close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Kursovaya rabota Lazer na rubine(1)

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Юго - западный государственный университет"
Кафедра Защиты информации и систем связи
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ (ПРОЕКТ)
Студент Бабик П. П. шифр 090302.65 группа БТ-11
(фамилия, инициалы) 1.Тема: "Рубиновый лазер"
__________________________________________________________________
2. Срок представления работы (проекта) к защите "__" _________ 2013 г.
3. Исходные данные (для проектирования, для научного исследования): __________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
4. Содержание пояснительной записки курсовой работы (проекта):
4.1 Принцип получения излучения 4.2 Устройство рубинового лазера
4.3 Метод модуляции добротности
4.4 Наиболее эффективные методы модуляции добротности лазера
4.5 ___________________________________________________________
4.6 ___________________________________________________________
4.7 ___________________________________________________________
4.8 ___________________________________________________________
4.9 _______________________________________________________________
4.10 ______________________________________________________________
5. Перечень графического материала (если предусмотрено заданием): __________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Руководитель работы (проекта) _____________ Гуламов А. А. ___ (подпись, дата) (инициалы, фамилия)
Задание принял к исполнению ____________________________
Содержание
Введение..............................................................................3
1 Принцип получения излучения................................................4
2 Устройство рубинового лазера ................................................6
3 Метод модуляции добротности..................................................11
3.1 Электрооптические затворы .................................................12
3.2 Механические затворы ........................................................12
3.3 Затворы на основе насыщающихся поглотителей.......................13
3.4 Акустооптическая модуляция добротности ............................13
4 Наиболее эффективные методы модуляции добротности лазера .....15
5 Применение лазеров на рубине...............................................16
Заключение..........................................................................17
Список использованной литературы............................................18
Введение.
Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Поэтому необходимо знать все преимущества и недостатки тех или иных типов лазеров. Например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. А также по цене изготовления. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.
1 Принцип получения излучения.
В 1960 г., американским физиком Т. Мейманом был запущен первый квантовый генератор оптического диапазона лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью описанного выше оптического резонатора, а инверсная населенность возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой лампы-вспышки. Рубиновый кристалл представляет собой кристалл оксида алюминия Аl2О3 с небольшой добавкой 0,05% хрома. При добавлении атомов хрома прозрачные кристаллы рубина приобретают розовый цвет и поглощают излучение в двух полосах ближней ультрафиолетовой области спектра. Всего кристаллами рубина поглощается около 15% света лампы-вспышки. Красный цвет кристаллов рубина определяется как раз наличием широких полос поглощения в синей и зеленой областях спектра. С увеличением концентрации хрома цвет кристалла меняется от бледно-розового ( 0,05% Сг3 ) до темно-красного ( 1% Сг3 ). Помимо этих полос, в рубине имеется еще широкая полоса собственного поглощения в ультрафиолетовой области при А 0,25 мкм, однако квантовый выход люминесценции для нее невелик. Квантовый выход люминесценции рубина при комнатной температуре составляет 65...70%, а при низких температурах он близок к 100%. Показатель поглощения в U- и Г-полосах накачки составляет 2..А см при оптимальном содержании ионов Сг3. Поэтому диаметр активного рубинового элемента не должен превышать 2 см. Обычно применяют стержни диаметром около 1 см и длиной около 10 см. Как правило, выращивают кристаллы, оптическая ось с которых составляет угол 90 или 60° с осью стержня. Излучение такого кристалла и соответственно лазерное излучение линейно поляризованы с вектором Е, перпендикулярным плоскости, проходящей через ось с и ось стержня. При поглощении света ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние. В результате внутренних процессов возбужденные ионы хрома переходят в основное состояние не сразу, а через два возбужденных уровня. На этих уровнях происходит накопление ионов, и при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникает инверсная населенность между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома.
В зависимости от того, между какими уровнями достигается инверсия, различают трехуровневые схемы первого и второго типов. В схемах первого типа рабочий переход заканчивается в основном состоянии (рис. 1, а), а в схемах второго типа - в возбужденном (рис. 1, б). Накачка осуществляется по возможности селективно на уровень Е3. По трехуровневой схеме первого типа работает рубиновый лазер, а по схеме второго типа - гелий-неоновый газовый лазер.
