2, 3

Р
исунок 2 Блок-схема усилителя лазерного излучения


1-излучатель задающего генератора; 2-усилитель;3,4-системы питания задающего генератора и усилителя; 5,6-системы охлаждения генератора и усилителя; 7-юстировачный He-Ne лазер;8-устройство для контроля энергетических параметров схемы



1 2 3 4 5 6


Рис.3 Оптическая схема усилителя лазерного излучения.

86

1- юстировочный Не-Nе лазер; 2,4- зеркала задающего генератора; 3,5- активные элементы на неодимовом стекле; 6- резонаторное зеркало усилителя.


Порядок выполнения работы.
1. Собрать оптическую схему представленную на рисунке 3.

2. Провести юстировку схемы с помощью Не-Nе лазера, добиться генерации излучения.

3. Выбрать оптимальный коэффициент пропускания зеркала 4.

4. Измерить энергию излучения задающего генератора.

5. Измерить энергию излучения схемы генератор-усилитель.

6. Определить коэффициент усиления лазерного излучения.

7. В оптической схеме (рис.3) убрать зеркало 4 провести юстировку и измерить энергию излучения. Определить коэффициент усиления.


  1. Составить отчет о проделанной работе.


Контрольные вопросы.
1. Принцип действия оптических квантовых усилителей.

2. Типы квантовых усилителей.

3. Основные характеристики усилителей.

4. Резонаторные оптические квантовые усилители.

5.Оптические квантовые усилители бегущей волны.
Литература.
1. Ю.В. Байбародин Основы лазерной техники.- Киев: высшая школа,1981.

2. Н.В. Карпов Квантовые усилители.-М:ИНИ,1966.

87

3. Оптические когерентные квантовые генераторы и усилители/Под редакцией Н.Е. Жаботинского -М:ИИЛ, 1963.



4. С.Г. Рябов Приборы квантовой электроники.-М:Сов. радио, 1976.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№10


ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ИЗЛУЧЕНИЕ УДВОЕННОЙ ЧАСТОТЫ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение основ теории генерации оптических гармоник, проведение экспериментальных исследований преобразования излучения лазера =1.06мкм в излучение удвоенной частоты.
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: твердотельный лазер, блок питания лазера, нелинейный преобразователь (кристалл КДР ), светофильтр, измеритель энергии ИКТ-1Н.

Теоретическое введение.

Процесс генерации второй гармоники (ГВГ) тесно связан с разработкой источников интенсивного монохроматического излучения лазеров.

Объяснение процесса генерации второй гармоники можно дать в предположении, что поляризация прозрачного материала зависит от электрического поля световой волны следующим образом:


где-линейная оптическая восприимчивость, а описывает линейную зависимость Р от Е. Коэффициент очень мал, около

88

в системе СГС. Компонента поляризации, ответственная за генерацию второй гармоники, имеет вид:





где -напряженность электрического поля световой волны. Зависимость нелинейной поляризации от времени имеет вид:



где .

Основной пучок возбуждает в нелинейном кристалле не только вторую гармонику, но и некоторую постоянную поляризацию. Фаза второй гармоники внутри кристалла в общем случае отличается от фазы волны поляризации, возбуждающей эту гармонику. Для наиболее эффективной передачи энергии второго пучка во вторую гармонику необходимо иметь среду в которой существует направление распространения света, вдоль которого показатели преломления основной волны и второй гармоники равны.

В оптически отрицательных одноосных кристаллах можно найти такое направление распространения света, вдоль которого показатели преломления обыкновенной основной волны и второй гармоники необыкновенной волны равны.

Метод, обеспечивающий значительное увеличение интенсивности второй гармоники, получил название метода согласования фаз или показателей преломления.

На рис. 1 показаны сечения поверхностей показателей преломления одноосного и оптически отрицательного кристалла КДР.

89



Рис.1 Сечения поверхностей показателя преломления в оптически отрицательном одноосном кристалле.

