Розробка газовоко лазера на Kr та оптичної хвилеводної системи на основі даного лазера

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

6

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

ВСТУП

 

Одне  з ведучих місць серед нових  технологічних процесів, що швидко розвиваються займає лазерна технологія, яка з’явилася після народження нового інженерно-технічного пристрою, названого лазером. Слово лазер є абревіатурою виразу «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», що означає підсилення світла в результаті індукованого чи, як іноді називають, вимушеного випромінювання квантів.

Лазерне випромінювання в приладах квантової  електроніки все ширше використовується як носій інформації і інструмент фізичних досліджень, а самі лазери стали незамінною ланкою схем і багатьох чисельних конструкцій. Розвиток лазерної техніки призвів до створення приладів нового класу – оптико-електронних лазерних приладів, що поставило оптиків-конструкторів перед необхідністю розрахунку оптичних систем, що трансформують лазерне випромінювання. Основними перевагами таких лазерних технологій є: екологічна чистота; можливість створення процесів, недосяжних більшості інших технологій; можливість повної автоматизації; висока продуктивність процесів.

Лазери - це генератори і підсилювачі когерентного випромінювання в оптичному діапазоні, дія яких заснована на індукованому випромінюванні квантових систем - атомів, іонів, молекул, що знаходяться  в станах, відмінних від термодинамічної  рівноваги. Із створенням лазерів в  оптичному діапазоні з'явилися  джерела випромінювання, аналогічні звичним в радіодіапазоні генераторам  когерентних сигналів, здатні успішно використовуватися для зв'язку і передачі інформації, а по багатьох своїх властивостях - спрямованості випромінювання, смузі передаваних частот, низькому рівні шумів, концентрації енергії в часі і т.д. – лазери перевершують класичні пристрої радіодіапазону. Не слід забувати і те, що виникає можливість передавати дані як по оптичному волокну, так і через атмосферу. Все це можливо завдяки принципам квантової електроніки.

Розвиток  фізики взаємодії лазерного випромінювання з речовиною і початок промислового випуску лазерів сприяли перетворенню лазера з фізичного приладу в  інструмент для проведення різних технологічних  процесів. Можливість одержання монохроматичних  пучків світла робить лазер незамінним джерелом випромінювання при вирішенні  задач зв'язку, метрології і медицини. Висока інтенсивність і монохроматичність  лазерних пучків дозволяє впливати на газові середовища і речовини, що характеризуються великим числом рівнів збудження, селективно і відкриває тим самим перспективи використання лазерів для поділу ізотопів, проведення хімічних реакцій, для спрямованого впливу на різні біологічні об'єкти.

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

7

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

Метою даного курсового проекту є задача розрахунку основних параметрів лазера та оптичної система для фокусування лазерного пучка. В результаті чого проводяться розрахунки основних компонентів лазерної системи. При проектуванні конкретних типів лазерних систем, пристроїв важливо вміло вибрати і використовувати ту елементну базу, яка задовольняє поставлені вимоги. Тому в даному курсовому проекті враховуються відомі основні положення та закономірності механізмів збудження квантових систем, методи отримання інверсного стану речовини, а також фізичні процеси, які впливають на роботу лазера та характеристики його випромінювання. Динаміка формування поля в резонаторі аналізується на основі балансно-кінетичних рівнянь квантових систем. Тематика курсового проекту є досить актуальна для подальшого дослідження оскільки лазери на Kr менш поширені ніж відомі їм аналоги на Ar.

 

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

8

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯДГАЗОВОГО ЛАЗЕРА. ГАЗОВИЙ ЛАЗЕР НА КРИПТОНІ

 

Газовими лазерами прийнято називати оптичні квантові генератори, в яких як робочу речовину використовують різні  гази в чистому вигляді, або їх суміші і пари речовин, які при нормальних умовах перебувають в твердій або рідкій фазі. Як і всякий лазер, ГЛ містить активне середовище, що може підсилювати випромінювання в оптичному діапазоні спектру, і оптичний резонатор (в найпростішому випадку, складається з двох дзеркал, між якими розташовується активне середовище) [14].

