Лазерная техника

В курс включены основные наиболее эффективные лазерные технологии, связанные с обработкой материалов, активизацией поверхностей, сваркой, прошиванием отверстий и т.п.

 

Задачи изучения дисциплины.

 

В результате изучения дисциплины “Лазерная техника и технология”  студент должен:

- ознакомиться с терминологией,  необходимой для понимания прогресса  в лазерных технологиях и применениях лазеров,

-научиться по функциональной  схеме лазерного источника определять  назначение каждого отдельного  компонента схемы:

- освоить основные  физические и теоретические принципы, необходимые для понимания работы  лазеров,

-изучить типы лазеров, источники накачки и оптические резонаторы,

-приобрести навыки  в подборе оптических систем, обеспечивающих управление параметрами  лазерного излучения,

-изучить области применения  лазеров и тенденции в развитии  лазерной техники - лазеров будущего.

 

Место курса в учебном процессе.

 

Дисциплина “Лазерная  техника и технология” дает общие  знания о лазерах, методику построения измерительных приборов на базе лазеров, используемых для точных измерений  физических величин, для получения  объемных изображений предметов, в системах контроля, связи и энергетики. Она базируется на ранее изученных курсах “Высшая математика”, “Физика”, “Основы метрологии”, “Прикладная оптика”, “Электронные оптические приборы” и является основой для освоения курса по специализациям  “Контрольно-измерительные приборы и системы” и “Приборы и системы таможенного, экспортного и импортного контроля”, а также для выполнения дипломного проекта.

Следует отметить, что  лекционный материал охватывает только ключевые вопросы дисциплины, основное же изучение материала должно проводиться студентом самостоятельно.

 

 

ВВЕДЕНИЕ.

[1] , с.3-5, или [7], с.9-65

 

Оптические приборы  или оптические измерительные системы  на основе лазеров являются основной или вспомогательной частью большинства  измерительных  приборов самого разнообразного назначения.  Студенту необходимо проанализировать исторический путь развития и создания лазеров, разобраться в уникальности свойств лазерного излучения, следует ознакомиться с возможностями лазерных источников света в измерительных системах. Ознакомиться с терминологией, необходимой для понимания процессов, происходящих в лазерах.

 

Вопросы для самопроверки.

1. В чем уникальность  лазера как оптического прибора?

2. Кто является создателем  первого отечественного и зарубежного  лазеров?

3. Как переводится на русский язык аббревиатура “LASER”?

 

 

2.1. ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

[8],с.9-19,  или  [6],с.12-55.

 

Этот раздел содержит информацию о свойствах лазерного  излучения таких, как чрезвычайная яркость и направленность. Другая необычная характеристика - эффект мерцания или пятнистая структура отраженного от шероховатой поверхности лазерного света, что связано с высокой степенью когерентности. Кроме того, лазерное излучение обладает чрезвычайной монохроматичностью и имеет высокую степень поляризации.

Для того чтобы разобраться  в свойствах лазерного излучения, студент должен изучить основы волновой теории света, общепринятые единицы  измерения оптических частот и длин волн, ориентироваться в спектре  электромагнитного излучения. Изучить  принцип Гюйгенса и явление дифракции. Для того чтобы уметь измерять параметры электромагнитного  излучения, необходимо овладеть радио- и фотометрическими физическими величинами и их размерностью. При изучении пятнистой структуры студент должен восстановить знания об интерференции света и разобраться в одном из замечательных свойств лазера - временной и пространственной когерентности. (Видоизмененный опыт Юнга, интерферометры Фабри-Перо и Майкельсона). Изучение видов поляризации лазерного излучения должно сопровождаться знаниями о возможностях преобразования поляризации.

 

Вопросы для самопроверки.

 

1. Какую частоту имеет  электромагнитное излучение, если  длина волны l = 1м? Какую длину волны имеет электромагнитное излучение, если частота n = 110 Ггц ?

2. Выражение для бегущей волны имеет вид :  у = 5Sin(6 p t - 10p x)

х -выражено в  сантиметрах, t - в секундах. Определить амплитуду, частоту, длину и скорость распространения  волны.

3. Луна находится на  расстоянии 400000 км от Земли. Определить  площадь поверхности, освещаемой  лазером с расходимостью пучка 1 мрад, 1 мкрад.

4. Какова длина когерентности  излучения с   l =500нм и шириной полосы 1м ? Найдите ширину полосы, при которой длина когерентности составляет  1 м.

5. Чему равен угол  Брюстера для окна лазера, изготовленного  из плавленного кварца (n =1,462), стекла (n =1,523) и пластмассы (n=1,421)?

 

2.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ  ЛАЗЕРА. АКТИВНАЯ СРЕДА.

[5],с.16-25,   [1],с.7-21, [4], с.3-56.

 

Для работы большинства  лазеров требуется выполнение трех условий. Необходима прежде всего активная среда.  Во-вторых, должна быть  реализована так называемая инверсная населенность. И, в третьих, лазерная генерация возможна при наличии в лазерной системе обратной положительной связи. Если обратная связь отсутствует, то лазер работает как усилитель света в узком диапазоне частот. Для изучения этих трех главных условий и принципов, лежащих в их основе, студент должен изучить дискретные энергетические состояния атома и переходы между ними, квантовые числа, правила отбора и время жизни атома в возбужденном состоянии.

На двухуровневой физической модели изучить механизмы спонтанного  излучения, вынужденного поглощения и  вынужденного излучения, соотношения  Эйнштейна для трех механизмов, научиться  определять и рассчитывать коэффициенты усиления слабого сигнала, изучить закон Бэра, соотношение для отрицательного поглощения и спектрального коэффициента усиления.

 

Вопросы для самопроверки.

 

1. Пусть В₁₀ =10⁹ м³/(Вт ·с^-3). Найдите значение А₁₀ и соответствующее время жизни t₁₀=1/А₁₀. Для излучения с длиной волны 600 нм(видимый диапазон), l=6 мкм (инфракрасный диапазон), l=6 нм (ультрафиолетовая область), l=0,6 нм (рентгеновский диапазон).

2. Предполагая, что  потерь в активной среде нет,  вычислить b, если интенсивность света удваивается при прохождении через лазерный усилитель, длина которого равна 1 м. Определите значение b, если увеличение интенсивности на этой же длине составляет 6%.

3. Определите необходимую  температуру, чтобы получить на  возбужденном уровне 10% полного числа  частиц, переходы на который из  основного состояния осуществляются при поглощении квантов в видимой области спектра (l = 500 нм).

 

2.3. ЛАЗЕРНАЯ  НАКАЧКА.  ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ.

[8],с.71-94,  [6],с.66-72,  [4], с.3-56.

Восстановить в памяти закон Больцмана для населенностей  энергетических уровней и изучить условия создания инверсной населенности при двухуровневой накачке, трех - и четырех уровневой схемах.

Принцип усиления света  с помощью вынужденного излучения  используется в однопроходном усилителе  света. Величина коэффициента усиления у большинства активных сред измеряется долями процента на сантиметр пути. В большинстве лазеров это ограничение обходят, применяя зеркала, которые заставляют световой пучок многократно проходить через активную среду. Студент должен изучить и уметь рассчитывать коэффициент усиления при двухкратном прохождении резонатора. Разобраться каким образом происходит формирование пучка в резонаторе, какие существуют типы резонаторов, в чем заключается условие устойчивости резонатора.

 

Вопросы для самопроверки.

 

1. Для двух зеркал с заданными радиусами кривизны r₁ =50 см и r₂=100см вычислите расстояние между зеркалами L, при котором они образуют оптический резонатор “на грани устойчивости”.

2.Какой радиус кривизны  имеют зеркала резонатора Фабри-Перо?

3.Какую форму имеет  сечение пучка лазерного излучения в телескопическом резонаторе? В резонаторе Фабри-Перо?

 

2.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ  ЛАЗЕРНОГО   ИЗЛУЧЕНИЯ.

[6],с.82-104,   [8],с.288-314, [23],с.3-222.

 

Для создания лазера необходимо иметь активную среду с инверсной  населенностью и оптический резонатор, обеспечивающий положительную обратную связь между полем излучения и активной средой. Важной проблемой является уяснить, каким образом определяют временные, пространственные и спектральные характеристики лазерного излучения. В этой связи студенту необходимо изучить механизм уширения линий поглощения и излучения, Доплеровское столкновение, радиационные, однородные и неоднородные уширения. Лазерный резонатор играет большую роль в формировании спектра излучения лазера и лазерных мод - собственных типов колебаний оптического резонатора. Студент должен научиться анализировать модовый состав лазерного излучения. Получив представление о модах лазера, необходимо рассмотреть такие вопросы, как скорость накачки, колебания значения коэффициента усиления, выходная мощность в стационарном и пичковом случаях.

Необходимо также рассмотреть  механизм насыщения усиления в лазерах  с однородным и неоднородным уширением  линии излучения, а также выгорание  провалов.

 

 

 

 

Вопросы для самопроверки.

1. Сравнить доплеровское уширение линии лазера на СО₂ с l =10,6 мкм и линии неона с l = 0,633 мкм, считая температуру разряда в лазерах равной 400 К.

