Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988)

ОИ ИЗДАНИЕ ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ 'ВВ 'е- 7. . СВ.Байбородин ОСНОВЫ ЛАЗЕ РН ТЕХНИКИ Допущено Министерством высшего и среднего специвльного обрвзованин УССР в качестве учебнике длв студентов высших технических учебных звведений КИЕВ ГОЛОВНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО нздхтельского Овъеднненне Евыщв шкодь 1966 Р гя ее ЕЬ Е. ~те )Т!С- ~). 'Ей ~те р ГЫ ВБК 32.88я73 Б18 УДК 521.3?5.8 (075.8) ПРЕДИСЛОВИЕ Репеизенты. кафедра оптино-элентронных приборов Московского высшего техни- ческого училища им.

Н. Э. Баумана (зав, кафедрой проф., д-р техн. наук Л. П. Лазарев); проф., д-р техн. наук Л. 3. Кр их суп о в Редахция литературы по информатике и автоматике Зав. редакцией Г. Ф. Трофим чуя 2403000000 — 012 Б й)2 11 104) 88 КУ вЂ №3 †149 †ББК 32.86яуз © Издательское объединение «Вшца школа», 1981 4«) Издательское объединение «Выша школа», 1988, с изменения»~и 1ЬВ)ь) 5 — 11 — 000011 — 5 Байбородии Ю. В. В18 Основы лазерной техники. — 2-е изд., перераб. и доп.— Кд Выща шк. Головное изд-во, 1988.— 383 с.

18 В)ь) 5 — 11 — 000011 — 5. В учебнике в сжатой форме излагаются основной математнчесяий аппарат формализма квантовой теории, вопросы ногереитности, интерференции и поляризации вынужденного излучения. Рассматриваются принцип действия, характеристики и основные процессы в квантовых приборах. Приводятся методики инженерного расчета элементов схем и конструнции различных лазеров, усилителей и устройств управления лазерным излучением. Помещен обширный материал по применению квантовых приборов в системах измерения углов, сноростей и расстояний, а также в голографии и лазерной интерферометрии, ногерентной и интегральной оптихе.

Для студентов высших технических учебных заведений. Лазерная техника развивается стремительными темпами, которые, пожалуй, можно сравнить только с развитием ядерной энергетики. Хотя со времени создания первого твердотельного лазера импульсного действия прошло немногим больше двух десятилетий, лазерное излучение в приборух квантовой электроники все шире используется как носитель ннформа11ии и инструмент физических исследований, а сами лазеры стали необходимым звеном схем и многочисленных конструкций. Роль квантовых приборов и систем в сфере народного хозяйства неуклонно возрастает. В учебнике путем тщательного отбора фундаментальных понятий, описания принципов построения и характеристик квантовых приборов и систем с единых методологических позиций представлен процесс стремительногб развития лазерной техники, Излагаемый материал соответствует программе курсов «Лазерные системы преобразования информации» и «Приборы квантовой электроники и лазерная техника» для высших технических учебных заведений.

Учебник состоит из трех разделов (основы теории лазерной техники, принципы действия и проектирования изделий квантовой электроники и применение лазерной техники в народном хозяйстве) и 17 глав, Порядок их размещения определяется требованиями логически правильного и сжатого изложения необходимого материала. Громоздкие выводы, нарушающие стройную гармонию изложения, включены либо в методики расчета, либо вынесены в лабораторный и курсовой практикумы.

Чтобы подчеркнуть основную идею изложения, использованы сведения из истории научных открытий. Зто поможет студентам успешнее овладеть основным материалом. Примеры следует рассматривать как необходимые методическне дополнения к основному материалу учебника, поскольку инженерный расчет, выполненный по предлагаемым методикам, закрепляет умение студентов применять теоретические знания к решению практических задач.

Конкретные примеры равд. 1 и 2 рекомендуется использовать в лабораторном практикуме, методики расчетов из равд. 2 и 3 — в курсовом и дипломном проектировании. Часть материала учебника написана в предположении, что студенты знакомы с элементами математического анализа, теории вероятности, линейных операторов и интегральных преобразований, сложением, умножением и диагонализацией квадратных матриц. Матричное представление, с одной стороны, дает простоту и изящность изложения ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ дпж— К»в й» (х)— Е— «в О>— ь(п ь(п— «(ы.л.в Е— ь" пь Е„, Е,„— Евык НФ Лдь и Ер— Еп йч Ьж— ~ вык Еп» «и гс, Е (г) П(ч) Ппих бв— г, г„г,— Еп Еьп— 'Н, Н (р, д, б — напряженность магнит- некоторых физических процессов и явлений и, с другой стороны, открывает возможность построения модели приборов и физических процессов и расчета их на цифровых ЭВМ.

В остальном строгий математический подход заменен более простыми, но достаточно корректными рассуждениями. В списке рекомендуемой литературы приведены те названия, которые с методической точки зрения наиболее интересны и полезны для специального изучения, хотя такой выбор, конечно, субъективен. Курс «Основы лазерной техники» тесно связан с такими учебными дисциплинами, как физические основы электронной техники, электронные цепи и сигналы, электродинамика и техника СВЧ, приборы и микроэлектронные устройства СВЧ и т.