Особливості газових лазерів визначаються властивостями активного середовища, щільність якого змінюється в  широких межах (тиск від  мм рт. ст. до десятків атмосфер), однак вона значно менша, ніж у конденсованих середовищах. З цієї причини газове активне середовище в більшості випадків прозоре в широкій області спектра та володіє вузькими лініями поглинання та випромінювання, газові лазери можуть генерувати в діапазоні довжин хвиль від ультрафіолетової області спектру до субміліметрових хвиль як в імпульсному, так і в безперервному режимах. ГЛ дозволяють одержувати гранично вузькі і стабільні лінії генерації [6]. Це дозволяє порівняно легко одержувати з ГЛ гранично малу (дифракційну) розбіжність випромінювання. Можливість швидкого прокачування газового активного середовища через оптичний резонатор дозволила в газовому лазері досягти рекордно великих середніх потужностей випромінювання.

Висока направленість і монохроматичність  випромінювання та малий діапазон температурних змін показника заломлення також є наслідком високої оптичної однорідності і малої щільності речовини. В результаті цього основні параметри газових лазерів наближаються до гранично досяжних (ширина спектральної лінії менше 1Гц і мала дифракційна розбіжність). Підсилення газоподібних середовищ може досягати великих значень, не дивлячись на малу інверсію населеності, так як ширина спектральної лінії підсилення в газах істотно менша, ніж у твердому тілі. Однак удільна потужність і енергія в газових лазерах значно менше, ніж у твердотілих через низьку щільність частинок, хоча абсолютні значення потужності і енергії випромінювання можуть бути співмірними.

ГЛ, що працюють в неперервному та імпульсному режимах, суттєво відрізняються як конструктивними параметрами так і своїми характеристиками. Для неперервної генерації необхідно, щоб механізм накачки забезпечував стаціонарну в часі інверсію населеностей рівнів робочого переходу. Для цього необхідно ефективне збудження верхнього та можливо швидке спустошення нижнього рівня. В імпульсному режимі можна забезпечити високу швидкість накачки та легше запобігти перегріву активного середовища. Найчастіше в неперервному режимі активне середовище збуджується стаціонарним тліючим розрядом, в імпульсному — імпульсним розрядом високовольтного джерела з частотним повторюванням імпульсів » 10³ Гц. 

Взагалі за характером збудження активного  середовища ГЛ прийнято розділяти на наступні класи:

• газорозрядні,
• з оптичною накачкою,
• зі збудженням зарядженими частинками,
• газодинамічні,
• хімічні.

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

9

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

За типом переходів, на яких збуджується  генерація ГЛ, розрізняють:

• ГЛ на атомних переходах,
• іонні лазери,
• молекулярні лазери на електронних, коливальних та обертальних переходах молекул,
• ексімерні лазери.
• За механізмами утворення інверсії населеностей виділяють ГЛ
• зі збудженням електронним ударом,
• з передачею збудження від частинок допоміжних газів,
• рекомбінаційні,
• з прямим оптичним збудженням,
• фотодиссоціаційні та ін.

В ряді випадків реалізуються комбіновані  та складні механізми інверсії.

В даному проекті розглядається  іонний газорозрядний лазер на криптоні з утворенням інверсії населеностей шляхом електричного розряду.

Активний елемент газового ОКГ являє собою скляну або кварцову трубку (кювету) з газовим заповненням, діаметр якої в різних генераторах буває від одного міліметра до кількох сантиметрів, а довжина - від кількох сантиметрів до кількох метрів. На кінцях трубки газорозрядного ОКГ розміщують металеві електроди, до яких під’єднують джерела накачування.

Газову кювету розміщують в ОКГ  між двома дзеркалами, які утворюють  резонатор. Є два варіанти розміщення дзеркал відносно газової кювети: всередині і поза нею [5].

В даному курсовому  проекті розглядається іонний газорозрядний  лазер на криптоні. Іонні лазери на інертному газі — потужні неперервні лазери, що випромінюють у видимій  області спектра з вихідною потужністю 0,5-20 Вт. Вони генерують лазерне випромінювання на різних довжинах хвиль від УФ- до ближньої ІЧ-області спектра. ККД їх досягає »0,1%. В іонних ОКГ неперервної дії робочими є переходи між збудженими станами благородних газів.

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

10

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

Робочі стани іонних переходів  відносно основного стану розміщуються значно вище. Тому не бажане вирівнювання заселеностей інвертованих рівнів збільшенням  струму розряду за рахунок ступінчатих  процесів.

Щоб забезпечити генерацію в активному середовищі іонних ОКГ, іони повинні становити значну кількість від загального числа частинок. Цього можна досягти за допомогою великострумового дугового розряду, здійснюваного у вузьких розрядних трубках. Розрядна трубка потребує примусового водяного охолодження.

Істотно впливає на роботу іонного  ОКГ зовнішнє магнітне поле.