2.Оптический переход  атома характеризуется частотой 5х10¹³ Гц и временем жизни t = 1/g. Сколько полных колебаний совершит атом, прежде чем запасенная энергия упадет до уровня 1/е?

3. Найдите частотный  интервал между модами тем₀₀  и Тем ₀₁ с одинаковыми значениями q, если L=40 см, R₁ и R₂= 100см.

 

 

2.5. УПРАВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ  ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

[6], с.105-120,   [5],с.316-353,   [21], с.3-77,   [22],с.3-63

 

 

Излучение реального  лазера имеет довольно сложную структуру. Спектр излучения может содержать  большое число дискретных частот: ход генерации во времени может  выглядеть как последовательность нерегулярных пичков. В большинстве традиционных задач эти временные и спектральные характеристики являются вполне приемлемыми. Вместе с тем, часто возникает необходимость внести в конструкцию лазера те или иные изменения, чтобы получить излучение с новыми необходимыми параметрами. Поэтому студент должен знать, каким образом и с помощью каких устройств можно управлять характеристиками лазерного излучения. Прежде всего необходимо изучить возможность использования внутрирезонаторных элементов, а именно: призма, дифракционная решетка, фильтр, диафрагма (селекция мод), модулятор добротности. В проблеме модуляции добротности необходимо изучить оптико-механический метод модуляции с использованием электрооптических и акустооптических затворов, изучить метод пассивной модуляции добротности. В задачах получения лазерных импульсов с большой мощностью и малой длительностью необходимо изучить методы активной и пассивной синхронизации мод. Необходимо также изучить простые элементы прикладной оптики, которые позволяют разделить пучок лазерного излучения на два пучка (светоделительное зеркало), изменить направление лазерного излучения (отражательное зеркало), управлять расходимостью (телескоп), сфокусировать, расширить пятно, сформировать в виде плоскости лазерное излучение (положительная, отрицательная и цилиндрическая линзы.)

 

Вопросы для самопроверки.

 

1. С какой целью  в лазере обеспечивается режим  модуляции добротности?

2. Объясните механизм  пассивной синхронизации мод.

3. Полный угол расходимости  рубинового лазера составляет 10^-4 рад, а диаметр лазерного луча - 1 см. Во сколько раз измениться расходимость пучка лазера, если его пропустить через телескоп с апертурой 400 см? Определить размер пятна излучения, вышедшего из телескопа.

 

2.6. ТИПЫ ЛАЗЕРОВ.  ГАЗОВЫЕ  ЛАЗЕРЫ.

[2],с.3-252,  [3],с.7-221.

 

В этом разделе дисциплины студент должен изучить строение лазера, его функциональную и оптическую схемы, знать назначение каждого  узла лазера. Учитывая, что число  различных лазеров и материалов, в которых была получена генерация  вынужденного излучения, достигает больших величин, студенту необходимо ограничиться знанием наиболее распространенных типов лазеров: газовых, твердотельных, жидкостных лазеров на красителях и полупроводниковых лазеров. В зависимости от природы активной среды необходимо изучить атомарные, ионные и молекулярные лазеры, а именно: лазер на Не-Ne, аргоновый лазер, He-Cd и He-Se лазеры, СО₂ лазер, N₂ - лазер.

Необходимо разобраться  в схемах энергетических уровней, в  излучательных и безизлучательных переходах, в источниках питания  газовых лазеров и особенностях оптических резонаторов. Знать длины волн излучения указанных лазеров, их основные характеристики.

 

Вопросы для самопроверки.

 

1. Перечислите типы  газовых лазеров и укажите  длину волны лазерного излучения,  режим излучения (непрерывный, импульсный).

2. Какие активные среды  используются в молекулярных  газовых лазерах, атомарных и  ионных лазерах?

3. Перечислите газовые  лазеры, работающие в непрерывном  и в импульсном режимах. Укажите  их основные энергетические характеристики.

 

 

2.7. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ.

[6],с.143-150,  [10],с.186-189,  [4],с.3-56.

 

Необходимо изучить  активные среды, которые применяют  в твердотельных лазерах, а именно: лазер на гранате, рубине, александрите. Изучить функциональные схемы этого  типа лазеров с накачкой импульсными лампами, с когерентной накачкой. Разобраться в схемах энергетических уровней, лазерных переходах и резонаторах. Студент должен знать длины волн лазерного излучения и их основные энергетические характеристики, режимы работы твердотельных лазеров.

Необходимо ознакомиться с полупроводниковыми лазерами, электронными свойствами твердых тел, диаграммами энергетических зон, схемами энергетических уровней полупроводников n и p -типов. Изучить физические принципы излучения p-n перехода и характеристики Ga As -лазера.