Направление на точку пересечения, образующее с оптической осью кристалла, представляет собой оптимальное направление фазового синхронизма основной волны и второй гармоники при котором

Угол синхронизма для оо-е взаимодействия может быть рассчитан по формуле:



где и , - показатели преломления


90
обыкновенной и необыкновенной составляющих излучения для основной частоты и второй гармоники соответственно.

Другим типом взаимодействия излучения со средой является ое-е взаимодействие, для которого условие фазового согласования может быть записанно в виде:



Угол в этом случае может быть расчитан по фомуле:

Оптическая схема для проведения экспериментальных исследований ГВГ кристаллами, расположенными вне резонатора лазера, представлена на рисунке 2.

Генерация второй гармоники в резонаторе лазера является эффективным способом увеличения К.П.Д. преобразования. Нелинейный кристалл-преобразователь помещается внутрь резонатора лазера, образованного 100%-ными отражающими зеркалами для основного излучения; одно из зеркал полностью прозрачно для излучения второй гармоники. В этом случае из резонатора выводится практически все излучение удвоенной частоты.

В настоящее время известно много разновидностей кристаллов, пригодных для генерации гармоник; к числу наиболее эффективных следует отнести кристаллы, принадлежащие к классу 42m (КДР, АДР, ДКДР и др.), сегнетоэлектрические перовскиты (,и др.), кристаллы со структурой вольфрамовых бронз ( и др.), гексагонально-пирамидальные кристаллы ( и др.), а также ряд кристаллов других классов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами.

91


Рис.2. Оптическая схема ГВГ кристаллами, расположенными вне резонатора лазера: 1-юстировочный лазер; 2,4-зеркала резонатора твердотельного лазера, 3-ктивный элемент лазера; 5-нелинейный кристалл-преобразователь; 6-светофильтр; 7-измеритель энергии лазерного излучения.


Порядок выполнения работы.
1.Сьюстировать оптическую схему представленную на рисунке2 без кристалла-преобразователя и светофильтра.

2. Провести измерение энергии излучения лазера.

3. В оптическую схему внести кристалл КДР и светофильтр. Ориентируя кристалл вдоль направления синхронизма добиться максимальной интенсивности генерации второй гармоники.

4. Провести измерения излучения второй гармоники.

5. Определить К.П.Д. преобразования лазерного излучения в излучении удвоенной частоты.

6. Провести исследования угловой ширины синхронизма. Для этого необходимо определить зависимость интенсивности излучения второй гармоники от ориентации кристалла.

7. В оптической схеме заменить выходное зеркало 4 на зеркало с коэффициентом отражения для основного пучка (λ=1.06мкм), равным 99.8, а для зеленого (λ=0.53мкм) коэффициент отражения должен быть равен 10%-20%.
92

8. Поместить кристалл-преобразователь 5 внутрь резонатора лазера.

9. Ориентируя кристалл вдоль направления синхронизма и юстировкой зеркал резонатора добиться максимальной интенсивности преобразования частоты лазера во вторую гармонику.

10.Провести измерения энергии излучения второй гармоники.

11.Определить К.П.Д. генерации второй гармоники в резонаторе лазера.

12.Составить отчет о проделанной работе.


Контрольные вопросы.
1.Метод согласования фаз при генерации второй гармоники.

2.Направления синхронизма в одно и двухосных кристаллах.

3.Четыре типа взаимодействия световых пучков основной частоты, при которых возбуждается вторая гармоника обыкновенной волны.

4.Генерация третьей и четвертой гармоник.

Литература.
1. Н. Бломберг Нелинейная оптика. Минск, “Мир” 1966г.

2. Ф.Цернике, Дж.Мидвинтер Прикладная нелинейная оптика. Минск, “Мир” 1976г.



3. Ф.Качмарек. Введение в физику лазеров. Минск, “Мир” 1981г.


93

<< предыдущая 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.