Лазерная техника

 

Вопросы для самопроверки.

 

1. Назовите основные  твердотельные лазеры, использующие  активные среды и способы накачки  активных сред.

2. Чем отличается когерентная  накачка твердотельного лазера  от накачки импульсными лампами.?

3. Нарисуйте функциональную схему лазера ИАГ: Nd³⁺, укажите основные узлы лазера и их назначение.

4. Укажите длины волн  излучения лазеров на гранате  и рубине.

5. Рассчитайте энергию  фотона лазеров на гранате  и рубине.

6. Свет  с длиной  волны  l=900 нм, пройдя через щель шириной а=6мкм, дифрагирует на угол q, такой что Sinq =  l/a. Определить расходимость лазера на GaAs и сравнить с расходимостью лазера на ИАГ: Nd³⁺.

 

2.8. ЖИДКОСТНЫЕ  ЛАЗЕРЫ.  ЛАЗЕРЫ  НА  КРАСИТЕЛЯХ.

[8],с.230-237, или   [14],с.3-129

 

В этом разделе необходимо обратить внимание на спектральные характеристики поглощения, пропускания и флуоресценции этанольных растворов органических красителей: кумаринов, родаминов и оксазинов. Изучить типы основных активных сред на их основе и диаграммы уровней лазеров на красителях. Обратить внимание на то, что все лазеры на красителях накачиваются оптическим путем с помощью импульсных ламп и когерентных источников света, что эти лазеры являются перестраиваемыми с помощью частотно-селективных элементов дисперсионных призм, дифракционных решеток или двоякопреломляющих фильтров. Изучить возможности внедрения органических красителей в полимерные матрицы (полиметилметакриалит, эпоксиполимеры и т.п.) с целью получения твердотельных лазеров на красителях. Необходимо знать варианты накачки лазеров на красителях: продольный, квазипродольный и поперечный. Особый интерес представляют широкополосные лазеры и лазеры с распределенной индуцированной обратной связью (РОС-лазеры). Изучить возможность “свипирования” длины волны излучения на основе РОС-генерации.

 

Вопросы для самопроверки.

 

1.Укажите типы органических  красителей, обеспечивающих стимулированное  излучение в синей, зеленой,  желтой, оранжевой и красной областях  спектра.

2. Нарисуйте схему  лазера на красителях с поперечной  когерентной накачкой от ИАГ: Nd³⁺ - лазера с удвоенной частотой. Укажите тип активной среды,  которую можно накачать излучением, имеющим длину волны накачки: l₁ =532нм и l₂ = 337нм.

3. Нарисуйте функциональную  схему РОС-лазера с “активной  призмой” и “активным катетом”. Рассчитайте длину волны излучения РОС-лазера, активная среда которого содержит твердый раствор родамина 6Ж, если  l_нак =532 нм, показатель преломления активной среды и “активного катета” равны n _акт.ср. =n_{акт .кат}.  Угол падения излучения накачки q = 45⁰. Каким должен быть угол падения излучения накачки, чтобы обеспечить длину волны генерации  l₁ = 585 нм, l₂ = 560 нм и l₃ =110 нм?

4. С помощью каких  дисперсионных элементов можно  обеспечить непрерывную перестройку  частоты лазера на красителях?

 

 

2.9. ЛАЗЕРЫ С НЕТРАДИЦИОННЫМИ СПОСОБАМИ             НАКАЧКИ.

[6],с.171-174,  [15],с.3-182,  [23],с.3-222,  [16],с.3-201,  [17],с.3-173,

[18], c.3-606, [19] ,с.3-275.

 

Этот раздел предназначен для студентов, которые свою будущую  научную деятельность направят на глубокое изучение и развитие лазерной техники. В настоящее время, наряду с глубокими исследованиями по нелинейной оптике, продолжаются работы над созданием совершенно новых типов лазеров, новых источников накачки, поиска новых областей применения лазеров. Внимательно изучив предшествующий материал, нетрудно прийти к выводу, что несмотря на разнообразие существующих лазеров, используемые  активные cреды, как правило, имеют малые объемы, что не позволяет запасти значительное количество энергии перед импульсом излучения.

Одним из важных направлений  является создание лазеров, имеющих  большой (сотни килограммов и  выше) объем активной среды,  например, сконструированных в виде цилиндрических и сферических оболочек, секционированных лазерными модулями. В сферических  оболочках увеличение радиуса оболочки в 10 раз приводит к увеличению объема активной среды в 10³ раз.

На базе таких лазеров  могут быть созданы инжекторы  газовой плазмы, термоядерной плазмы, плазмодинамические мощные лазеры.

Для создания матричных  лазеров и обеспечения инжекции плазмы необходимо также разработать кумулятивные мишени, обеспечивающие разброс продуктов сферического сжатия вещества в виде кумулятивных струй.

Другим важным направлением в лазерной технике является разработка рентгеновских лазеров - источников когерентной генерации длинноволнового рентгеновского излучения (l =10^-9 - 10^-10 м).  Здесь возникают две важные проблемы:отсутствие отражателей, пригодных для резонаторов в области длинноволнового рентгеновского излучения, и трудности в поисках источника накачки таких лазеров вследствие крайне короткого (t = 10^-15с) времени жизни рентгеновских переходов.

До настоящего времени  известен один источник накачки, удовлетворяющий  требованиям для рентгеновского лазера, - световая составляющая ядерного взрыва ( Эдвар Теллер, США)

Перспективными направлениями  является разработка твердотельных  и жидкостных лазеров с нетрадиционной накачкой, использующих оптическую составляющую процессов быстрого горения пиротехнических  смесей, процессов взрыва, обеспечивающих генерацию ударных волн и использующих излучательные способности инертных газов на фронте ударной волны.

Дальнейшее развитие лазерной техники не ограничивается перечисленными проблемами. Диапазон проблем чрезвычайно широк: от маломощного  лазера с качающейся частотой до сверхмощных лазеров, обеспечивающих инерционное удерживание термоядерной плазмы в лазерных термоядерных электростанциях, от использования лучистой энергии Солнца для накачки активных сред, содержащих атмосферу различных планет,  например Венеры, до создания фотонных ракетных двигателей.

 

Вопросы для самопроверки.

 

1. Назовите температуру  на поверхности Солнца, температуры  горения циркония в кислороде,  дициана в кислороде.

2. В чем заключаются  основные принципы конструирования  матричных лазеров в виде сферических оболочек?

3. Перечислите основные  идеи лазерного термоядерного  синтеза с инерционным удержанием  термоядерной плазмы. В чем заключается  кумулятивный разброс продуктов  сферически сжатой мишени?

4. Рассчитайте энергию,  запасенную перед импульсом излучения в сферическом лазере, активная cреда которого выполнена из ИАГ: Nd³⁺, длина волны генерации l=1064нм, инверсная населенность N =0,8N₀/2,  N₀ =10¹⁹част.см³, радиус оболочки R=10см.

5. Рассчитайте, какую  мощность должен иметь источник  накачки рентгеновского лазера, чтобы перевести один атом с основного состояния в возбужденное. При расчете учесть, что длина волны излучения l=10^-10 м, время жизни возбужденного уровня t=10^-15 и n = с/l, где с-скорость света, равная 3х10⁸ м/с, n - частота излучения.

 

 

 

 

2.10. Технологические лазеры.

[6],с.226-250,   [12],с.3-158,   [19],с.30103,   [20],с. 3-29.

Способность концентрировать  большую мощность (или энергию) на малой площади материала способствовала широкому применению лазеров в промышленности. В этом разделе студент должен изучить задачи, связанные с конструированием лазеров, имеющих большой объем активной cреды, достигаемый за счет использования задающего генератора и многокаскадной системы дисковых усилителей на неодимовом стекле. Рассмотреть вопросы, связанные с синхронизацией мод и модуляцией добротности в технологических лазерах, вопросы фокусировки лазерных пучков.

 

Вопросы для самопроверки.

 

1. Рассчитайте плотность  мощности излучения СО₂ - лазера, имеющего мощность излучения 10 мВт, которое фокусируется на площадь 30х10^-6  см ².

2. Какие многоканальные  установки вам известны? Назовите  области их применения, тип лазерного  материала, используемого в задающих  генераторах, в квантовых усилителях. С чем связано увеличение диаметра  лазерного элемента каждого последующего усилителя по сравнению с предыдущим?

 

2.11. ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.

[9],с.3-135,   [17],с.3-606,   [11],с.3-171,   [18],с.3-275.

 

Успешное применение лазеров зависит не только от выбора лазерной системы и геометрии  фокусировки лазерного пучка, но и от знания свойств материала, который требуется подвергнуть обработке. Наиболее полезными данными являются коэффициенты поглощения и отражения материала в зависимости от длины волны лазерного излучения, теплопроводность и удельная теплоемкость. Указанные характеристики можно найти в соответствующих справочниках. Если же таковые отсутствуют, то необходимо провести серию испытаний с целью получения нужной информации. Кроме того, студент должен изучить три механизма взаимодействия лазерного излучения с веществом: нагревание, плавление и испарение.

Области применения лазеров  настолько велики, что каждая из них представляет отдельный интерес  и требует самостоятельного изучения.

Вместе с тем, изучение дисциплины предполагают, что студент  должен иметь представление об основных направлениях использования и развития лазерных технологий, а именно: термообработка материалов, связанная с задачами закалки и отжига, задачами обнаружения внутренних напряжений и обеспечения процессов их релаксации, обработка поверхностей деталей перед нанесением лакокрасочных покрытий, активация поверхностей деталей при их склеивании с целью увеличения адгезионной прочности.

Отдельным направлением является возможность использовать лазеры в таких технологических  процессах, как пайка, сварка, резание материалов и прошивание отверстий.

Особый интерес представляет использование лазеров для измерения  линейных и угловых перемещений, точной юстировки элементов прикладной оптики и электронно-оптических приборов, в системах оптической связи, голографии и медицине.

Особо важным направлением является использование лазеров  для инициирования реакций термоядерного  синтеза с целью получения  электрической энергии в неограниченных количествах.

 

Вопросы для самопроверки.

 

1. Какие механизмы  взаимодествия лазерного излучения с веществом вам известны? Какие механизмы используются при прошивании отверстий?

2. В чем заключается  физическая сущность процесса  активизации поверхности лазерным  излучением?

3. Объясните основные  идеи лазерного термоядерного  синтеза с инерционным удержанием плазмы?

4. Какие свойства лазерного  излучения позволили разработать   метод получения объемных изображений  предметов-метод оптической голографии? За счет записи какого параметра  лазерного излучения достигается  объемность изображения?

5. Какие методы лазерной  спектроскопии вам известны? В  каких задачах эти методы получили  наибольшее распространение в  области экологии, в области контроля  состава веществ и их концентрации?

6. Какие проблемы в  медицине нашли свое решение  за счет использования лазеров: в офтальмологии, хирургии, терапии?

 

 

3. Задания на  контрольную работу

 

Контрольная работа состоит  из пяти задач, которые включают основные элементы расчета лазерных систем и  параметров лазерного излучения: задача 1 - содержит расчет частот электромагнитных волн и расчет энергии квантов для различных лазеров, задача 2 - расчет параметров лазерного излучения с учетом расходимости лазерного пучка, задача 3 - расчет величины коэффициента квантового усиления, задача 4 - расчет мощности лампы накачки твердотельного лазера, задача 5 - расчет спектральной яркости  He - Ne лазера  и сравнение со спектральной яркостью Солнца.

 

Задача 1.

[ 5 ] ,  с. 13 -16,     [ 6]. с. 12-20

Вычислить частоту электромагнитных волн в герцах и энергию фотона в джоулях для излучения различных типов лазеров, если известно длина волны лазерного излучения. Указать цвет лазерного излучения.

 

                                                                                                   Форма

NN п.п	Тип лазера	Длина волны нм	Частота, Гц	Энергия, Дж	Цвет лазерно го излучения
1	2	3	4	5	6
1	N2	337,1
2	Аr2	448  и 514.5
3	He-Ne	632,8
4	Nd3+	1064 532
5	CO	5300
6	CO2	9600 10600
7	РЖ+эт.	575
8	Ок.17+эт.	623
9	Сr3+	694,3