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

Автор: Пользователь скрыл имя, 12 Сентября 2013 в 19:24, реферат

Описание работы

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.

Работа содержит 1 файл

5. пз.docx

— 3.11 Мб (Скачать)

 

                  
Гц

 

                                   
м

 

для Е010 коливань:

 

                    
Гц

 

                                     
м

 

 

2.3 Розрахунок енергії, накопиченої в об’ємному резонаторі

 

Для розрахунку енергії, накопиченої в резонаторі, нам необхідні циліндричні функції Беселля, які розраховуються за формулами[8]:

                                              (13)

де J00 – циліндрична функція Бесселя, а J11 – її похідна, які наведені нижче графічно.

 


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

25

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ


Рис. 8 Циліндрична функція Бесселя і її похідна

 

Проте енергія, накопичена у об`ємному резонаторі будь-якого типу може бути визначена за формулою:

 

де Е та H – амплітудні значення напруженостей електричного та магнітного  полів, інтегрування ведеться за об`ємом резонатора.

А окремо, для різних типів хвиль у циліндричному об`ємному резонаторі для коливань різних типів маємо [11]:

 

,

 

,

 

,                                   (14)

 

.

 

Використовуючи вищенаведені константи  і формули для основних типів коливань, не враховуючи раніше відкинуті другорядні, маємо:


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

26

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ


Для Н111 з урахуванням [13], [14]:

 

                       

 

 


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

27

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ


 

Аналогічно для Е010

 

                             

 

 

 

 

де m0 – магнітна стала;

eа – абсолютна діелектрична проникність АС;

E2max – квадрат максимальної напруженості електричного поля;

c - допоміжні коефіцієнти;

W – накопичена енергія.

Отже, енергія накопичена в резонаторі для H111 та E010 досить таки мала, що може бути пояснено тим, що резонатор виконує селекцію неаксіальних коливань, і його роботою у неперервному режимі.

 

 

 

 

2.4. Розрахунок  активного поверхневого опору

 

Розрахуємо активний поверхневий  опір резонатора (14), за умови, що питома провідність криптону s=2.316×1011 См/м [14]:


                                                          Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

28

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ


(15)

 

.

 

Користуючись [14] і враховуючи тиск газу Р=66.5 Па, температуру робочої суміші Т=3000º К, концентрацію іонів робочого тіла в плазмі Kr = 1036, розрахуємо питому провідність АС, необхідну для виникнення коливань у об’ємному резонаторі:

                                                       (16)

 

де всі  величини розраховуються наступним  чином – плазменна частота:

 

;

 

частота зіткнень електронів з нейтральними молекулами газу:

 

;

 

кутова  частота зміни електричного поля:

 

.

 

Звідки  згідно (16) кінцеве значення питомої провідності АС:

 

 Ом/м

 

Як бачимо отримане значення майже не відрізняється від табличногоs=2.316×1011 См/м[14], що може свідчити проте, що питома провідність АТ стала при визначених робочих температурах і тискові.

 

 

2.5. Добротність основних типів коливань об’ємного резонатора


У оптичному та ІЧ-діапазонах використовують оптичні резонатори , тобто систему оптичних елементів , у просторі між якими можуть збуджуватись певні типи коливань електромагнітного поля оптичного Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

29

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ


та ІЧ-діапазону, що називаються власними коливаннями (модами) резонатора.

Розрахуємо  добротність основних типів коливань за формулами [11]:

- для Н111 коливань:

 

,   (17)

 

  • для Е010 коливань:

,     (18)

 

де Rs - активний поверхневий опір, розрахований вище;

ν01=2,405 ,ν11=3,832 – числові значення коренів функції Бесселя (8);

μ01=3,832, μ11=1,841 – числові значення похідних коренів функції Бесселя.

Тепер за формулами [16] та [17] можна розрахувати добротність:

- для Н111 коливань:

 

 

- для Е010 коливань:

 

 

Тепер розрахуємо добротність лазера, як ВОР з активним тілом всередині, за умови, що тангенс кута діелектричних втрат газу Kr — [14]:

 

                                                               (19)

 

де QM – відповідно добротність різних мод.


