Отчет по лабораторной работе ОКЭ ( Отчет по лабораторной работе «Исследование временных и энергетических характеристик лазера на АИГ:Nd3+ в режиме свободной генерации»)

IID11Министерство образования и науки Российской ФедерацииФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессиональногообразования«Московский государственный технический университет2имени Н.Э. Баумана»(МГТУ им. Н.Э. Баумана)Факультет «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА» (РЛ)Кафедра «РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА» (РЛ-1)Отчет по лабораторной работе«Исследование временных и энергетических характеристик лазерана АИГ:Nd в режиме свободной генерации»по дисциплине«ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ»Выполнили:студенты группы РЛ1-83Исаев И.Д.Трубников Д.В.Абдулмуминов Р.З.Греков Р.Е.Дубовицкий Г.И.Красильников И.А.Райский С.А.Степанов А.В.Проверил:Шарандин Е.А.Москва, 2018IIDЦель работы – изучение физических принципов работы и конструкциив режиме свободной генерации, исследование2временных и энергетических характеристик лазерного излучения.11лазера на АИГ:Функциональная схема установки для изучения характеристик лазерана алюмоиттриевом гранате АИГ:представлена на рисунке 1.Рисунок 1 – Функциональная схема лабораторной установки1 – «глухое» зеркало ( ≈ 100%); 2 – полупрозрачное зеркало;3 – активный элемент; 4 – источник оптической накачки; 5 – блок питания;6 – газовый лазер; 7 – зеркало-ответвитель; 8 – фотоприемник;9 – блок питания фотоприемника; 10 – двухлучевой осциллограф;11 – фотодатчик оптической накачки; 12 – набор фильтров; 13 – генераторимпульсов; 14 – измеритель энергии; 15 – внутрирезонаторная диафрагма;16 – пассивный затвор.2резонаторлазераобразованзеркалами1и2,11ОптическийIIDОписание лабораторной установки.2закрепленными на юстировочных столиках, что позволяет производить ихточную юстировку.

Зеркало 1 имеет коэффициент отражения близкий к 1,зеркало 2 – полупрозрачное. Активный элемент лазера представляет собойкристалл алюмоиттриевого граната, легированного ионами неодима. Вдольактивного элемента по всей его длине расположен источник оптическойнакачки 4. Питание источника оптической накачки осуществляется отстабилизированного блока питания 5, имеющего возможность регулированияэнергии импульса накачки.Юстировка оптических элементов лазера осуществляется с помощьювспомогательного газового лазера 6 и заключается в обеспечении взаимногорасположения рабочих поверхностей зеркал резонатора, торцев активногоэлемента и модулятора добротности.При исследовании временных характеристик лазерного импульса частьвыходного излучения с помощью полупрозрачного зеркала 7 направляется нафотоприемник 8 и регистрируется двухлучевым осциллографом 10.

Навтором луче осциллографа регистрируется форма импульса оптическойнакачки, поступающего с датчика 11. Для устранения эффекта насыщенияфотоприемника 8 исследуемое излучение ослабляется набором фильтров 12.Синхронизацияразверткиосциллографа10симпульсомнакачкиобеспечивается подачей импульса на запуск развертки с генератораимпульсов 13.Энергия импульса лазера контролируется измерителем энергии имощности лазерного излучения 14. Для улучшения модового составаимпульса устанавливается внутрирезонаторная диафрагма.

