Учебно-методический комплекс по дисциплине «Оптические методы контроля и анализа» для студентов Казнту имени К. И. Сатпаева по специальности 050716

Лавинообразное нарастание энергии лазерного излучения в активной среде вдоль оси резонатора хорошо описывается экспонентой с положительным показателем

Е(х) = Е(0)ехр[k_л - k_п)х], (12.7)

где Е(х)-энергия излучения вдоль оси х; Е(0) — энергия излучения при х = 0; k_л – линейный коэффициент лазерного усиления (вдоль оси х), значение которого пропорционально накачки; k_п - коэффициент потерь излучения в оптическом резонаторе и активной

простого линейного резонатора коэффициент потерь излучения имеет вид

k_п = 1/Х₀ + 1/l_рез ·1n(√R₁·R₂), (12.8)

- коэффициент поглощения излучения в активной среде; 1_рез - длина оптического резонатора; R₁, R₂ — коэффициенты отражения зеркал резонатора.

Второй член представляет собой торцевые потери излучения, отнесенные к единице длины резонатора.

При некотором значении энергии накачки, которое называется порогом генерирования k_л > k_п что означает лавинообразное усиление энергии лазерного излучения, т.е. генерацию. Таким образом, порог генерирования лазера - это энергия (или мощность), поступающая на вход источника питания лазера, при которой коэффициент лазерного усиления на частоте генерирования равен коэффициенту потерь в оптическом резонаторе на частоте.

Направленность лазерного излучения определяется отношением длины волны генерируемого излучения к линейному размеру резонатора; расходимость θ_Р оценивается следующим выражением:

θ_Р = √λ/1_рез, (12.9)

Следует подчеркнуть, что в любом резонаторе условие резонанса выполняется не для одного, а для многих типов колебаний, отличающихся друг от друга по частоте и распреде­лению электромагнитного поля в резонаторе. Такие типы колебаний называются модами. В результате спектр излучения лазера состоит из набора мод: для получения одночастотного (одномодового) режима используют перестраиваемые оптические фильтры мод.

Лазерное излучение характеризуется пространственно-временными и энергетическими параметрами.

В группе пространственно-временных выделяют следующие параметры:

- частота лазерного излучения - средняя частота (или средняя длина волны) спектра лазерного излучения;

- ширина линии лазерного излучения δ_ν - расстояние между точками контура спек­тральной линии лазерного излучения, соответствующими половине интенсивности линии в максимуме;

- расходимость лазерного излучения θ_Р - плоский или телесный угол, характеризую­щий угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения;

- время готовности лазера t_гот - время, необходимое для достижения лазером эксплуа­тационных (номинальных) параметров с момента его включения.

К энергетическим параметрам лазера относятся, прежде всего, энергия и мощность лазерного излучения. Энергия определяет энергетические возможности лазера. Мощ­ность характеризует интенсивность излучения энергии лазером, концентрацию энергии во времени. В применении к лазеру эту, казалось бы, банальную разницу необходимо подчеркнуть.

Концентрация энергии (мощности) в пространстве определяется плотностью энергии (мощности) лазерного излучения, т.е. энергией (мощностью) лазерного излучения, приходя­щейся на единицу площади сечения пучка лазерного излучения.

Эффективность лазера как преобразователя энергии накачки в энергию излучения ха­рактеризуется кпд, который равен отношению энергии или средней мощности, излучаемой лазером, соответственно к энергии или средней мощности, подводимой к лазеру. К энерге­тическим параметрам относится также порог генерирования лазера.

Можно выделить три основных режима работы лазеров:

- режим непрерывного генерирования лазерного излучения (непрерывный режим); лазе­ры, работающие в непрерывном режиме, называются непрерывными;

- режим импульсного генерирования лазерного излучения (импульсный режим) и соот­ветственно импульсные лазеры;

- режим импулъсно-периодического лазерного излучения — импульсно-периодические лазеры.

В непрерывном режиме работы лазера мощность лазерного излучения на частоте ге­нерирования не обращается в нуль при заданном интервале времени, значительно превы­шающем период колебаний, т.е. такие лазеры дают непрерывное излучение в течение дли­тельного времени.

Импульсный режим характеризуется излучением энергий в виде импульсов. В таком импульсном лазере излучение длится очень недолго, ничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой энергии процесс оказывается сильно сжатым, сконцентрированным во времени, и мощность импульса получается огромной. Современные мощные импульсные лазеры (в основном твердотельные) дают импульсы длительностью до 0,01 не (при энергии импульса 1 Дж их мощность достигает 100 млн. кВт).

В импульсно-периодическом режиме излучение формируется в виде периодиче­ских серий импульсов - импульсных пакетов.

Уровни хрома располагаются в пределах широкой запрещенной зоны А1₂О₃ (∆W≈6 эВ). Процессы поглощения энергии и излучения происходят внутри этих центров свечения (рис. 12.4).

Свет мощной ксеноновой лампы пере­водит электроны с основного уровня Е\ на возбужденные уровни Е₃ и Е₄, образующие две широкие полосы. Примерно через 10 не электроны падают на уровень Е₂, называе­мый метастабипъным. Здесь они могут на­ходиться, примерно, 10^-3 с. Разница энер­гий Е₃ - Е₂ превращается в теплоту.

На уровнях Е₂ происходит накопление электронов и создается инверсная населен­ность по отношению к уровню Е₁

Конструкция твердотельного лазера изображена на рис. 12.5.

Для миниатюрных оптоэлектронных устройств лучше подходит лазер на основе кристаллов иттриево-алюминиевого граната YAG. В эти кристаллы добавляются примеси неодима (Y₃Al₅0₁₂:Nd³⁺). Неодим замещает в решетке примерно 1% атомов иттрия. Лазер излучает инфракрасный свет с длиной волны 1,06 мкм. Для возбуждения можно использовать инфракрасные светодиоды из GaAlAs с длиной волны (λ ≈ 0,081 мкм), соответствуют полосе поглощения неодима. Благодаря высокой концентрации центров свечения лазе{ неодимом имеет более высокую мощность излучения (до 10 Вт).

Лазер имеет малые размеры (длина резонатора около 1 см); кпд YAG-лазеров составляет 1-20%.

При правильном выборе спектра элемента накачки достигается 50%-ное использование оптической энергии.

Основной режим работы твердотельных лазеров — импульсный. Для них характер большая мощность одиночного импульса, невысокая когерентность излучения. Многие них нуждаются в охлаждении активного элемента и элемента накачки.

Улучшение спектральных и пространственных характеристик излучения (когерентности, монохроматичности, направленности) достигается за счет перехода к одномодовому режиму генерации и уменьшения энергетического кпд.

Контрольные вопросы.

1. 
   Что такой генератор излучения?
   
2. 
   Что такое лазерное излучение?
   
3. 
   Что такое вынужденное излучение?
   
4. 
   Активная среда.
   
5. 
   Принцип работы лазера?