Механизм создания инверсии населенностей в трехуровневых схемах поясняет рисунок 1.
а) б)
Рисунок 1 - Трехуровневые схемы работы квантовых усилителей и генераторов первого (а) и второго (б) типов
Торцы рубинового стержня полируют, покрывают отражающими интерференционными пленками, выдерживая при этом строгую параллельность торцов друг другу.
При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущенных фотонов, и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульса равна 0,0001 с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1Дж.
Пороговое значение объемной плотности энергии накачки в зеленой - полосе рубинового лазера примерно равно 3 Дж см, При значительном превышении порога в режиме свободной генерации удельный съем энергии составляет 0,2...0,25 Дж см, а показатель усиления около 0,2 см. Основной его недостаток большие пороговые энергии накачки, что обусловлено трехуровневой схемой работы и низким КПД. Основные недостатки рубинового лазера связаны с трехуровневым механизмом его работы, что обусловлено особенностями трехвалентного иона хрома. Более удачными в этом отношении оказались ионы редкоземельных элементов, строение энергетических уровней которых позволяет осуществить работу по четырех уровневой схеме. Незаполненная 4 -оболочка редкоземельных элементов расположена ближе к ядру, чем оболочка элементов группы железа, и хорошо экранирована от внешних полей электронами. Поэтому здесь наблюдается случай слабого кристаллического поля.
2 Устройство рубинового лазера.
Лазер состоит из трех основных частей: активного (рабочего) вещества, резонансной системы, представляющей две параллельные пластины с нанесенными на них отражающими покрытиями, и системы возбуждения (накачки), в качестве которой обычно используется неоновая лампа-вспышка.
Рубиновый кристалл выращивают в специальных печах, затем полученную заготовку отжигают и обрабатывают, придавая ей форму стержня. Длина стержня колеблется от 2 до30 см., диаметр от 0,5 до 2 см. Плоские торцевые концы делают строго параллельными. Иногда отражающие поверхности наносят не на отдельные отражающие пластины, а непосредственно на торцы рубинового стержня. Поверхности торцов серебрят, причем поверхность одного торца делают полностью отражающей, другого - отражающей частично. Обычно коэффициент пропускания света второго торца составляет около 10 - 25%.
Рубиновый лазер преимущественно работает в импульсном режиме и генерирует излучение на длине волны =0,6943 мкм. Из-за возможностей получения больших импульсных мощностей, а также наличия рубиновых кристаллов высокого оптического качества рубиновый лазер и в настоящее время один из наиболее известных твердотельных лазеров.
Рубиновый стержень помещают в спиральную импульсную ксеноновую лампу, витки которой охватывают его со всех сторон. Вспышка лампы длится миллисекунды. За это время лампа потребляет энергию в несколько тысяч джоулей, большая часть которой уходит на нагревание прибора. Другая, меньшая часть, в виде голубого и зеленого излучения поглощается рубином. Эта энергия и обеспечивает возбуждение ионов хрома.
Диаграмма уровней энергии ионов Cr3+ в рубине состоит из двух наборов уровней (рис. 2.1): а) характерен для состояния иона Cr3+ со спином S=3/2, нижний уровень набора 4А2 - основное состояние Cr3+ - имеет два подуровня с расстояниями между ними 0,3 см-1.
