Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990)

Лопуиеено Государсоиеннмм номитмпом СССР по народному обравованию в качестве учебноео пособии для студентчи приборостроителанмк спеииалыимтей вузов Ленинград "Машиностроением Ленинградское отделение 1990 ББК 31.86-5-01 К85 УДК 621.375.826 (075.8) Р е ц а н з е н т ы: д-р техн. наук проф. Е, Н. Котлнков н кафедра приборов н метадон контроля качества н лазерной техники СЗПН В учебном пособия наложены основы работы лазеров. Подробно рассмотрена работа пассавнын злементоз, приведены вероятностный метод описания пропессов н полуклассяческая теория лазеров. Основное внимание уделено описанию различных таков лазеров: газовых, жидкостных, твердотельных и полупроводниковых.

Рассмотрены приборы управления лазерным излучением, свойства лазерного излучения к нелинейно-оптические явления. 2302030400 — 012 033 (01) — 00 ББК 31.30-3-01 15ВИ 5-2!7-00899-7 © К. И. Крвслов, В. Т. Прокопенко, В. А. Тарлнаков, 1990 Крвзлов К. И. н др. К85 Основм лазерной техники: Учеб. пособие дли студентов приборостроительных нпец. вузов~К. И. Крылов, В. Т. Прокопенко, В. А. Тарлнзков. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-нне, 1990.

— 316 с.: нл. 15В51 5-217-00899-7 ПР ЕДИ СЛО ВИ Е В настоящее время многие высшие учебные заведения нашей страны ведут подготовку специалистов по оптике лазеров, квантовой электронике, применению лазеров в промышленности и технике. Это связано с тем, что, во-первых, разработка физических 'основ работы лазеров является предметом многих самостоятельных направлений в физике и технике, таких, как нелинейная оптика, когерентная оптика, квантовая электроника, адаптивная оптика, лазерная спектроскопия, теория резонаторов, термоядерный синтез и другие.

Во-вторых, современные достижения лазерной техники позволяют создавать высокоэффективные приборы и системы на основе лазеров, используемые во всем мире в самых различных областях промышленности. Лазеры применяются при обработке и сварке металлов, полупроводников, раскрое тканей, хирургических операциях, в медицине, системах связи, локации, оптоэлектронике и других областях. Полный перечень занял бы ., много места и вряд ли был полным, поскольку области применения лазеров постоянно увеличиваются. Несмотря на широкое внедрение различных аспектов лазерной оптики, техники и технологии в учебные планы и программы подготовки специалистов, в СССР не издавались учебные пособия , по основам лазерной техники.

Исключением является «Курс лекций по квантовой электроникеэ Н. В. Карлова, выпущенный издательством «Наука» в 1983 году. Этот курс состоит из двух частей. В первой части рассматриваются физические основы квантовой электроники, а во второй — активные среды наяболее распространенных лазерных систем. Изложение основ лазерной техники, включающих описание пассивных элементов лазеров, способы измерения параметров лазерного излучения, рассмотрения приборов управления излучением лазеров, применение лазеров, практически ие затронуто в этом курсе.

Кроме того, часть материала к настоящему времени фактически устарела, Также следует отметить, что составители программ курсов, читаемых по основам лазерной техники в вузах страны, вынуждены пользоваться в основном переводной литературой, в которой отечественная лазерная техника освещена слабо. В связи с этим появилась необходимость написания краткого учебного пособия по лазерной технике, в котором в сравнительно простой, но в достаточно строгой форме были бы изложены основные прияципы работы лазеров, рассмотрены основные их типы и режимы работы, основные свойства излучения, приборы управления лазерным лучом, а также возможности применения лазеров. ~ ° 3 В основе курса лежит ряд учебных программ Ленинградского инзтитута точной механики н оптики, читаемых на протяжении ряда лет студентам и слушателям повышения квалификации, получающим образование по профилю оптических специальностей.

Курс рассчитан на подготовленных читателей. Для его понимания требуется звание курса общен физики и дополнительных курсов по оптике и физике по программам технических вузов. Дело в том, что лазерная техника зародилась на основе квантовой теории излучения, радиофизики н классической оптики, содержание которых составило основной ее фундамент.

