Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 88
Текст из файла (страница 88)
Поскольку 1 моль Г,= 38 г, то гн= 1,4.10 "г для 1 джоуля. Если учесть, что примерно 70% энергии переходит в энергию возбуждения колебательного уровня и квантовую эффективность, то требуемая масса ставится соответственно больше. Глава 7 7Л. Поскольку время жизни на нижнем уровне больше времени жизни на верхнем уровне, то инверсия быстро прерывается. Тогда при лазерном излучении имеет место импульсное возбуждение в наносекундном диапазоне. Частота следования импульсов должна быть настолько низкой, чтобы между импульсами достигалось опустошение нижнего лазерного уровня. На практике генерируются импульсы шириной в наносекундном диапазоне и частотой следования до нескольких сотен герц.
Более высокие частоты требуют быстрого газообмена. 7.2. При продольном разряде будет (Г= 500 кВ, а при поперечном (Г=4 кВ, если расстояние между электродами составляет 4 мм. 7.3. Длительность лазерного импульса: /=с /!г=З 10' 20 1О-'м=б м — такой импульс способен пройти через резонатор до 5 раз. 74. Для порога лазерного излучения имеет силу: СВТ> 1. С С=ее'=59. 10' и Т = 1 получаем: А = 1/О = 1,7 10-". Лазер функционирует, следовательно, как сверхизлучатель даже без зеркала резонатора.
Г 8 4Д~З 7.5. Для энергии импульсов Е вычисляем: Е = Р, т = 20 нс 15 МВт = О 3 Дж (вместо 1 Дж). Средняя мощность составляет: Р = Р, т 8 = 20 нс 15 МВт 100 Гц = 30 Вт (вместо 20 Вт). Эти данные не совсем точно согласуются друг с другом. Причина; указываются типовые характеристики разных лазерных систем. 7.6. Волновое число излучения 308 нм составляет 32468 см '. Для антистоксовой линии получаем; Е„= 32 468 см ' + 4 155 см ' = 36 623 см ' и для стоксовой линии: Е,=32468 см ' — а 4155 ем'=28313 ем ', 24158 ем ' и 20003 ем '.
Соответствующие длины волн равны: Х~,= 273 нм и Х,= 353 нм, 414 нм и 500 нм. Для 249 нм имеем результат: Х„= 226 нм и Х, = 278 нм, 314 нм и 361 нм. Эти данные находятся в полном соответствии с рис. 7.6. 7.7. Учитывается только энергия испарения: О=С У=Е дА,значит: И=6/(Е,А)=23 мкм. Глава 8 8.1.
Диаметр фокуса составляет: И = 27(3 = 0,1 мм. Время жизни вычисляем по формуле: г=Ы т= 2 мкс. Время жизни триплета равно 1Π— 100 мкс. Молекулы красителя быстро обновляются потоком — следовательно, долгая жизнь триплета никакой роли не играет, и сколько-нибудь существенного триплетного поглощения не происходит. 8.2. Прн квантовой эффективности = 1 коэффициент полезного действия составляет: ф; Х, т)= — '= — ' =58% 7(Г, Л, 8.3. Длинный резонатор с плоским зеркалом дает луч неболыпой расходимости.
Для вывода используется плоское зеркало (1). Параллельный луч посредством вогнутого зеркала (2) наводится на фокус при у; = Я,/2. Вогнутое зеркало (3) образует фокальное пятно с ретроотражением изображения 1:1. При этом фокальное пятно отстоит от зеркала (3) на расстояние 27; = Яг Можно выбрать, например, следующие данные: 7; =5см,/;=2,5см. Тогда плечо резонатора между вогнутыми зеркалами имеет длину 1О см, а фокус располагается как раз посередине. ~~~424 Решении задач 8.4. Волна лазерного излучения проходит лишь в одном направлении, так что не возникает стоячих волн, способных привести к «пространственному выгоранию провалов» (англ.
араба! Ьо!е Ьпгп!пб). Благодаря этому удается избежать скачков моды. Получается одномодовый лазер относительно высокой мощности. 8.5. Ширина полосы лазера составляет: б/=Я вЂ” /;=с(1//; — 1//,)=7,6 10о Гц. Длительность импульсов для синхронизации мод вычисляется по формулам (3.4) или (17.8); т > 1/(2я/!/) = 2 10 " с = 2 фс. Глава 9 9.1. (а) Плотность Сг,О, составляет р =0,0005 р= 8.0,002 г/см'. Отсюда вычисляется атомная плотность Сг: Л'с )чрс,/А = 1,6. 10" см з Максимальная плотность энергии составляет при 6=6 б 10 и Дж с и с=3. 10' м/с: 1У б/=Х бе/) =4,5Дж/см'.
Речь идет о трехуровневом лазере, поэтому при полной инверсии населенностей не более половины атомов будут способствовать формированию импульса лазерного излучения. Следовательно, может отдаваться энергия лазерного излучения максимум 2,3 Дж/см'. (б) Объем стержня лазера составляет !'=!язР/4 = 0,35 см'. Тогда энергия в импульсе будет равна: Е=0,35 2,3 Дж= 0,80 Дж. (в) Пиковая мощность (для прямоугольного импульса) составляет; Р=Е/1=0,8Дж/1О не=80 МВт. Интенсивность в лазерном луче равна: /= Р/А = 80 МВт/(л~Р/4) = 1,1 ГВт/см'.
