 |
Рекомендуемый порядок расчета
|
|
|
|
1. Выбор геометрических размеров разрядного капилляра
Если задан диаметр пучка на выходном зеркале резонатора, диаметр трубки d следует выбрать несколько большим, имея, однако, в виду, что коэффициент усиления с увеличением диаметра уменьшается. Для ориентировочного определения длины активной области (длины разрядной трубки) l можно воспользоваться следующим соотношением, определяющим величину нормированной мощности при оптимальных условиях:
Pвых /(l d)» 1-1,5 мВт/см 2 .
2. Определение основных параметров активной среды
Для расчета ненасыщенного коэффициента усиления выбираем, ориентируясь на имеющиеся экспериментальные данные, величину разрядного тока I, давление газовой смеси p, соотношение её компонентов. Если, например, отношение He к Ne составляет 4:1, то мольная доля неона a, используемая в расчетной формуле (3.1), составит 1/5 часть.
По формулам (1.10а, 3.2, 3.3) определяем доплеровское (неоднородное) Δνнд и столкновительное (однородное) Δνодн уширение контура усиления, а также величину параметра насыщения Js.
3. Р асчет резонатора
Длина резонатора L несколько превышает длину разрядной трубки l и обычно выбирается из конструктивных соображений. В первом приближении её можно принять равной длине трубки или на 5 -10 см больше. Радиусы кривизны зеркал выбираем, ориентируясь на условие устойчивости резонатора (1.19). Рекомендуется при этом придерживаться следующего ряда: 0,5 м, 1 м, 2 м, 5м, 20 м и т.д.
Используя выражения (1.20 - 1.24), находим основные геометрические размеры объема, занимаемого электромагнитным полем в резонаторе, и площадь поперечного сечения пучка.
5. Определение паразитных (вредных) потерь и оптимального коэффициента пропускания выходного зеркала
|
|
|
Используя графики в приложении 1 (рис. П.1.1,П.1.2), оцениваем величину дифракционных потерь. При определении числа Френеля в качестве апертуры a следует принять радиус разрядной трубки или радиус диафрагмы, если её установка потребуется для выделения основной моды TEM00. Представление о величине потерь в интерференционных зеркалах дают экспериментальные результаты, указанные в табл. 3.1. Потери в окнах, герметизирующих трубку в лазерах с внешними зеркалами или устанавливаемых в лазерах с внутренними зеркалами для получения поляризованного излучения, не превышают 0,1...0,2 %. Для нахождения оптимального коэффициента пропускания выходного зеркала используются данные рис. 1.8 и соотношение (1.29).
После определения всех потерь проверяется условие (1.29), определяющее режим работы лазера. При его выполнении режим работы одномодовый, иначе – многомодовый. Для получения одномодового режима (если это оговаривается в задании) может потребоваться изменение радиусов кривизны зеркал или установка специальной диафрагмы, чтобы обеспечить более высокий уровень дифракционных потерь.
6. Расчет мощности излучения
По формуле (1.18) оцениваем число продольных мод резонатора в пределах контура усиления. При одночастотном режиме для расчета интенсивности потока излучения, падающего на выходное зеркало, используются выражения (1.15, 1.15, а). Если число продольных мод больше единицы и выполняется условие перекрытия провалов в контуре усиления (1.17), используется выражение (1.16). В остальных случаях интенсивность потока оцениваем как среднюю величину, определенную для этих двух крайних случаев. Более строгий расчет с использованием зависимости (1.12) выполняется с помощью ЭВМ.
Мощность лазерного излучения рассчитывается по формуле (1.30). Следует не забывать в случае многомодового режима увеличить поперечные размеры пучка и, соответственно, площадь его сечения (табл. 1.2).
|
|
|
7. Расчет выходного зеркала
Расчет зеркала заключается в выборе материала подложки, подборе материалов диэлектрических слоев и определении их числа (1.30, а), обеспечивающих величину коэффициента отражения, соответствующую оптимальному коэффициенту пропускания.
8. На заключительном этапе рассчитываются напряжение источника накачки и КПД лазера.
Конструкция гелий-неонового лазера
На рис. П.2.1. (приложение 2) представлено изображение одного из наиболее совершенных вариантов конструкции излучателя He-Ne лазера. Коаксиальное расположение разрядного капилляра, электродов и оболочки активного элемента обеспечивает при малых его размерах большой объем рабочего газа, равномерность распределения температуры в продольном и поперечном направлениях. В силу этого и ряда других достоинств данной конструкции достигаются наиболее высокие срок службы и стабильность параметров излучения.
