Название: Лазерная обработка материалов - Методические указания (Б.А. Красильников, Х.М. Рахимянов)

Жанр: Технические

Просмотров: 1145


Лабораторная работа № 1

  ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ (ЛАЗЕРЫ)

 

Квантовые генераторы, так же как и радиочастотные, являются источником излучения, возбуждаемого непосредственно в нем. Поэтому оптический квантовый генератор, или лазер, является автоколебательной системой с положительной обратной связью, генерация электромагнитных колебаний в которой происходит за счет когерентного усиления в результате индуцирования квантовых переходов.

Необходимая для генерации обратная связь осуществляется в лазере за счет помещения рабочей среды в объемный резонатор, в котором возможно возбуждение согласованной со свойствами среды стоячей электромагнитной волны. Схема лазера, состоящего из двух необходимых компонентов – активной среды и резонатора – представлена на рис. 1.1.

Рис 1.1. Принципиальная схема квантового генератора

 

Обладающая инверсной заселенностью рабочая среда I обеспечивает возможность усиления колебаний за счет процессов вынужденного колебания. Резонатор, состоящий условно из одного плоского непрозрачного зеркала 2 и параллельного ему частично пропускающего резонансное излучение плоского зеркала 3 с прозрачностью , обеспечивает раскачку колебаний с частотами в пределах ширины линии усиления активной среды и вывод части возбуждаемой электромагнитной волны наружу. Пусть свойства заполняющей резонатор активной среды длиной  описываются, как обычно, параметрами , а резонатор помимо прозрачности  характеризуется расстоянием между зеркалами и общими внутрирезонаторными потерями . Источником возникновения генерации в лазере является спонтанное излучение возбужденных активных частиц. Кванты, проходя через активную среду, вызывают процессы вынужденного испускания, приводящие к когерентному усилению соответствующих этим квантам электромагнитных волн. При ограниченных поперечных размерах среды и зеркал резонатора максимально усиливаются кванты, распространяющиеся вдоль оптической оси. В этом случае, если усиление электромагнитной волны за один полный проход резонатора  превышает ее ослабление за счет выхода через полупрозрачное зеркало  и внутрирезонаторных потерь , в резонаторе возникают и стационарно поддерживаются колебания электромагнитного поля. Коэффициент усиления среды , при котором это происходит, называется пороговым и определяется соотношением

,

являющимся математическим выражением условия восполнения потерь излучения за счет вынужденных переходов. Значение порогового коэффициента усиления с учетом того, что, как правило, , равно

                                               .                                          (1.1)

Необходимо отметить, что в отличие от , характеризующего усиленные свойства активной среды, пороговый коэффициент усиления определяет условия стационарной генерации в конкретной ситуации и является характеристикой резонатора.

Таким образом, в том случае, если коэффициент усиления активной среды  превышает пороговый коэффициент усиления резонатора , в лазере возникает стационарная генерация и он начинает излучать электромагнитные колебания. Интенсивность излучения на выходе лазера определяется плотностью фотонов в резонаторе, движущихся в сторону полупрозрачного зеркала, и прозрачностью выходного зеркала и составляет

                                                   (1.2)

Твердотельные активные элементы состоят из несущего материала, в который внедрены ионы, испускающие излучение. Известны три чаще всего используемых кристалла: окись алюминия, легированного ионами хрома (рубин); стекло с неодимом (Nd:glass) и ИАГ. Основные свойства лазеров определяются легирующими ионами, в то время как многие из практических свойств зависят от материала носителя. Рубин излучает в видимой области спектра на длине волны 694 нм, неодимовые активные элементы работают в области 1060 нм, точнее, длина волны определяется в зависимости от материала носителя.