9.2. Волновое число показывает число длин волн на сантиметр. Длина волны линии Я, составляет 694 3 им=6 943 10-'см. Волновое число есть обратная величина: 14403 см '. Так как волновое число есть мера энергии, его изменение носит алдитивный характер. Верхний уровень Аз имеет, таким образом, волновое число = 14 432 см '. Этому соответствует длина волны 692,9 нм. 9.3. Пороговая инверсия (см. уравнение (2.45)) составляет; Ц вЂ” зч',=(1 — КТ)/(од) =6.10" см'(при Я=.ДЯ, =О 894 и Т=1). 9.4.
Интенсивность насыщения составляет: Ь| Ьс /,= = = 2,3 10'Вт/м'. опт )зтпт Мощность насыщения составляет: Г 9 42~~5~ Рь /з4 /з — ~Р = 1,2 кВт. 4 Поступившая в усилитель мощность должна быть заметно выше (например, в два раза), чем мощность насыщения, чтобы можно было извлечь накопленную в усилителе энергию. 9.5. (а) Запасенная в конденсаторе энергия составляет: Е =С(Л/2=5 Дж, из которых в импульселазерного излучения появится 1% В=50 мДж. Импульсная мощность вычисляется следующим образом: Р=Е/т=50 10 'Вт с/0,1 10 'с=500 Вт. (б) Для средней мощности при/'= 10 Гц получается: Р = Е/'=0,5 Вт.
9.6. (а) Энергия в импульсе составляет: Е=0,015 !Дж=15 мДж. Отсюда получаем: — энергия импульсов Р=Е/(0,2 мс) =75 Вт — средняя мощность Р =Е/=(20 Гц) Е=0,3 Вт. (б) Для импульсов 5 нс имеем: Е=15 мДж, Р=Е/(5 10-'с)=3 МВт и Р =0,3 Вт. 9.7. Для эллипса действительно: Ь' = а' — с' (2с — фокусное расстояние, 2а — большая полуось, 2Ь вЂ” малая полуось). В тексте задания указано: 2с = 1О мм и а/Ь = 1,15. Отсюда следует: 2а=20,2мм и 2Ь=!7,6мм. 9.8. (а) Время жизни 5,3 мс на нижнем лазерном уровне слишком долгое. (б) Показатель поглощения в воде и ткани достаточно высок, так что глубина проникновения составляет всего несколько микрометров. Следовательно, под действие лазерного излучения попадают только очень тонкие слои на поверхности ткани. При достаточно большой поглощенной энергии лазерного излучения происходит сильный нагрев поверхностных слоев, которые затем быстро испаряются и уносятся — без нагревания находящейся под ними ткани.
Осуществляемое таким способом удаление тонких слоев (отслоенне) называется «абляцией». 9.9. В обеих системах СР'есть активная среда лазера. Лазер на рубиновом стержне— трехуровневый, его нижний уровень является основным состоянием. Лазер на александрите имеет аналогичный лазерный переход. Дополнительно существует непрерывно перестраиваемый переход, соответствующий четырехуровневой системе. Основной уровень этого перехода, в отличие от основного уровня рубинового лазера, расщеплен. 9.10. Время жизни на верхнем лазерном уровне составляет при комнатной температуре всего 3,2 мкс. Связанные с этим значительные потери требуют высокой интенсивности накачки, достигаемой в большинстве случаев с помощью непрерывных аргоновых лазеров либо лазеров с улвоенной частотой Мд: ИАГ с неодимом.
Возможно также возбуждение с применением лампы-вспышки, но в этом случае необходимы высокие ( 426 Реагелил задач световые мощности, которые могут генерироваться только короткими электрическими импульсами. Это быстрое электрическое возбуждение с высокими плотностями мощности требует наличия специальных ламп-вспышек — так же, как при лазерах на красителях с ламповой накачкой.
Срок службы таких ламп относительно невысок, так что к Т1-сапфировым лазерам с ламповой накачкой прибегают редко. Лазер имеет полосу поглощения порядка 500 нм, поэтому для накачки пригодны аргоновый лазер и лазер с удвоенной частотой г4г(: НАГ Глава 10 10.1. Нет! Кремний — полупроводник с непрямыми переходами, то есть при рекомбинации электронов и дырок ар — л-переходе получается совсем мало света: вместо света образуется тепло. (Существуют так называемые лазеры на 81-базе, причем речь идет не о лазерах в собственном смысле этого слова, а о нелинейных преобразователях частоты — комбинационных лазерах) — см.
п.19.5. 10.2. Благодаря окислению алюминия удается избежать повреждения выходных торцев полупроводникового лазера. 10.3. 7, = 1О мА емлчч = 11 мА. 10.4. яп О = 0,8; з!и О = О, 16. и У 10.5. Устройство из двух перекрестных цилиндрических линз с разными фокусными расстояниями или устройство из одной нормальной линзы и одной цилиндрической линзы. 10.6. ЛР,= 1; ЛР,=20 !'3,6-! ) 10.7. 11=~ ' ~ = 32% при л =3,6.
(,3,6+! ) Коэффициент отражения может быть уменьшен за счет просветления четвертьволновым слоем с л =,/3,6 = 1,9 !0.8. с/и АГ = — =10" Гц при )'=4 10н Гц, 22 2 ЬГ 750 нм 4 !Оз Аг 50 нм ~Й 10.9. Дифракционные решетки 1)РВ (с обратной связью) или внешние резонаторы с отражательными решетками 10.10. зу= 1, АГ= 40 нм Ф'=2- !Оо Гц Е=2мкм Расчет коэффициентов отражения: ЯО=Аехр(100 2 1О '4)=Я 1,02= ! г ° п 4Д 8=0,98=Дл, Е,=1, Е,=О,96.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