Дальнейшее развитие потребовало включения в этот перечень необходимых сведений из области строения вещества и взаимодействия излучения с веществом. Все это привело к необходимости того, чтобы приступающий к изучению лазерной техники уже обладал знаниями, превосходящими содержание общего курса физики, обычно излагаемого в технических вузах. Поэтому вузы, осуществляющие специализированную подготовку в области лазерной техники, предусматривают изучение некоторых разделов теоретической физики, включающих в себя электродинамику, статистическую физику, квантовую механику и физику твердого тела. Прн ознакомлении студентов с лазерной техникой в неспециализированных вузах, з таких, как приборостроительные, зти разделы теоретической физики студентам не излагаются.

Поскольку предполагается, что данное учебное пособие будет использоваться и студентами зтнх вузов, возникла необходимость непосредственного включения некоторых основных положений таких разделов, как электромагнитная теория света, зонная теория полупроводников, элементарные процессы при электрическом разряде в газах, н других„ органически связывая нх изложение с рассмотрением вопросов, яепосрелственно относящихся к лазерам.

Эти разделы по возможноств представлены в объеме, не загромождающем учебное пособие излишним материалом, но в то же время необходимом для углубленного понимания процессов в лазерах и при нх применении. Материал учебного пособия может быть использован в качестве самостоятельного курса по основам лазерной техники. Части материала могут быть включены а специализированные курсы по оснонам физики лазеров н кван~овей электроники, читаемых студентам старших курсов, аспирантам и научно-техническим работникам, специализирующихся в области лазерного приборостроения, разработки лазерных систем н оптики.

Авторы выражают глубокую благодарность коллегам, принявшим участие в обсуждении учебного пособия, в процессе которого были высказаны полезные советы, а также техническому нерсоналу„оказавших большую помощь в оформлении руконнсн. Авторы заранее благодарны всем, кто пришлет свои замечания, советы и пожелания по адресу; 191065, Ленинград, ул. Дзержинского, 10, Ленинградское отделение нзд-ва ~Мзшнностроеннез. вввдвнив в квйнтовж элвктронику Глава1 хь опонтднкоБ к выкуждннноБ ИЗЛУЧБНИБ Все окружающие иас тела состоят из элементарных частиц (атомов) или из групп определенным образом объединенных атомов (молекул).

Любая молекула состоит нз совокупности электронов и атомных ядер, движение и взаимное расположение которых определяют значение внутренней энергии молекулы. Каждый атом или молекула может обладать различными, ио вполне определенными значениями энергии„т. е. находиться в том или другом энергетическом состоянии. Иначе говоря, их внутренняя энергия квантоваиа„вели построить диаграмму, откладывая по вертикали значение энергии атома *, то каждому значению его энергии будет соответствовать свой уровень.

н диаграмма состояний атома будет представлена рядом вполне определенных дискретных энергетических уровней. Одним из методов нахождения возможных значений энергии является решение уравнения Шредингера Ььр +-"-„~~ (Š— (У)~р = О, (1.1) где Š— полная энергия частицы с массой т, находящейся в силовом поле с потенциальной энергией (1, являющейся функцией координат; Ь вЂ” постоянная Планка, равная 6,625.10-ее Дж/с; ф — волновая функция координат н времени, непрерывная, конечная и однозначная во всех точках пространства. При этом оказывается, что решения уравнения (1.Ц могут быть только при определенных значениях энергии Е, и избранных функциях ьро Возможные значения энергии обычно называются собственными значениями энергия, а соответствующие нм функции — собственными функциями.

Величина ффе = )фв! определяет вероятность нахождения частицы в данной точке пространства. Например, для частицы, движущейся в параболической потенциальной яме (линейный гармонический осциллятор), возможные знзчеяпн энергий, найденные нз решения уравнения (1.1), отличаются друг от друга на одну и ту же величину ЛЕ (рис. ! .1).

Волновые же функции ьр, соответствующие различным значениям энергии, существенно различны. Диаграмма ее состояний представляется рядом вполне определенных дискретных, эквиди- Р " " * " Р ' " ГР г" Е. наложенное, если не судет сделано сиецнальныт оговорок, относится также н н молекуле. » Уравнение Шредингера для самого простата атома водорода, состоящего нз протона в одного электрона, находящегося а поле ядра, ввиду того что в данном случае (/ = — е'/г, имеет следующий вид: »'Е Ь»Р+ ЗЯ;е ~Е + "" ) тР 0 (1,2) Простейшим решением (1.2) являет. ся тр (г) = е — ", где а = пт»е//тт, при з — Е, =гпе"/(2Ь»).