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

30

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ


- для Н111 коливань за [19]:

 


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

31

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ


 

- для Е010 коливань аналогічно:

 

 

 

 

2.5 Дифракційні втрати відкритого оптичного резонатора

 

В даному блоці також розрахуємо внутрішні втрати ВОР, які складаються із дифракційних втрат, втрат на поглинання і розсіювання, геометричних втрат, втрат на роз’юстування та втрат на дзеркалах. Проте з урахуванням того, що відносне поглинання для Kr є досить маленьким і максимальний кут нахилу дзеркал відносно оптичної осі, який визначається геометричними втратами також незначний, то цими двома видами втрат можна знехтувати, як і втратами на роз’юстування. Внутрішні втрати в даному випадку будуть визначатися сумою втрат на дзеркалах і дифракційних втрат:

 

                                                             (20)

 

Втрати на дзеркалах визначаються через відношення коефіцієнтів відбиття і відповідно з урахуванням властивостей ДП цей коефіцієнт становить:

 

                                                        (21)

 

Для визначення величини дифракційних втрат:

 

                                                                       (22)

 

обчислюємо  окремо втрати на плоскому та сферичному дзеркалах, а потім їх додаємо, для  чого розрахуємо числа Френеля NF для трьох заданих довжин хвиль :

 

          

,              
.


При значеннях Nf > 1, які ми маємо, можна скористатися наближеним значенням дифракційних втратЗмн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

32

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

ВНТУ 7.091101.001.056


. Відповідно дифракційні втрати на сферичному та плоскому дзеркалах дорівнюють:

 

            

              

 

 

                         
.

 

Сумарні втрати ВОР дорівнюють коефіцієнту дифракційних втрат на плоскому дзеркалі

А значить коефіцієнт внутрішніх втрат оптичного резонатора становить:

 

Тоді добротність відкритого оптичного резонатора:

 

 

 

Вона  відповідає середньому сумарному значенню добротності оптичного резонатора взятого за попередньо отриманими результатами.

 


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

33

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ


2.6 Поперечний розподіл поля основної моди у резонаторі

 

В загальному випадку інтенсивність  випромінювання в резонаторі розподілена не рівномірно по всьому об’ємі, а зосереджена всередині області, в місці де діаметр перетяжки лазерного пучка приймає найменше значення.

0

1

2

Рис. 9 Схематичне зображення перетяжки  лазерного пучка.

Радіуси w1 і w2 цієї області, а також її мінімальний радіус w0 в місці перетяжки визначаються довжиною хвилі та параметрами резонатора. Для основних типів коливань їх можна розрахувати за допомогою співвідношень [3]:

 

 

 

 

Але ми маємо справу з напівконфокальним резонатором, тому обчислити значення по наведеним вище формулам стає неможливим. Ми можемо дійти висновку, що приблизний вигляд поперечного розподілення поля в нашому резонаторі буде подібний до наведеного вище, тільки радіус w2 буде  прямувати до нуля, бо це є фокус сферичного дзеркала, а радіус w1 буде не менший ніж діаметр газорозрядної трубки.

Поперечне розподілення поля основної моди у напівконфокальному  об’ємному резонаторі змінюється за функцією Гаусса:

 


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

34

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ


де  на поверхні дзеркала:

 

 

у фокальній площині (всередині  резонатора):


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

35

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ


 

Відповідно поперечне  розподілення поля вздовж радіуса матиме вигляд:

 

 

a)

б)

Рис. 10 Поперечний розподіл поля а) на поверхні дзеркала, б) у фокальній площині

 

На рисунку 10 графічно зображено поперечний розподіл поля на поверхні дзеркала та у фокальній  площині. Добре видно, що розподіл поля змінюється за функцією Гаусса. Випромінювання зосереджене в центрі дзеркала і відсутнє на його краях.

 

2.7 Відстань від осі симетрії резонатора, на якій поле ослаблюється у

      10 разів

 

Обчислимо відстань r від осі z, на якій поле послаблюється в 10 разів

біля поверхні дзеркала, для чого скористаємося вже відомим значенням радіуса променя у перетяжці (2), та розрахуємо його у фокальній площині резонатора

 

     (23)

 

 

Відстань, на якій поле послаблюється  у 10 раз біля поверхні дзеркала :

 

,

 

 

м.


Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

36

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ


Відстань, на якій поле послаблюється  в 10 раз біля перетяжки у фокальній площині резонатора

Информация о работе Розробка газовоко лазера на Kr та оптичної хвилеводної системи на основі даного лазера