Оболочкой активного элемента служит тонкостенный цилиндр из стекла молибденовой группы марки С-52, образующий балластный объем с запасом газа (7). Диаметр оболочки находится в пределах 20…30 мм, толщина стенки –1.5…2,5 мм. Одновременно оболочка является несущей основой оптического резонатора. Низкий коэффициент термического расширения стекла обеспечивает достаточную стабильность юстировки резонатора. Юстировочные узлы резонатора (3) по обеим сторонам цилиндра впаяны в него с помощью коваровых чашек (10). Юстировка осуществляется путем пластической деформации тонкостенной “шейки” этих узлов. Зеркала, закрепленные с помощью стеклоцемента в специальных держателях (2), вводятся в юстировочные узлы на заключительном этапе сборки и крепятся лазерной сваркой.
Разрядная трубка так же, как и оболочка, выполняется из стекла С-52 и называется разрядным капилляром (6), поскольку её внутренний диаметр, как правило, не превышает 1…2 мм. Достаточная механическая устойчивость обеспечивается при толщине стенки 2…3,5мм.
Холодный катод (9) выполняется методом холодного выдавливания из сплава АД-1 на основе алюминия. В собранном приборе катод обрабатывается в атмосфере кислорода для формирования на его поверхности окисной пленки, повышающей устойчивость катода к ионной бомбардировке. Хвостовик катода закрепляется в отверстии коваровой чашки, которая служит выводом. Другой цилиндрический конец фиксируется в оболочке с помощью пружинного зажима (8) из никель-хромистой стали.
|
|
|
Чтобы максимальная плотность тока, отбираемая с поверхности катода, не превышала допустимых значений (0.2…0,3 мА/см2), конец разрядного капилляра устанавливается на расстоянии 0…15 мм от центра его полусферического дна. Ориентируясь на эти предельные значения плотности тока jпр, можно оценить минимальные размеры поверхности холодного катода Fk = I / jпр.
Роль анода выполняет закрепленная на коваровой чашке пластина (5), покрытая окисью хрома, для повышения её устойчивости к распылению. Внутри анодного узла с помощью втулок закреплено окно Брюстера (4) из плавленого кварца КУ-1.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Библиографический список
1. Пихтин А.Н. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники. М.: Высш. школа, 1983. 304 с.
2. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1988. 336 с.
3. Справочник по лазерам: В 2 т. / Под ред. А.М. Прохорова. М.: Сов. радио, 1978. 400 с.
4. Русинов М.М. Техническая оптика. Л.: Машиностроение, 1979. 486 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
УДК 621.375........................................................................................... 2
ВВЕДЕНИЕ................................................................................................. 3
1.ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ............................................. 4
1.1. Принцип работы квантового генератора, функциональная
схема лазера........................................................................................... 4
1.2. Условие стационарной генерации..................................................... 6
1.3. Зависимость коэффициента усиления............................................ 7
от интенсивности потока излучения........................................................ 7
1.4. Электромагнитное поле в открытом резонаторе........................... 13
1.4.1. Геометрические размеры каустики резонатора....................... 13
1.4.2. Дифракционные потери открытого резонатора....................... 15
1.4. 3. Принцип выделения основной поперечной моды................... 16
|
|
|
1.5. Выходная мощность лазерного излучения.................................... 17
1.6. Зеркала оптического резонатора.................................................... 18
2. РАСЧЕТ ЛАЗЕРА НА УГЛЕКИСЛОМ ГАЗЕ..................................... 19
2.1. Последовательность этапов проектирования CO2-лазера............. 21
2.1.1. Расчет параметров и геометрии излучателя............................. 21
2.1.2. Тепловой расчет лазера............................................................. 27
2.1.3. Элементы конструкции излучателя CO2-лазера....................... 31
3. ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР.............................................................. 34
3.1. Коэффициент усиления активной среды......................................... 36
3.2. Основные виды потерь.................................................................... 36
3.3. Мощность накачки и КПД лазера................................................... 38
3.4. Рекомендуемый порядок расчета.................................................... 38
3.5. Конструкция гелий-неонового лазера............................................ 40
ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................... 42
|
|
|