д. Параллельно читаются курсы: «Оптоэлектроника», «Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы>. Такая взаимосвязь учебных дисциплин способствует глубокому и прочному усвоению знаний приборов электронной техники, включая квантовые приборы и лазерные системы. Во втором издании большое внимание уделено методическим вопросам курса — простоте и доступности изложения материала. Книга дополнена новыми главами о когерентных оптических процессорах и интегрально-оптических устройствах. В приложении помещен ряд часто встречающихся в инженерной практике физических констант, характеристик, нормативных и других сведений, которыми пользуются при проектировании лазерных приборов и систем. амплитуда, передаточ.

ное отношение, плошадь, линейный оператор вероятность шгоитаниого перехода диаметр зеркала, тем. пературопроводность коэффициеят Эйнштей. на скорость света расстояние до рассеивающего слоя атмосферы диаметр стержня активной среды, внутренний диаметр газоразрядной трубки внутреяний диаметр колбы лампы накачки метеорологическая дальность видимости диаметр обьектива приемной системы напряженность элекг рнческого поля уровяи энергии выходная энергия вы. нужденного излучения разностная частота биений кольцевого лазера частота «подставки» (смещение) частота генерации лазерных импульсов, частота модуляции частота переключения «подставки» полоса пропускаяия приемного тракта коэффициенты квантового усиления активной среды, на резонансяой частоте чв и за один проход излучения в ре.

зонаторе, кратность вырождения энергетических уровней ного поля, гамильтоии. ан интенсивность излучения, сила тока постоянная Больцмаиа, коэффициент теплопро водности коэффициент усиления квантового усилителя спектральный коэффициент рассеяния длина резонатора, индуктивность длина активного элемента масса свободного электрона, масса, коэффициент (глубина) модуляции целое число фазовых циклов в общем сдвиге фаз населенность ш-го уровня общее число активных атомов в 1 смв вещества число Френеля инверсия населенностей показатель преломле.

ния среды выходная мощность мощность сигнала. принятая нриемннком давление газовой смеси, импульс добротность резонатора радиус, радиус кривизны поверхности постоянной фазы усредненный коэффициент и коэффициенты отражения зеркал резонатора площадь поперечного сеченая кристалла активной среды, площадь кольцевого резонатора ВВЕДЕНИЕ Чем чв 7 иви (7„(7„„— дчн— дчр— дчг, Ьт— йулж йу (4— а (д)— Р (л) Рллв лз' ()лис' ллиф ги ги Чф Чт.л— Л— тл (л)— 2а вх () (г)— Р Рн Рв;д спектральная плотность абсолютная температура, температурное поле интервал намерения напряжение, прило. женное к кристаллу; полуволновое напряжение скорость распространения света в среде, постоянная Верде вероятность вынужден.

ного перехода, радиус сечения гауссова пучка спектральный коэффициент поглощения активной среды потери излучения суммарные,диссипативиые, дифракцнонные расходимость излучения чувствительность фотоприемника квантовая эффективность к. и. д. твердотельного лазера нормированная длина волны излучеяия, период интерференпионной картины длина волны излучения; длина волны, соответствующая резонансной частоте излучения ширина спектральной линии по половинному уровню интенсивности магнитная проницаемость среды, концентрация носителей заря.

да, уровень Ферми для электронов и дырок частота квантового перехода, резонансная частота излучения ширина спектральной ливии излучения ширина резонансной кривой резонатора полоса пропускания оптического квантового усилителя, расстояние между двумя соседнимн модами коэффициент отражения от объекта, матрица влотиости средняя продолжительность пребывании частиц на возбужденном уровне среднее квадратическое отклонение длительность импульса излучения и импульса накачки коэффициент пропускания излучения в атмосфере потери в зеркалах резонатора, коэффициент пропускания коэффициенты пропускання передающего и приемного каналов функция состояния угол поворота плоскости поляризации ширина области захвата угловая скорость вращения круговая частота излу- чения ВЛ.

Предмет, цели и роль лазерной техники в развитии народного хозяйства К настоящему времени создано большое количество квантовых приборов и различных систем с лазерами, что требует поиска путей эффективного обучения проектированию изделий квантовой электроники. В ХП пятилетке предусмотрены значительное развитие квантовой электроники я радиофизики, повышение технического уровня приборов и средств автоматизации на основе новейших достижений микро- я оптоэлектроники, а также лазерной техники в. х(вашмаяая эленхчронмна — зто современная область физики, нзучающаи взаимодействие электромагнитного излучения с электронами, входящими в состав атомов молекул твердых тел и создающая на основе этих исследований иаучяые методы для разработки квантовых устройств различного назначения.

На основе квантовой электронякя как науки быстро формируется лазерная техника, включающая в себя научные рекомендации я техняческяе решения, пря выполнении которых создаются разнообразные приборы квантовой электроники. Этя приборы генерируют электромагнитное излучение, усиливают я формируют его, а также преобразуют спектр лазерного излучения.