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

11

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

При відсутності зовнішнього поля спонтанне  випромінювання і безвипромінювальні процеси релаксацій визначають час  життя частинки у збудженому стані. Через скінченність цього часу (і через інші причини, наприклад допплерівське уширення для мікрочастинок, що рухаються) лінія випромінювання, що відповідає переходу, виявляється розширеною і залежить як від властивостей квантової системи (через коефіцієнти Ейнштейна B), так і від прикладеного поля - об'ємної густини його енергії ρ і частоти поля ν з центральною частотою переходу ν₀, що враховується спеціальною функцією S(ν). При цьому, щоб вимушене випромінювання переважало над поглинанням, тобто число переходів вниз було більше числа переходів вгору, необхідно, щоб на верхньому рівні частинок було більше, ніж на нижньому. Середовище, для якого виконується ця умова, називається середовищем з інвертованою населеністю, і умова інверсії n₂ > n₁ є необхідною умовою для посилення хвилі середовищем і роботи лазера [2]. Ясно, що при термодинамічній рівновазі інверсія існувати не може, оскільки, згідно закону Больцмана, і на верхньому рівні частинок менше ніж на нижньому. Тому для отримання інверсії середовище потрібно вивести з стану рівноваги. Інверсія населеностей в лазерах досягається в результаті сумісної дії процесів накачування відповідних рівнів і їх очищення. Середовище з інверсією населеності здатне посилювати світлову хвилю. Щоб перетворити звичайний підсилювач на генератор, необхідно організувати зворотний зв'язок. В лазерах він досягається при поміщенні активної речовини між поверхнями (дзеркалами), утворюючими так званий "відкритий резонатор" за рахунок того, що частина випромінюючої активною речовиною енергії відображається від дзеркал і знову повертається в активну речовину (рис. 1).

Проте резонатор в лазері не тільки забезпечує зворотний зв'язок за рахунок повернення відбитого від дзеркал випромінювання в активну речовину, але і визначає спектр випромінювання лазера, його енергетичні характеристики, спрямованість випромінювання. В наближенні плоскої хвилі умова резонансу

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

12

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

Рис. 1 Принципова схема лазера

 

в резонаторі з плоскими дзеркалами полягає в тому, що на довжині резонатора укладається  ціле число напівхвиль: де q - ціле число, що приводить до виразу для частоти типу коливань з індексом q: і відстані по частоті між сусідніми (q відрізняється на 1) модами: .

На  рис. 2 приведений частотний профіль коефіцієнта підсилення в робочій речовині (він визначається шириною і формою лінії робочої речовини) і набір власних частот відкритого резонатора. Для відкритих резонаторів, що використовуються в лазерах, з високою добротністю смуга пропускання резонатора ∆ν_p, що визначає ширину резонансних кривих окремих мод (криві 2-4 на рис. 3), і навіть відстань між сусідніми модами ∆ν виявляється менше ніж ширина лінії підсилення, причому навіть в газових лазерах, де розширення ліній найменше. Тому в контур посилення потрапляє декілька типів коливань резонатора [18].

Таким чином, лазер не обов'язково генерує  на одній частоті, частіше навпаки, генерація відбувається одночасно  на декількох типах коливань. Для  того, щоб лазер працював на одній  частоті (в одночастотному режимі), необхідно, як правило, вживати спеціальних  заходів (наприклад, збільшити втрати,) або змінити відстань між дзеркалами так, щоб в контур посилення потрапляла тільки одна мода.

 

 

Рис. 2 Частотна залежність коефіцієнта посилення в робочій речовині a (крива 1) і потрапляючі в контур посилення типи коливань резонатора (2-4). При рівні втрат β₁ можуть генерувати три моди, при β₂ - одна центральна.

Таким чином, лазер не обов'язково генерує  на одній частоті, частіше навпаки, генерація відбувається одночасно  на декількох типах коливань. Для  того, щоб лазер працював на одній  частоті (в одноЗмн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

13

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

частотному режимі), необхідно, як правило, вживати спеціальних заходів (наприклад, збільшити втрати,) або змінити відстань між дзеркалами так, щоб в контур посилення потрапляла тільки одна мода. Оскільки в оптиці, як зазначено вище і частота генерації в лазері визначається в основному частотою резонатора, то, щоб отримати стабільною частоту генерації, необхідно стабілізувати резонатор. Отже, якщо коефіцієнт посилення в робочій речовині перекриває втрати в резонаторі для певних типів коливань, то на них виникає генерація [2].