Для получениямоноимпульсного режима в резонатор устанавливается пассивный затвор.3IIDЗависимость энергии импульса генерации от энергии накачки.11Изменяя энергию накачки, замерим энергию выходного импульса для2двух зеркал с отражением 21% и 70%. Изменение энергии накачкиосуществлялось путем изменения выходного напряженияпитания (5). Значение энергии накачки лазеранакблокарассчитывалось поформуленакгде=2,– выходное напряжение блока питания (5),= 100 мкФ – накопительная емкость.Измерение энергии излучения осуществлялось с помощью измерителясветовой энергии (14). Измеренное значение пересчитывалось в связи с тем,что часть излучаемой лазером энергии попадала в фотоприемник (8) и лишьчасть – попадала в измеритель.В таблице 1 и на рисунке 2 представлены результаты, полученные длязеркала с коэффициентом отражения 21%.Таблица 1 – Значения энергии импульса генерации при различных значенияхэнергии накачки при использовании зеркала с коэффициентомотражения 21%Дж7,227,60588,4058,829,2459,6810,125мДж0,080,2671,332,935,310,714,718нак ,вых ,нак ,вых ,Дж12,5 15,125мДж 53,393,31824,53240,550133228,73294305204IIDЗависимость энергии импульса генерации от энергии накачки при R=21%11Энергия импульса генерации, мДж2600570540510480450420390360330300270240210180150120906030Энергия накачки, Дж03691215182124273033363942454851545760Рисунок 2 – Зависимость энергии импульса генерации от энергии накачкипри использовании зеркала с коэффициентом отражения 21%В таблице 2 и на рисунке 3 представлены результаты, полученные длязеркала с коэффициентом отражения 70%.Таблица 2 – Значения энергии импульса генерации при различных значенияхэнергии накачки при использовании зеркала с коэффициентомотражения 70%Дж3,6453,924,2054,54,8055,125,4455,786,125мДж0,2270,7332,134,077,311,214,819,123,2Дж8нак ,вых ,нак ,вых ,мДж 48,910,125 12,5 15,1258111715351824,53240,550191272353444526IIDЗависимость энергии импульса генерации от энергии накачки при R=70%11Энергия импульса генерации, мДж260057054051048045042039036033030027024021018015012090603003691215182124273033363942454851545760Энергия накачки, ДжРисунок 3 – Зависимость энергии импульса генерации от энергии накачкипри использовании зеркала с коэффициентом отражения 70%На основании полученных результатов можно сделать следующиевыводы:1.

Энергия импульса генерации имеет практически линейнуюзависимость от энергии накачки.2. При использовании зеркала с коэффициентом отражения 70%пороговое значение энергии накачки, при котором возникает генерация,меньше, чем при использовании зеркала с коэффициентом отражения 21%.Это объясняется тем, что в резонаторе с большим коэффициентомотражения меньше потерь, связанных с выходом из резонатора частиэнергии, вследствие чего он накапливает гораздо больше энергии.6IIDЗависимость задержки импульса генерации от энергии накачки.длительностизадержкиимпульсагенерации11Измерение2осуществлялось с помощью двухканального осциллографа, один каналкоторого был подключен к блоку питания (5), другой канал – кфотоприемнику (8), который принимал часть энергии, излучаемой лазером.Измерение осуществлялось с помощью встроенных курсоров.Осциллограммы импульса генерации и накачки представлены на рисунке 4.Рисунок 4 – Осциллограммы импульса генерации (СН1) и накачки (СН2)В таблице 3 приведены значения задержки импульса генерации приразличных значениях энергии накачки при использовании зеркала скоэффициентом отражения 21%.Таблица 3 – Значения задержки импульса генерации при различныхзначениях энергии накачки при использовании зеркала с коэффициентомотражения 21%нак ,Дж!з , мкснак ,Дж!з , мкс7,227,60588,4058,829,2459,6810,1251721511381201091021009212,5 15,12579701824,53240,55058524738347IIDЗависимость задержки импульса генерации от энергии накачки при R=21%11Задержка импульса генерации, мкс2200190180170160150140130120110100908070605040302010Энергия накачки, Дж02.557.510 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5 30 32.5 35 37.5 40 42.5 45 47.5 50Рисунок 5 – Зависимость задержки импульса генерации от энергии накачкидля зеркала с коэффициентом отражения 21%Соответственно, в таблице 4 приведены значения задержки импульсагенерации при использовании зеркала с коэффициентом отражения 70%.Таблица 4 – Значения задержки импульса генерации при различныхзначениях энергии накачки при использовании зеркала с коэффициентомотражения 70%3,6453,924,2054,54,8055,125,4455,786,125!з , мкс200140100948585858582нак ,81824,53240,5504237323028нак ,ДжДж!з , мкс6810,125 12,5 15,1256355468IIDЗависимость задержки импульса генерации от энергии накачки при R=70%Задержка импульса генерации, мкс2011210200190180170160150140130120110100908070605040302010Энергия накачки, Дж2.557.510 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5 30 32.5 35 37.5 40 42.5 45 47.5 50Рисунок 6 – Зависимость задержки импульса генерации от энергии накачкидля зеркала с коэффициентом отражения 70%На основании полученных результатов можно сделать следующиевыводы:1.

