Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Проблемы с материалами обычно возникают в случае более коротких длин волн — из-за повышения энергии фотонов. В результате этого могут возбуждаться электроны из внутренних Фторид бария Борсиликатное стекло ВК7 Теллурид кадмия Фторид кальция Арсении галлия Германий Сульфил цинка Фторид магния Кварцевый кристалл Кварцевое стекло Кремний Селенид пинка (Сг)Те) (Сарг) (ОаАя) (Ое) (хпз) 2) (510,) (820,) (Гй) (Хозе] 0,2 — 11 0,4 в 1,4 1 — 25 О, 15-9 2,5 — 16 2 — 12 0,З-)З 0,15 — 7 0,15 — 2,5 0,15 — 3,5 1,! — 7 0,6 — 22 1,51-1,39 1,53-1,48 2,4-2,7 1,5 в 1,3 3,3- 2,1 4, 1-4,0 2,7- 2,3 1,4 ДВОЯКОПРЕЛОМЛЯЮгпнй 1,5-1,4 3,5 — 3,4 2,5 — 2,3 ~~~~~2 Глава 12. Раеираетраяенае евеаавых волн оболочек атомов, что вызывает усиление поглощения.
Атмосфера воздуха начиная от 150 нм непрозрачна. Область спектра ниже этого уровня называют поэтому вакуумной УФ-зоной. Инертные газы с высокой энергией ионизации несколько прозрачнее воздуха. Гелий с самой мощной энергией связи обеспечивает пропускание до 56 нм. Пока не известны прозрачные твердые тела, пригодные для вакуумной ультрафиолетовой области спектра ниже 100 нм. Рентгеновское же излучение с еще более короткой длиной волны способно проникать через самые разные среды.
Ф г в Е о. о 1 о О.О1 О,1 2— 0,01 0,1 1 ув 10 2 Рве. 12.20. Поглощение я дисперсия оптических материалов квк функция длины волны 2.. показатель поглощения выражен через аг74яв, где ц есть коэффициент поглощения При высоких плотностях энергии излучения оптические материалы рискую~ получить серьезные повреждения.
Соответствующие пороги в УФ-области ниже, чем при других длинах волн, особенно у зеркальных и противоотражающих слоев. Видимая область спектра Видимое излучение относится к длинам волн от 400 нм до 700 нм. В этом диапазоне в качестве оптического материала находит применение, в частности, силикатное стекло. Оно отличается высокой прозрачностью, стойкостью и низкой себесто- сь с с в 3 о с о сг 1 $60 с Б с $40 о о с с $ го Й о с с с с о с я о с о с с Ю о с о Зд 2ф имостью. Прозрачность такого рода веществ достигает инфракрасной области спектра при 1,5 или 2 мкм, так что, например, для неодимового лазера прн 1,06 мкм могут использоваться обычные оптические системы. Инфракрасная область спектра Для инфракрасной области спектра разработан целый ряд материалов примерно на уровне длин волн, при которых воздух прозрачен, то есть от 1 до 2 мкм (ближний ИК-диапазон), от 3 до 5 мкм (средний ИК-диапазон) и от 8 до ! 2 мкм (тепловой ИК-диапазон).
До 2 мкм могут использоваться многие вешества видимого излучения. На 3 — 5-микрометровую зону приходятся полосы поглошения воздуха. В этой области генерируют излучение химические лазеры и СО-лазеры, а в более низком ИК-диапазоне около !О мкм функционирует СО,-лазер. Важное место среди материалов для инфракрасной области спектра занимают фториды и полупроводники (германий, арсенид галлия и др., см. таблицу 12. (). Полупроводники в видимой области спектра в большинстве своем непрозрачны. Вместо фторидов применяют и другие галогениды — в частности, поваренную соль ХаС!. Подобные среды в большей или меньшей степени гигроскопнчны. Особые требования предьявляются к материалам для оптических волокон в инфракрасной области спектра — например, для СО,-лазера либо медицинских 3-мкм-лазеров.
В настоящее время изучаются для этой цели халькогенидные стекла — например, Аз- или Ое-селениды и теллуриды, а также поликрасталлические галогеннды (А8С! илиА8Вг). Частично находят применение металлические либо стеклянные полупроводники. ЭАДАЧИ 12.1. (а) Доказать для ТЕМ„-моды, что в месте радиуса пучка (гв) интенсивность упала на 13 % (6) Как высока интенсивность при «= 2го? 12.2. Дзказать, что у гауссова пучка 86„5 % мощности лазерного излучения находится в пределах радиуса ш 12.3.
Дзпустим, для лазерного пучка (ТЕМ ) диаметром 0,7 мм измеряется мощность 40 мВт. Каковы будут средняя и максимальная плотности мощности? 12.4. )ЕМ -мода выражена через гауссов профиль: !/! =ехр (-2г'/ю'). Какова величина 1„, у лазера мошностью Р и с радиусом пучка гв? 12.5. Гелий-неоновый лазер длиной ! м имеет на выходном зеркале радиус пучка а=03 мм. Резонатор состоит из двух зеркал с одинаковыми радиусами кривизны.
