Материал: LS-Sb89572

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

___________________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ ЛЭТИ”

_____________________________________

ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И МЕТРОЛОГИЯ

Методические указания к лабораторным работам

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ “ ЛЭТИ”

2013

УДК 535 + 621.375.826

Лазерные технологии и метрология: методические указания к лабораторным работам / сост. Е. А. Смирнов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ ЛЭТИ”, 2013. 32 с.

Содержат описания лабораторных работ по исследованию характеристик, методов и устройств регистрации лазерного излучения, управления параметрами лазеров, используемых в установках лазерной технологии и метрологии.

Предназначены для студентов дневного отделения, обучающихся по образовательной программе подготовки бакалавров по направлению 210100 “ Электроника и наноэлектроника”.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013

2

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторные работы по дисциплине “ Лазерные технологии и метрология” выполняются бригадами студентов из 2–3 человек. К выполнению работ допускаются студенты, прошедшие инструктаж по правилам техники безопасности и неукоснительно соблюдающие их.

Перед началом выполнения работы необходимо ознакомиться с лабораторной установкой и расположением органов управления и измерительных приборов; с дополнительными инструкциями и схемами, прилагаемыми к лабораторной установке. Перед ее включением необходимо убедиться в исправности всех заземляющих устройств; проверить наличие и исправность светонепроницаемых экранов и защитных ограждений, защитных диэлектрических средств; проверить исправность защитных блокировок.

Внимание! Лабораторную установку можно включать только с разрешения преподавателя после получения инструктажа на рабочем месте.

Необходимо строго соблюдать меры предосторожности, исключающие возможность попадания прямого или отраженного высокоинтенсивного лазерного излучения на человека.

Выключение лабораторной установки производится с разрешения преподавателя после подписания протокола исследования.

Индивидуальный отчет о лабораторной работе должен включать:

1.Цель и содержание работы.

2.Схему лабораторной установки с пояснением принципа ее работы.

3.Таблицы и графики экспериментальных и расчетных зависимостей, расчетные формулы и примеры вычислений.

4.Обработанные осциллограммы сигналов с указанием масштаба осей координат, картины распределения интенсивности излучения, а также дополнительные данные, оговариваемые в разделах “ Порядок выполнения работы”.

5.Выводы, в которых анализируются полученные экспериментальные результаты и причины возможного отличия их от теоретических закономерностей.

Все таблицы и рисунки в отчете должны быть пронумерованы и снабжены необходимыми подписями, поясняющими суть и условия проведенных экспериментов и расчетов. Протоколы испытаний прилагаются к отчету.

1.ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТИ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

Цель работы – ознакомление с основными причинами и формами проявления нестабильности параметров лазеров, а также пассивными методами стабилизации мощности излучения.

3

1.1.Основные положения

Вряде областей, таких как технология, метрология, запись и воспроизведение информации, оптическая связь и т. д., непременным условием успешного применения лазеров является высокая временная стабильность параметров излучения. Основными параметрами лазерного излучения являются: ν – частота (λ – длина волны), P – выходная мощность (W – энергия), положение оси диаграммы направленности. Под стабильностью (Si) понима-

ется отношение среднего значения i-го параметра, например ν или P, к его наибольшему отклонению (δν или δP) в пределах выбранного времени усреднения (tс). Функция, обратная Si, называется нестабильностью рассмат-

риваемого параметра (Si−1). Различают кратковременную стабильность (пе-

риод колебаний параметра <1 с) и долговременную (период колебаний ≥1 с). Тогда для стабильности частоты и мощности лазерного излучения запишем:

Флуктуации параметров излучения любого лазера вызываются нестабильностью свойств трех основных его составляющих: активного элемента (АЭ), оптического резонатора (ОР) и источника накачки (ИН) и изменениями внешних условий. Кратковременные флуктуации тока накачки, обусловленные несовершенством ИН и колебательными свойствами АЭ лазеров, а также механические вибрации могут приводить к модуляции превышения усиления над потерями и, как следствие, к модуляции мощности излучения. Дрейфовые изменения уровня накачки и температуры окружающей среды сопровождаются нарушением температурных режимов АЭ и ОР и в итоге могут вызывать медленные изменения частоты и мощности генерации, а также отклонение оси диаграммы направленности лазерного пучка.

Долговременные, дрейфовые изменения параметров лазерного излучения чаще всего обусловлены нестационарным тепловым режимом лазера. Это имеет место, например, в переходный период после включения лазера, когда в процессе нагрева происходит изменение длины оптического резонатора L – расстояния между его зеркалами. Оценим влияние нестабильности длины ОР на частоту генерации лазера. Частота продольной моды с произвольным индексом q рассчитывается как

4

В момент t = t2 длина составит L0 + δL, а частота изменится до уровня

Согласно (1.5) сдвиг частоты δν пропорционален изменению длины δL (рис. 1.1). Минус в итоговом выражении (1.5) свидетельствует о разнонаправленности осей L и ν: если длина ОР увеличивается, то частота генерации уменьшается.

Рис. 1.1. Температурный сдвиг частот в многочастотном режиме генерации лазера

Менее наглядно, но с тем же результатом изменение частоты можно найти, продифференцировав выражение (1.2):

δνq = −q c2 δL. 2L

Используя (1.1), (1.5), найдем выражение для нестабильности частоты:

δν = δL . (1.6)

ν L

Таким образом, относительное изменение частоты совпадает по величине с относительным изменением длины оптического резонатора. В процес-

5