Два верхних уровня представляют собой уровни резонансного поглощения. Они состоят из шести дублетов и вследствие неоднородности поля сильно размыты. Второй набор уровней (рисунок 1, б) соответствует состояниям ионов Cr3+ со спином S=1/2. Уровень 2Е - метастабильный, дважды вырожденный, расщеплен на два подуровня с промежутком 29см-1, уровни A являются орбитальными синглетами. Положение уровней 3F, 2Е мало зависит от неоднородностей кристалла, и они практически не имеют уширения. В результате спин - орбитального взаимодействия ионов Cr3+ c полем кристалла электронные состояния, соответствующие энергетическим уровням кристалла, сказываются смешанными состояниями. Это приводит к тому, что излучательные переходы с уровней 4F, 4F2 на 2F1 и 2Е запрещены правилами отбора для спина. Однако между этими уровнями осуществляются интенсивные безизлучательные переходы S32~(2...5)*107c-1 c огромным выделением тепла. При возбуждении оптической накачкой в полосах 4F1,4F2 изменение населенностей уровней связано со спонтанными переходами на нижние уровни, индуцированным поглощением и излучением и безизлучательными переходами. Возбужденные квантовые частицы (ионы хрома) с основного уровня 4А2 переходят на резонансно поглощающиеся уровни 4F1, 4F2. Время жизни частиц в возбужденном состоянии мало. Уровни 4F1, 4F2 вследствие спонтанного перехода частиц на основной 4А2 уровень с вероятностью А31=3*105с-1 и безизлучательного перехода с вероятностью S32=(2...5)107c-1 на метастабильное состояние 2Е быстро обедняются. Так как вероятность спонтанного переходя с уровня Е мала А21~3*102с-1, то на уровнях и возможно образование инверсии населенности частиц. При достижении порогового значения инверсии N=0,5N0 происходит спонтанное и индуцированное излучение.
Если инверсия населенностей не достигает порогового значения, то наблюдается только спонтанное излучение в виде люминесценции рубина на одной из двух узких линий R1(1=6943А), либо R2 (2=6929А) c уровней и соответственно. Квантовая эффективность в R-линиях составляет ~ 0,52. Практически рубиновый лазер излучает на R1-линии, т.к. вероятность перехода в ней выше и скорее достижимы пороговые условия. Как видно, не все энергетические состояния участвуют в процессе генерации индуцированного излучения. Поэтому с некоторой долей погрешности удобно этапы поглощения и возбуждения, создания инверсии и излучения представить в виде трехуровневой модели (рисунок 2) с соответствующими квантовыми переходами и населенностями. а) б)
Рисунок 2 - а) схема энергетических уровней и вероятностей переходов для ионов Cr3+ в рубине при температуре Т=4,2 К; б) расчетная схема энергетических уровней активного вещества трехуровневого лазера.
Однако при этом не учитываются наличие в рубине дуплетных состояний и второстепенных уровней, уширение уровней, т.к. принято g1=g2=g3=1. В уровень Е3 обычно включают зеленую (4F2) и синюю (4F1) полосы поглощения, играющие основную роль в возбуждении уровней и . Эти уровни характеризуются большой скоростью релаксации колебаний кристаллической решетки. Основное состояние Е1 при температуре Т=300 К можно рассматривать как один уровень вырождением g1=4. В кристалле рубина с массовой концентрацией хрома, равной 0,05%, при температуре Т=300 К вероятность безизлучательного перехода составляет около 2*107с-1, а время жизни квантовых частиц в метастабильном состоянии равно приблизительно 3*10-3с. Если проводить накачку световым потоком, параллельным оси Z рубина, то показатель поглощения для генерации R1-линии составляет 0,4см-1, а поперечное сечение поглощения равно 2,5*10-20см-2 Обычно при практических расчетах рубинового лазера применяется приближенная трехуровневая модель состояний.
Рубиновые лазера, в настоящее время применяются менее широко как когда-то, поскольку они были вытеснены лазерами на основе Nd:YAG или лазеры на стекле с неодимом. Поскольку рубиновый лазер на самом деле работает по трехуровневой схеме, необходимая пороговая энергия накачки приблизительно на порядок превышает соответствующую величину для Nd:YAG лазера таких размеров. Однако рубиновые лазеры все еще широко применяются в некоторых научных и технических исследованиях, для которых более короткая длина волны генерации рубина дает существенное преимущество перед Nd:YAG.
Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней. В построенном Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина - около 5 см. Торцы стержня были отполированы и представляли собой строго параллельные друг другу зеркала (рисунок 2).
Рисунок 2 - Устройство оптического генератора на рубине:
1 - конденсатор, 2 - газоразрядная лампа, 3 - отражающий кожух, 4 - рубиновый стержень, 5 - источник питания, служащий для зарядки конденсатора 1
Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой торец покрывался таким слоем серебра, который пропускал около 8% упавшей на него энергии. В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой, которая дает свет с широкой полосой частот.
Рубиновые кристаллы имеют большую механическую прочность и высокую теплопроводность, что облегчает охлаждение кристалла.