С увеличением энергии накачки задержка импульса генерацииубывает. Это связано с тем, что при большей энергии накачки в активнойсреде процесс генерации происходит раньше.2. При больших значениях энергии накачки коэффициент отражениязеркала почти не влияет на задержку импульса генерации.3. Задержка импульсов в лазере при использовании зеркала скоэффициентом отражения 70% меньше, чем при использовании зеркала скоэффициентом отражения 21%.4.

Импульс генерации при использовании зеркала с коэффициентомотражения 70% имеет место при меньшей энергии накачки, чем прииспользовании зеркала с коэффициентом отражения 21%.9IIDЗависимость КПД лазера от энергии накачки.11КПД определяется отношением энергии импульса к энергии накачки и2рассчитывается по формулевых#=∙ 100%накВ таблице 5 приведены значения КПД лазера при различных значенияхэнергии накачки при использовании зеркала с коэффициентомотражения 21%, в таблице 6 – с коэффициентом отражения 70%.Таблица 5 – Значения КПД лазера при различных значениях энергии накачкипри использовании зеркала с коэффициентом отражения 21%нак ,ДжКПД, %7,227,60580,0011 0,0035 0,0168,4058,829,2459,6810,1250,0350,060,1160,1520,177Дж12,515,1251824,53240,550КПД, %0,4260,6170,7390,9331,0281,0611,04нак ,Таблица 6 – Значения КПД лазера при различных значениях энергии накачкипри использовании зеркала с коэффициентом отражения 70%Дж3,6453,924,2054,54,8055,125,4455,786,125КПД, %0,060,019 0,0510,090,1510,219 0,2720,330,37940,550нак ,нак ,ДжКПД, %810,12512,515,1251824,5320,6110,80,9361,0111,0611,111,103101,096 1,052IIDЗависимость КПД лазера от энергии накачки при R=21%11КПД, %21.11.0450.990.9350.880.8250.770.7150.660.6050.550.4950.440.3850.330.2750.220.1650.110.055Энергия накачки, Дж03691215182124273033363942454851545760Рисунок 7 – Зависимость КПД лазера от энергии накачки для зеркала скоэффициентом отражения 21%Зависимость КПД лазера от энергии накачки при R=70%1.21.141.081.020.960.90.840.780.720.660.60.540.480.420.360.30.240.180.120.060КПД, %Энергия накачки, Дж3691215182124273033363942454851545760Рисунок 8 – Зависимость КПД лазера от энергии накачки для зеркала скоэффициентом отражения 70%11IIDНа основании полученных результатов можно сделать следующие11выводы:21.

С увеличением энергии накачки после начала генерации КПДлазеров сначала быстро растет, затем, достигнув некоторых значений, почтине изменяется.2. КПД лазера с зеркалом, имеющим коэффициент отражения 70%,выше, однако с увеличением энергии накачки эта разница снижается.3. КПД лазера на АИГ: Ndмал и составляет порядка 1%.

Это связанос тем, что в лабораторной установке был реализован такой способ накачки,как ламповая накачка, который вследствие широкого спектра излучениялампы характеризуется малыми значениями КПД.Выводы: в ходе данной лабораторной работы была изученаконструкция рассматриваемого импульсного лазера на АИГ: Nd и полученыпрактические навыки измерения временных и энергетических характеристик.Были сняты временные и энергетические характеристики при использованиив лазере зеркал со значениями коэффициента отражения= 21% и= 70%, на основе полученных результатов сделаны соответствующиевыводы.12.