 |
Функциональная схема лазера
|
|
|
|
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Учебное пособие
Рязань 2003
УДК 621.375
Расчет и проектирование квантовых генераторов: Учеб. пособие / Э.И. Соколовский, В.И. Соловьев; Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 2003. 48 с. ISBN 5-7722-0236-7.
Излагаются общие принципы расчета газовых лазеров и методика проектирования основных элементов гелий-неоновых лазеров и лазеров на углекислом газе: резонатор, разрядный капилляр, система охлаждения с описанием конструктивных особенностей проектируемых приборов.
Предназначено для студентов дневного, вечернего и заочного обучения специальности 200300 и направления 550700 (дисциплина «Квантовые и оптоэлектронные приборы и устройства»).
Табл. 11. Ил. 16. Библиогр.: 4 назв.
Гелий-неоновый лазер, лазер на углекислом газе, модовый состав излучения, оптический резонатор, дифракционные потери, коэффициент усиления среды, разрядный капилляр
Печатается по решению редакционно-издательского совета Рязанской государственной радиотехнической академии.
Рецензент: кафедра электронной техники и технологии Рязанской государственной радиотехнической академии.
С о к о л о в с к и й Эдуард Иванович
С о л о в ь е в Владимир Иванович
Расчет и проектирование квантовых генераторов
Редактор М.Е. Цветкова
Корректор Н.А. Орлова
Лицензия № 020446.
Подписано в печать Формат бумаги 60x84 1/16.
Бумага газетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 3,0
Уч. - изд. л. 3,0. Тираж 80 экз. Заказ.
Рязанская государственная радиотехническая академия.
390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.
Редакционно-издательский центр РГРТА.
ISBN 5-7722-0236-7 © Рязанская государственная
радиотехническая академия, 2003
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ
Квантовые генераторы представляют собой особый класс электронных приборов, вобравший в себя самые современные достижения различных областей науки и техники. Проектирование квантовых генераторов весьма трудоемко из-за большого разнообразия процессов, определяющих их эксплуатационные характеристики.
В пособии рассмотрены основные соотношения, описывающие условия формирования потока излучения в активной среде газовых лазеров, условия формирования электромагнитного поля в системе оптического резонатора и связь этих процессов с выходными параметрами. Теоретические разделы и описание последовательности проектирования рассмотрены применительно к наиболее распространенным в настоящее время образцам газовых лазеров: атомарному гелий-неоновому лазеру и молекулярному лазеру на углекислом газе. В пособии представлены расчетные соотношения, составленные на основе теоретических выкладок с учетом результатов, установленных экспериментальным путем на реальных приборах. С использованием найденных таким путем полуэмпирических зависимостей составлена методика расчета, позволяющая спроектировать конструкцию приборов, обеспечивающих заданные значения выходных параметров. В приложении к пособию приводятся примеры конструкции отдельных приборов промышленного выпуска.
В соответствии с особенностями излагаемой методики предполагается, что помимо расчета «вручную» (с использованием калькулятора либо на ЭВМ в среде Mathcad) могут быть выполнены более строгий анализ и оптимизация проектируемой конструкции по специально разработанной программе на персональной ЭВМ.
По результатам расчета должна быть спроектирована конструкция прибора, создан чертеж и составлена пояснительная записка, в которой необходимо представить краткие теоретические выкладки по принципу работы прибора и указать области его применения. По ходу изложения необходимо обосновать принятые решения по выбору материала элементов конструкции, по выбору численного диапазона промежуточных параметров. В заключительной части должны быть рассмотрены условия сборки спроектированного прибора.
|
|
|
Оформление пояснительной записки к курсовому проекту должно отвечать требованиям ЕСКД по разделам «Основные положения», ГОСТ 2.105-68.
ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Принцип работы квантового генератора,
функциональная схема лазера
Принцип работы квантовых генераторов основан на усилении электромагнитных волн с помощью эффекта вынужденного(индуцированного ) излучения. Усиление обеспечивается за счет выделения внутренней энергии при стимулируемых внешним излучением переходах атомов, молекул, ионов и т.д. с некоторого возбужденного верхнего энергетического уровня на нижний (ниже расположенный). Эти вынужденные переходы вызываются фотонами, энергия которых
hν = E2 - E1, (1.1)
где E2 и E1 – энергии верхнего и нижнего уровней;
h = 6,626∙10-34 Дж∙с – постоянная Планка;
ν = c/λ – частота излучения, c – скорость света, λ – длина волны.
Возбуждение, или, как принято называть, накачка, осуществляется либо непосредственно от источника электрической энергии, либо за счет потока оптического излучения, химической реакции, ряда других энергетических источников.