Каково наименьшее поперечное сечение (шейка) пучка? 12.6. Дзказать„что гауссов пучок с фиксированной длиной волны определяется исключительно через радиус его шейки. 12.7. (а) Каков угол дивергенции гелий-неонового лазера (ТЕМ,„) с диаметром шейки 0,7 мм? (6) Изобразить на схеме профиль пучка и отметить его диаметр. 12.8. Лазерный пучок (основная мола) с радиусом ю, и (половинным) углом дивергенции 0 = д./(пю,) фокусируется линзой с фокусным расстоянием/: Доказать, что для радиуса пучка в фокальном пятне го' имеет силу выражение: ге' =/2/ (яго,). Рассмотреть с точки зрения геометрической оптики разные параллельные пучки с наклоном под углом дивергенции О.
~~~254 Глава Бй Раснросвранение свенювест волн 12.9. (а) Каким будет фокус Аг-лазерного луча с диаметром 2 мм на сетчатке глаза? (б) Какова плотность мощности на сетчатке глаза при мощности лазерного излучения 1 Вт(/глаза=25мм,?с=488 им)? 12.10. Гауссов пучок выражен через положение и размер шейки. Пользуясь линзой с фокусным расстоянием Г. надо таким образом трансформировать пучок, чтобы его шейка со', оказалась на расстоянии 0 от места нахождения шейки ю,.
(а) Каким фокусным расстоянием должна обладать используемая линза? (б) На каком расстоянии сс от местоположения шейки ю,должна быть установлена данная линза? (в) Вычислить в качестве числового примера: ю,=0,6мм; со',=0,2мм;?с=!,06 мкм; 1)=5см. 12.11. Пучок СС)-лазера (диаметр 10мм, ТЕМ„-мода, генерация в непрерывном режиме, мощность1 кВт) фокусируется линзой ~= 15 ем). Рассчитать в фокусе: диаметр пучка, среднюю плотность мощности и глубину резкости. Составить схему прохождения луча и изобразить его профиль. 12.12. Гассчитать оптическую систему для гелий-неонового лазера, у которого пучок расширяется с 0,7 ем до 2 ем. Как выглядела бы такая система для твердотельного лазера с модулируемой добротностью? 12.13. Вычислить для гелий-неонового лазера (диаметр пучка 1мм) диаметр диафрагмы для фильтра пространственных частот, снабженного объективом с увеличением 40х.
12.14. Выполнить расчет оптической системы для расширения пучка гелий-неонового лазера, благодаря которой до Луны дошел бы луч диаметром 100 м (дальность= 480000км). 12.15. Допустим, для имеющегося волокна характерно затухание 10 дБ/км (50 дБ/км). Определить пропускание для волокна длиной 2 м.
12.16. Лазерный пучок передается по волоконной линии (затухание: 0,03 м '). (а) Каким будет пропускание через 10 м и через 100 м? (б) Укажите затухание в дБ/км. 12.17. Опишите систему ввода излучения неодимового лазера мощностью 100 Вт (1,06 мкм, диаметр 5 мм) в волокно с диаметром сердечника 0,1 мм. Вычислите: (а) диаметр фокуса, (б) длину фокуса, (в) плотность мощности на входной поверхности волокна, (г) сравните максимальный входной угол с апертурой волокна (показатели преломления 1,55 и 1,50).
12.18. Какова должна быть длительность лазерного импульса мощностью! 00 кВт, чтобы луч мог пройти по волокну диаметром 0,6 мкм? (порог прочности Н = 20 Дж/см')? (а) Как велика максимальная энергия импульсов лазера на алюмоиттриевом гранате, легированном неодимом, передаваемая по волокну диаметром 50 мкм? Порог прочности зависит от длины волны и составляет при 1,06 мкм около 60 Дж/см'. (6) Какова соответствующая импульсная мощность при нормальных импульсах и импульсах с модуляцией добротности длительностью 10 мкс и 10 нс? ГЛАВА 13 ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ Свет, проходяший в лазере в прямом и обратном направлениях между зеркалами, образует стоячие волны, имеющие определенные пространственные распределения напряженностей электрического поля.
Эти распределения известны как типы колебаний, или моды оптического резонатора. Для разных мод приняты обозначения типа ТЕМ „, как сокращенное название для волн с напряженностью поперечного электрического и магнитного полей. При этом т и л означают число нулей распределения напряженности поля на зеркалах в прямоугольной либо полярной системах координат, а д показывает число максимумов напряженности поля на оси лазера. Чаше всего интерес представляет лишь распределение напряженности поперечного поля, выраженное через ТЕМ причем и и л показывают распределение интенсивности на поперечном сечении лазерного пучка.
Распределение напряженности поля в направлении оси лазера именуется также аксиальной, или продольной модой. Каждая мода, отличающаяся своими значениями т, п, д, обладает иной частотой света. 13.1. Резонатор с плоскими зеркалами Классический резонатор Фабри — Перо, образованный двумя плоскопараллельными зеркалами, был использован, в частности, при создании первого рубинового лазера. У лазерных диодов активная зона ограничивается параллельными поверхностями щели с образованием в полупроводниковом кристалле резонатора Фабри — Перо.
Такого рода резонатор называют также интерферометром, или эталоном Фабри— Перо. Аксиалвные моды / =Ч вЂ” ', где о=1,2,3,... 2 ' (13.1) Для частоты/ = с/Х аксиальной моды отсюда следует; ч ч 2/. Между зеркалами резонатора происходит отражение света в прямом и обратном направлениях с образованием плоских стоячих волн, или аксиальных мод ( рис, 13.1). Длина резонатора Т, есть, следовательно, целочисленное кратное половины длины волны )ч,/2; ( 256 Глава 13.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