3 Метод модуляции добротности
Метод модуляции добротности позволяет получать лазерную генерацию в виде коротких импульсов (длительностью от нескольких наносекунд до нескольких десятков наносекунд) с высокой пиковой мощностью (от нескольких мегаватт до нескольких десятков мегаватт). Принцип работы лазера в режиме модуляции добротности состоит в следующем. Предположим, что в резонатор лазера помещен затвор. Если затвор закрыт, то генерация не может возникнуть и, следовательно, инверсия населенностей может стать очень большой. Если теперь быстро открыть затвор, то усиление в лазере будет существенно превышать потери и накопленная энергия выделится в виде короткого и интенсивного импульса света. Поскольку при этом происходит изменение добротности резонатора от низких до высоких значений, такой метод называют модуляцией добротности. При условии, что затвор открывается за время, которое является коротким по сравнению со временем линейного развития лазерного импульса (быстрая модуляция добротности), выходное излучение состоит из одиночного гигантского импульса. В случае же медленного открывания затвора в генерации может возникнуть несколько импульсов. В самом деле, энергия, накопленная в активной среде до момента полного открывания затвора, высвечивается в виде последовательных порций, каждая из которых соответствует излучению импульса. Каждый импульс приводит к тому, что усиление становится ниже мгновенного порогового значения и подавляет тем самым генерацию до тех пор, пока продолжающееся открывание затвора не приведет к уменьшению потерь в резонаторе лазера и, следовательно, не понизит порог генерации.
Для модуляции добротности наиболее широко используются следующие устройства: электрооптические затворы, механические затворы, затворы на основе насыщающихся поглотителей, акустооптические модуляторы добротности.
3.1 Электрооптические затворы.
Эти затворы основаны на электрооптическом эффекте, таком, как эффект Поккельса. Электрооптическая ячейка, основанная на эффекте Поккельса (ячейка Поккельса), представляет собой устройство, в котором при приложении к нему постоянного электрического напряжения возникает двойное лучепреломление. Величина наведенного двойного лучепреломления пропорциональна приложенному напряжению. На рисунке 3 показана схема лазера, в котором модуляция добротности осуществляется затвором, состоящим из поляризатора и ячейки Поккельса.
Рисунок 3 - Взаимное расположение поляризатора и ячейки Поккельса в резонаторе, используемых для модуляции добротности
В правой части рисунка (за штриховой линией) показано взаимное расположение вектора поляризации выходного излучения, оси поляризатора и осей, между которыми возникает двулучепреломление в ячейке Поккельса (X, Y).
3.2 Механические затворы. Слово "механический" означает, что модуляция добротности осуществляется механически, т. е. вращением одного из зеркал лазера вокруг оси, перпендикулярной оси резонатора (рисунок 4). Чтобы избежать генерации нескольких импульсов, скорость вращения зеркала должна быть очень большой. Для резонатора длиной L == 50 см требуются скорости вращения порядка 30 000 об/мин.
Рисунок 4 - Схема модуляции добротности вращающимся зеркалом.
3.3 Затворы на основе насыщающихся поглотителей. Такие затворы дают наиболее простой метод модуляции добротности. В этом случае затвор представляет собой кювету, наполненную некоторым насыщающимся поглотителем, который поглощает свет, длина волны которого совпадает с длиной волны лазерного излучения.
3.4 Акустооптическая модуляция добротности.
Акустооптический модулятор представляет собой оптически прозрачное вещество (например, кварцевое стекло для видимого диапазона и германий для ИК-диапазона), в котором с помощью пьезоэлектрического преобразователя возбуждается ультразвуковая волна. Наличие ультразвуковой волны приводит к тому, что это вещество работает как фазовая решетка. Действительно, вызываемые ультразвуковой волной деформации приводят к локальным изменениям показателя преломления вещества (фотоупругий эффект). Период такой решетки равен длине волны акустических колебаний, а ее амплитуда пропорциональна амплитуде ультразвука. Если акустооптическую ячейку поместить в резонатор лазера (рисунок 5), то при приложении напряжения к преобразователю в резонаторе возникнут дополнительные потери. Действительно, часть лазерного пучка будет дифрагировать на индуцированной фазовой решетке и выходить из резонатора. Если прикладываемое напряжение сделать достаточно высоким, то эти дополнительные потери могут привести к срыву генерации. Затем, снимая напряжение с преобразователя, мы можем снова восстановить в лазере высокую добротность резонатора.