В условиях термодинамического равновесия распределение частиц по энергиям однозначно определяется температурой тела и описывается законом Больцмана, согласно которому, чем выше уровень энергии, тем меньше концентрация частиц, пребывающих в данном состоянии, другими словами, меньше его населенность.
Под воздействием накачки, нарушающей термодинамическое равновесие, может возникнуть обратная ситуация, когда населенность верхнего уровня превысит населенность нижнего. Возникает состояние, которое называется инверсией населенностей. В этом случае количество вынужденных переходов с верхнего энергетического уровня на нижний, при которых возникает индуцированное излучение, превысит число обратных переходов, сопровождающихся поглощением исходного излучения. Поскольку направление распространения, фаза и поляризация индуцированного излучения совпадают с направлением, фазой и поляризацией воздействующего излучения, возникает эффект его усиления.
|
|
|
Среда, в которой возможно усиление излучения за счет индуцированных переходов, называется активной средой. Основным параметром, характеризующим её усилительные свойства, служит коэффициент, или показатель усиления kν - параметр, определяющий изменение потока излучения на частоте ν на единицу длины пространства взаимодействия.
Усилительные свойства активной среды можно существенно повысить, применяя известный в радиофизике принцип положительной обратной связи, когда часть усиленного сигнала возвращается обратно в активную среду и повторно усиливается. Если при этом усиление превышает все потери, включая те, которые используются как полезный сигнал (полезные потери), возникает режим автогенерации. Автогенерция начинается с появления спонтанных переходов и развивается до некоторого стационарного уровня, определяемого балансом между усилением и потерями.
В квантовой электронике для создания положительной обратной связи на данной длине волны используют преимущественно открытые резонаторы – систему из двух зеркал, одно из которых (глухое) может быть совершенно непрозрачным, второе (выходное) делается полупрозрачным. Область генерации лазеров соответствует оптическому диапазону электромагнитных волн, поэтому резонаторы лазеров называют еще оптическими резонаторами.
 |
Типичная функциональная схема лазера с указанными выше элементами показана на рис.1.1.
Обязательным элементом конструкции газового лазера должна быть оболочка, в объеме которой находится газ определенного состава при заданном давлении. С торцевых сторон оболочка закрыта окнами из прозрачного для лазерного излучения материала. Эта функциональная часть прибора называется активным элементом. Окна для уменьшения потерь на отражение от их поверхности устанавливают под углом Брюстера. Лазерное излучение в таких приборах всегда поляризовано.
|
|
|
Активный элемент вместе с зеркалами резонатора, установленными снаружи активного элемента, называется излучателем. Возможен вариант, когда зеркала резонатора закрепляются непосредственно на торцах оболочки активного элемента, выполняя одновременно функцию окон по герметизации газового объема (лазер с внутренними зеркалами ).
Зависимость коэффициента усиления активной среды от частоты (контур усиления ) определяется формой спектральной линии рабочего квантового перехода. Лазерная генерация возникает только на таких частотах в пределах этого контура, при которых в пространстве между зеркалами укладывается целое число полуволн. В этом случае в результате интерференции прямых и обратных волн в резонаторе формируются так называемые стоячие волны с узлами энергии на зеркалах. Значения этих так называемых собственных частот резонатора определяется в первом приближении следующим простым соотношением:
, (1.2)
где q – число полуволн, укладывающихся на длине резонатора L.
Структура электромагнитного поля стоячих волн в резонаторе может быть самой разнообразной. Её конкретные конфигурации принято называть модами. Колебания с различными частотами, но одинаковым распределением поля в поперечном направлении называются продольными (или аксиальными) модами. Их связывают с волнами, распространяющимися строго вдоль оси резонатора. Колебания, отличающиеся друг от друга распределением поля в поперечном направлении, соответственно - поперечными (или неаксиальными) модами. Их связывают с волнами, распространяющимися под различными небольшими углами к оси и имеющими соответственно поперечную составляющую волнового вектора. Для обозначения различных мод используется следующая аббревиатура: ТЕМmn. В этом обозначении m и n – индексы, показывающие периодичность изменения поля на зеркалах по различным координатам в поперечном направлении. Если при работе лазера генерируется только основная (наинизшая) мода ТЕМ00, говорят об одномодовом режиме работы. При наличии нескольких поперечных мод режим называется многомодовым. При работе в одномодовом режиме возможна генерации на нескольких частотах с различным количеством продольных мод. Если генерация происходит только на одной продольной моде, говорят об одночастотном режиме.
В общем случае при наличии в пределах контура усиления нескольких собственных частот резонатора спектр излучения лазера включает линии излучения разной интенсивности (рис.1.2).
|
|
|
