Материал: LS-Sb89572
разно изготавливать из материалов с низким коэффициентом термического расширения и изолировать ОР от температурных воздействий. В этом случае юстировочные устройства зеркал фиксируются с помощью инваровых и кварцевых стержней или труб, жестко стягивающих торцевые фланцы ОР. Достаточной угловой стабильностью обладают ОР в виде силуминовых или дюралевых уголков. Благодаря массивности вся структура медленно реагирует на термические возмущения. Хорошая теплопроводность указанных материалов обеспечивает равномерное растекание тепла, исключает угловую разъюстировку ОР. Вследствие этого обеспечивается относительно высокая долговременная стабильность мощности при низкой стабильности частоты излучения лазера. В твердотельных и СО2-лазерах с принудительным водя-
ным охлаждением, где тепловое влияние на резонатор невелико, несущая конструкция ОР часто выполняется в виде литого замкнутого короба, имеющего необходимые люки для установки активных элементов и оптики. В твердотельных лазерах несущая конструкция ОР может выполняться в виде массивной плиты, на которой крепятся все оптические элементы. В газоразрядных лазерах коаксиальной конструкции роль несущей ОР часто выполняет наружная кварцевая или стеклянная оболочка. ОР, как правило, помещаются в кожухи из хорошо проводящих тепло материалов, которые выполняют роль пы- ле-, влаго- и теплозащитных экранов.
Серийно выпускаемые лазеры обладают уровнем нестабильности мощности излучения от единиц до десятков процентов и часто не соответствуют предъявляемым требованиям. Использование их без принятия мер по стабилизации выходной мощности затруднительно. Методы пассивной стабилизации параметров лазерного излучения базируются на конструктивных решениях, термостабилизации, минимизации уровня вибраций и т. п. Методы активной стабилизации основаны на принципах отрицательной обратной связи. В активных системах отклонение стабилизируемого параметра от нормы вызывает компенсирующее изменение какого-либо свойства лазера, например, изменение длины ОР, уровня накачки или потерь и т. д.
1.2. Описание лабораторной установки
Лабораторная установка (рис. 1.4) включает два гелий-неоновых, молекулярный и полупроводниковый лазеры № 1, 2, 3 и 4 с регулируемыми блоками питания, ослабляющие фильтры, фотоприемники видимого и инфракрасного излучения (ФП1– ФП4), выходные сигналы которых подаются на устройства регистрации (цифровые и самопишущие приборы, осциллограф, компьютер).
11
|
|
|
|
|
|
|
Исследуемые |
|
|
|
Фотоприемное |
|
||||
|
Пьезокорректор |
|
|
|
Ослабляющий |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
лазеры |
|
|
устройство |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
фильтр |
|
|
||||||||
|
лазера № 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
№ 1, 2, 3, 4 |
|
|
(ФПУ) |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Источник |
|
Генератор |
|
Регулируемый |
|
|
|
|
|
||||||
|
постоянного |
|
|
линейно |
|
источник |
|
|
Устройства |
|||||||
|
напряжения |
|
изменяющегося |
|
накачки |
|
|
регистрации |
||||||||
|
смещения ПК |
|
напряжения |
|
лазера |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.4. Структурная схема лабораторной установки
В целях термоизоляции держатели зеркал лазера № 1 закреплены на массивной кварцевой плите отдельно от разрядной трубки. Подложки зеркал ОР и выходные окна лазера № 1 выполнены из плавленого кварца и прозрачны для излучения как с λ1 = 633 нм, так и с λ3 = 3391 нм. Одно из зеркал лазера № 1 за-
креплено на электрически управляемом пьезокерамическом корректоре (ПК), позволяющем изменять длину ОР в пределах единиц микрометров. Изменение напряженности (H) поперечного магнитного поля в области разрядного капилляра осуществляется механическим смещением постоянных магнитов в соответствии с градуировочной кривой, прилагаемой к лабораторной установке. Лазер № 2 – маломощный Не–Ne- лазер видимого диапазона использует резонатор, выполненный из массивного дюралевого уголка, на торцах которого жестко закреплены фланцы юстировочных устройств. Лазер № 3 – молекулярный СО2-
лазер, генерирующий инфракрасное излучение с λ = 10.6 мкм. Верхний лазерный уровень активной среды СО2-лазеров имеет энергию около 0.17 эВ, соиз-
меримую с энергией теплового кванта kT. В результате при повышении T сильно сказывается температурное заселение нижнего уровня, сопровождающееся спадом инверсии населенностей лазерных уровней. Лазер № 3 имеет систему водяного охлаждения, поддерживающую температуру стенок разрядной трубки, близкой к комнатной. Лазер № 4 – инжекционный полупроводниковый лазер (ИППЛ) на основе кристалла арсенида галлия, длина волны излучения которого приходится на ближнюю ИК-область. Излучение в ИППЛ возникает в области р– п-перехода при рекомбинации электронов и дырок. ИППЛ весьма чувствительны к изменениям температуры кристалла. Повышение температуры увеличивает вероятность безызлучательной рекомбинации, снижая тем самым выход когерентного излучения. Кроме того, рост температуры полупроводника, как правило, уменьшает ширину запрещенной зоны, определяющую в ИППЛ энергию, а следовательно, и длину волны генерируемых квантов. В итоге λ ИППЛ дрейфует в сторону меньших значений, вызывая нестабильность часто-
12
ты. Излучающий кристалл лазера № 4 закреплен на медном радиаторе, снабженном микрохолодильником на основе эффекта Пельтье. Регулируя ток микрохолодильника, можно поддерживать необходимую температуру кристалла.
1.3. Порядок выполнения работы
Перед началом работы необходимо внимательно ознакомиться с лабораторной установкой, режимом работы измерительных приборов и информацией, содержащейся в дополнительной инструкции к работе.
Внимание! Конкретное задание на лабораторную работу определяется преподавателем. Включение и выключение исследуемых лазеров производится только в присутствии преподавателя.
1. Включить He–Ne- лазер (лазер № 1) и исследовать временную зависимость мощности излучения Р = f(t) при разрядном токе I = 10…20 мА в течение времени, необходимого для установления стационарного теплового режима.
2. Включить генератор линейно изменяющегося напряжения и с помощью осциллографа установить амплитуду импульсов в диапазоне 100…300 В. Произвести калибровку горизонтальной оси осциллографа в масштабе длины ОР. Зафиксировать начальный средний уровень мощности излучения Р0.
3.В установившемся режиме лазера № 1 исследовать и зарегистрировать
спомощью осциллографа зависимости Р = f(δL) для 4–5 уровней относительной мощности излучения Pi 
P0 , где Рi – средний уровень мощности излуче-
ния при выбранном превышении усиления над потерями.
4. Включить He–Ne- лазер (лазер № 2) и исследовать временную зависи-
мость мощности излучения Р = f(t) в течение 15…20 |
мин при разрядном токе |
I = 5…25 мА для нескольких уровней потерь в ОР. |
|
5. Включить СО2-лазер (лазер № 3) и исследовать временную зависи- |
|
мость мощности излучения Р = f(t) в течение 20…30 |
мин при токе I = 10 мА |
искорости расхода охлаждающей воды 0.5 л/мин.
6.Включить инжекционный полупроводниковый лазер (лазер № 4) и ис-
следовать временную зависимость мощности излучения Р = f(t) в течение
10…12 мин при токе I = 180 мА.
1.4.Содержание отчета
1.Цель и содержание работы, схема лабораторной установки.
2.Таблицы, графики или фотографии экспериментальных зависимостей
Р= f(t) и Р = f(δL) для исследованных по заданию лазеров.
13
3.Пересчет с учетом чувствительности пьезокерамического корректора K = 150 В/мкм изменений прикладываемых напряжений в изменения длины δL ОР лазера № 1. Сведения о калибровке осциллографа, расчете отклонений мощности излучения δР.
4.Расчетные зависимости SP−1 = f (t) для исследованных типов лазеров.
Нестабильность мощности излучения лазера рассчитывается с помощью выра-
жения S −1 |
= ( P |
− P |
) (P |
+ P |
) по зависимостям S −1 = f (t) во вре- |
|||||
|
P |
max |
min |
max |
min |
|
|
|
|
P |
менном интервале усреднения, большем одного периода колебаний. |
||||||||||
5. |
Расчетные зависимости S −1 = f (I ) и S |
−1 = f (P |
P ) для лазера № 2. |
|||||||
|
|
|
|
P |
|
|
P |
i |
0 |
|
6. |
Расчетные зависимости S |
−1 = f |
(P |
P |
) |
для лазера № 1 в стационар- |
||||
|
|
|
|
|
P |
i |
0 |
|
|
|
ном тепловом режиме.
7.Подписать протокол исследования и выключить установку в присутствии преподавателя.
8.Выводы.
2.ИССЛЕДОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СО2-ЛАЗЕРОВ
Цель работы – ознакомление с принципом действия, устройством и основными характеристиками технологических отпаянных СО2-лазеров с дли-
ной волны генерации 10.6 мкм.
2.1. Основные положения
СО2-лазеры, работающие в непрерывном режиме, обладают рекордными уровнями мощности излучения при КПД в десятки процентов: в отпаянных лазерах мощность излучения составляет единицы– десятки ватт; в лазерах с прокачкой активной газовой смеси – единицы– десятки киловатт. Эти уникальные свойства обусловили широкое применение СО2-лазеров в техноло-
гии для резки, сварки и размерной обработки материалов, а также в медицине. Земная атмосфера прозрачна на длине волны излучения СО2-лазеров,
что создает благоприятные условия для их использования в системах оптической связи, локации, приборах ночного видения.
Активной средой СО2-лазеров является, как правило, тройная смесь га-
зов, включающая углекислый газ, азот и гелий в соотношении 1 : 1...2 : 5...10 при общем давлении порядка 10...20 кПа. Излучающей частицей является линейная, симметричная молекула углекислого газа. Молекулы азота выпол-
14
няют функции буферного газа, гелий – вспомогательного. Лазерные уровни образованы нижними колебательными состояниями основного (нулевого) электронного уровня молекулы СО2. Энергия возбуждения верхнего лазер-
ного уровня составляет около 0.3 эВ. Близость лазерных уровней к основному состоянию молекулы обеспечивает высокий КПД активного вещества – отношение энергии кванта излучения к энергии возбуждения верхнего лазерного уровня. Его предельное значение (без учета потерь на спонтанные и безызлучательные переходы с верхнего лазерного уровня) достигает 41 %. Лазерный переход молекулы СО2 может обеспечивать генерацию на нескольких десят-
ках длин волн в области 10.6 мкм, возникающих при переходах между различными вращательными подуровнями верхнего и нижнего колебательных состояний. Конкуренция переходов, обладающих различным усилением, подавляет слабые составляющие, и в спектре излучения СО2-лазера присут-
ствует обычно одна наиболее сильная линия.
Особенностью молекул СО2 является быстрая вращательная релаксация – перераспределение частиц по вращательным подуровням данного колеба-
тельного уровня с постоянной времени порядка 10–6 с. Благодаря высокой скорости вращательной релаксации обеспечивается эффективная “ подпитка” верхнего лазерного уровня, обедняющегося при генерации, и рассасывание избыточной населенности нижнего. Этот эффект способствует росту инверсии населенностей и, как следствие, мощности излучения СО2-лазеров.
Возбуждение молекулы СО2 в разряде может происходить за счет пря-
мого электронного удара. Обеспечиваемый при этом показатель усиления κус
(линейный коэффициент усиления) составляет 10–20 % на метр длины активной среды. Увеличение эффективности возбуждения молекул СО2 дости-
гается при введении буферного газа – азота, который имеет несколько колебательных уровней возбуждения, легко заселяемых при столкновениях с электронами. Первые 6–8 уровней возбуждения N2 практически эквиди-
стантны. Они следуют друг за другом через интервалы энергии, примерно равные 0.3 эВ, совпадающие с энергией верхнего лазерного уровня молекулы СО2. При таких условиях в процессе столкновений частиц возможна каскад-
ная резонансная передача энергии от возбужденных молекул N2 невозбуж-
денным молекулам СО2, когда одна частица N2, возбужденная, например, на пятый уровень, способна в ходе последовательных столкновений перевести на верхний лазерный уровень пять молекул СО2. Введение в активную среду азота повышает инверсную населенность лазерных уровней в несколько раз.
15