Рисунок 5 - Схема устройства лазера, в котором модуляция добротности осуществляется акустооптическим модулятором
Рисунок 6 - Развитие импульса в лазере с модуляцией добротности, работающем в импульсном режиме
На рисунке показаны временные зависимости скорости накачки Wp, потерь резонатора у, инверсии населенностей N и числа фотонов q (рисунок 6).
4 Наиболее эффективные методы модуляции добротности лазера.
1. Одно из двух зеркал резонатора вращается вокруг оси. Потери в резонаторе будут очень высокими на протяжении всего цикла, за исключением короткого интервала времени, соответствующего параллельному расположению зеркал. Этот момент времени соответствует включению добротности.
2. Внутри резонатора имеется специальный элемент - оптический модулятор, оптические свойства которого можно изменять с помощью внешних воздействий. Наиболее часто для этих целей используют электрооптические модуляторы, работающие на основе электрооптических эффектов в кристаллах.
3. Внутри резонатора имеется насыщающийся поглотитель, т. е. вещество, показатель поглощения которого уменьшается (насыщается) с ростом интенсивности излучения. Наиболее часто здесь применяют просветляющиеся красители. Эффект просветления определяется переходом поглощающих молекул красителя в возбужденное состояние и связанным с этим уменьшением показателя поглощения.
Первый и второй методы модуляции добротности являются активными, а третий - пассивным. В последнем случае потери в резонаторе регулируются автоматически.
5 Применение лазеров на рубине.
Лазеры на рубине стали широко использоваться для специальной фотографии - голографии, после того, как удалось добиться достаточной чувствительности пленки на частоте 694 нм. Эти лазеры более удобны и для пробивки очень точных отверстий, так как с уменьшением длины волны размеры точки фокуса, ограничивающиеся дифракцией, уменьшаются. Не так давно некоторые ученые предсказывали, что рубиновый лазер скоро отслужит свой срок. Однако в настоящее время полупроводниковые приборы на арсениде галлия (GaAs) могут свариваться с тугоплавкими металлическими проводниками с помощью импульсного рубинового лазера. Процесс длится 100 нс вместо 5-30 мин, которые требуются при обычной сварке с последующим отжигом. Это важное достижение применяется в электронных системах, используемых в спутниковой связи, реактивных двигателях, геотермальных скважинах, атомных реакторах, приемниках радиолокационных станций и ракет, интегральных микроволновых цепях.
Заключение.
В лазерах этот кристалл имеет высокий порог генерации и, следовательно, низкий КПД, обычно 0,5%. Его выходная мощность также сильно зависит от рабочей температуры, что ограничивает частоту повторения импульсов величиной 10 Гц или менее. В то же время этот материал термически стоек и не боится перегрева. Однако его широкое применение ограничивает достаточно высокая стоимость специально выращенного кристалла, особенно если требуется стержень больших размеров. Поэтому рубиновые лазеры применяются, когда необходимо излучение длиной волны 694 нм или не требуется высокая энергия на выходе и КПД не играет существенной роли. Так же основные недостатки рубинового лазера связаны с трехуровневым механизмом его работы, что обусловлено особенностями трехвалентного иона хрома. Более удачными в этом отношении оказались ионы редкоземельных элементов, строение энергетических уровней которых позволяет осуществить работу по четырех уровневой схеме. Незаполненная 4 -оболочка редкоземельных элементов расположена ближе к ядру, чем оболочка элементов группы железа, и хорошо экранирована от внешних полей электронами. Поэтому здесь наблюдается случай слабого кристаллического поля.
Список использованной литературы
1. Пихтин А.Н. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники. - Москва: Высшая школа, 1983. - 304 с.
2. Звелто О. Принципы лазеров. - Москва: Мир, 1984. - 400с.
3. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - Киев: Вища школа, 1981.
1
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
129
Размер файла
267 Кб
Теги
rubine, lazer, kursovaya, rabota
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа