LID. Усиление и генерация импульсного излучения в твёрдотельных лазерах (1095924), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Ýòîò óðîâåíüìîæíî íàçâàòü ñðåäíèì. È ïîëíûì óðîâíåì ÿâëÿåòñÿ óðîâåíü ïîäãîòîâêè ñïåöèàëèñòîâ ïîïðîåêòèðîâàíèþ ëàçåðîâ ðàçëè÷íîãî öåëåâîãî íàçíà÷åíèÿ.Îáùåé ïîñòàíîâêîé çàäà÷è â ðàìêàõ ýòîãî ïðîåêòà ÿâëÿëàñü ðàçðàáîòêà ìåòîäè÷åñêèõìàòåðèàëîâ äëÿ íàèáîëåå ïîëíîãî êóðñà ïî èìïóëüñíûì òâåðäîòåëüíûì ëàçåðàì - êóðñà ïîïðîåêòèðîâàíèþ ëàçåðîâ. Ïðè ýòîì ñòàâèëàñü çàäà÷à òàêîãî ñòðóêòóðèðîâàíèÿ ìàòåðèàëà, êîòîðàÿ ïîçâîëÿëà èñïîëüçîâàòü ÷àñòè åãî äëÿ êóðñîâ ñ ìåíüøèì îáúåìîì ÷àñîâ (íà÷àëüíîãî èñðåäíåãî). Íàèáîëåå ïðîñòî òàêàÿ îðãàíèçàöèÿ ìàòåðèàëà âîçìîæíà â ýëåêòðîííîì âèäå. Íàýòàïå ïîäãîòîâêè ìàòåðèàëîâ ñîçäàåòñÿ çàêîí÷åííûé äîêóìåíò, âêëþ÷àþùèé â ñåáÿ íàáîðòðåáóåìûõ ïî ó÷åáíîé ïðîãðàììå ðàçäåëîâ. Ýòîò äîêóìåíò íå èìååò èçáûòî÷íîé èíôîðìàöèè8Óñèëåíèå è ãåíåðàöèÿ èìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿâ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðàõ.Ââåäåíèå.è ïðè íåîáõîäèìîñòè ïîëó÷åíèÿ äîïîëíèòåëüíîé èíôîðìàöèè ïî ëþáîìó èç âîïðîñîâ èìååòññûëêè.Óñïåøíîå ïðèìåíåíèå ïàêåòà ïðèêëàäíûõ ïðîãðàìì LID-PSSL (Laser Investigator & Designer - Pulsed Solid-State Lasers) äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷ ïðîôåññèîíàëüíîãî èññëåäîâàíèÿ è ðàçðàáîòêè ëàçåðîâ è ïîäãîòîâêè ñïåöèàëèñòîâ ðàçëè÷íîãî óðîâíÿ âî ìíîãîì îïðåäåëèëî ìåòîäèêó ïðåïîäàâàíèÿ.
Äîñòàòî÷íîå âíèìàíèå â ýòèõ ìåòîäè÷åñêèõ ìàòåðèàëàõ óäåëÿëîñü âûáîðó îïòèìàëüíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè èçëîæåíèÿ ìàòåðèàëà è åãî ñèñòåìàòèçàöèè. Êàæóùàÿñÿïðîñòîòà ðåæèìîâ íåïðåðûâíîé è ñâîáîäíîé ãåíåðàöèè ëàçåðîâ, ñ òî÷êè çðåíèÿ îïèñàíèÿ èàíàëèçà ýòèõ ïðîöåññîâ ïîêàçûâàåò, ÷òî áîëåå ðàöèîíàëüíî ñòðîèòü èçëîæåíèå êóðñà,íà÷èíàÿ ñ ðàññìîòðåíèÿ óñèëåíèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ. Âñëåä çà ýòèì ëîãè÷íûì ðàçâèòèåìÿâëÿåòñÿ ðàññìîòðåíèå ìîíîèìïóëüñíîãî ðåæèìà ãåíåðàöèè. Îáîáùåíèåì ýòîãî ðåæèìà ÿâëÿåòñÿ ðåæèì ãåíåðàöèè “ïà÷êè” èìïóëüñîâ ñ àêòèâíîé ìîäóëÿöèåé äîáðîòíîñòè.
 äîïîëíåíèå ê ýòèì ðåæèìàì ðàáîòû ëàçåðà ðàññìàòðèâàåòñÿ ëàçåð ñ ïàññèâíîé ìîäóëÿöèåé äîáðîòíîñòè, ïîçâîëÿþùèé ðåàëèçîâûâàòü êàê ìîíîèìïóëüñíûé ðåæèì, òàê è ðåæèì ãåíåðàöèè“ïà÷êè” èìïóëüñîâ. Ïîñëå ðàññìîòðåíèÿ ýòèõ ðåæèìîâ ãåíåðàöèè ëåãêî îñóùåñòâèòü ïåðåõîä êêâàçèíåïðåðûâíîìó ðåæèìó, óñòðåìëÿÿ äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà íàêà÷êè ê áåñêîíå÷íîñòè. Òàêæå íåñëîæíî ïåðåéòè ê ðåæèìó ñâîáîäíîé ãåíåðàöèè, óìåíüøàÿ ïåðèîä ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ ìîäóëÿòîðà äîáðîòíîñòè. ýòîé âåðñèè ìåòîäè÷åñêèå ìàòåðèàëû ñîäåðæàò 7 ðàçäåëîâ è ïðèëîæåíèå.
Ðàçäåë 1ïîñâÿùåí èçëîæåíèþ ïðèíöèïîâ êâàíòîâîé ýëåêòðîíèêè - ðàññìîòðåíèþ òåðìîäèíàìè÷åñêèðàâíîâåñíûõ êâàíòîâûõ ñèñòåì ñ äèñêðåòíûìè óðîâíÿìè ýíåðãèè. Íà îñíîâå òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ïîäõîäà ðàññìîòðåíû âîçìîæíûå ïåðåõîäû ìåæäó óðîâíÿìè â ñèñòåìå, îïðåäåëåíà âçàèìîñâÿçü ìåæäó âåðîÿòíîñòÿìè ïåðåõîäîâ. Íà ïðèìåðå àíàëèçà äâóõóðîâíåâîé ñèñòåìû ïîêàçàíî, ÷òî íàëè÷èå èíâåðñíîé íàñåëåííîñòè ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü óñèëåíèå èçëó÷åíèÿ. Äåëàåòñÿ âûâîä, ÷òî èíâåðñíàÿ íàñåëåííîñòü ìîæåò áûòü ïîëó÷åíà â ìíîãîóðîâíåâûõ ñèñòåìàõ ñ äîïîëíèòåëüíûì óðîâíåì, ÷åðåç êîòîðûé ïðîèçâîäèòñÿ íàêà÷êà. ðàçäåëå 2 ðàññìîòðåíû ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ ïðîöåññîâ âçàèìîäåéñòâèÿ èçëó÷åíèÿñî ñðåäàìè, èìåþùèìè èíâåðñíóþ íàñåëåííîñòü.
Ïîëó÷åíû áàëàíñíûå óðàâíåíèÿ è ïîëóêëàññè÷åñêèå óðàâíåíèÿ, ïðèâåäåíû ãðàíèöû èõ ïðèìåíèìîñòè. Óðàâíåíèÿ äëÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ñðåäû ïîëó÷åíû äëÿ òðåõ-óðîâíåâîé è ÷åòûðåõ-óðîâíåâîé ñðåä. Ïðè ïîäãîòîâêå íåêîòîðûõ ãðóïï ñïåöèàëèñòîâ îïóñêàåòñÿ ìàòåðèàë, áàçèðóþùèéñÿ íà âûâîäå è èñïîëüçîâàíèè ïîëóêëàññè÷åñêèõ óðàâíåíèé.  ýòîì ìåòîäè÷åñêîì ìàòåðèàëå îíè âûäåëåíû â ñîîòâåòñòâóþùèå ïîäðàçäåëû è ïðè íåîáõîäèìîñòè ìîãóò áûòü îïóùåíû. 3 ðàçäåëå ðàññìîòðåíû âîïðîñû íàêà÷êè àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ, ñîçäàíèå â íèõ èíâåðñíîé íàñåëåííîñòè, îïðåäåëåíû èíòåãðàëüíûå ïàðàìåòðû, õàðàêòåðèçóþùèå ýôôåêòèâíîñòüíàêà÷êè.  ýòîì ðàçäåëå ðàññìîòðåíû ïîëóïðîâîäíèêîâàÿ è ëàìïîâàÿ íàêà÷êà àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ.Ðàçäåë 4 ïîñâÿùåí óñèëåíèþ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ.
Ðàññìîòðåíî óñèëåíèå ïî ýíåðãèè èïî ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ â ðàçëè÷íûõ ðåæèìàõ (óñèëåíèÿ ñèëüíîãî è ñëàáîãî ñèãíàëà), îáùèéñëó÷àé, èçìåíåíèå ôîðìû óñèëèâàåìîãî èìïóëüñà, “ñâåðõñâåòîâîå” ðàñïðîñòðàíåíèå èìïóëüñà èçëó÷åíèÿ, ìíîãîïðîõîäíîå óñèëåíèå è äð. 5 ðàçäåëå ðàññìàòðèâàåòñÿ ãåíåðàöèÿ ìîíîèìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿ â ëàçåðå ñ àêòèâíîé ìîäóëÿöèåé äîáðîòíîñòè. Îïðåäåëåíû è ñôîðìóëèðîâàíî óñëîâèå ãåíåðàöèè. Ïîëó÷åíû ðàñ÷åòíûå ñîîòíîøåíèÿ äëÿ ýíåðãèè, ìîùíîñòè è äëèòåëüíîñòè èìïóëüñà ëàçåðíîãîèçëó÷åíèÿ. Îïðåäåëåíû îïòèìàëüíûå çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà îòðàæåíèÿ âûõîäíîãî çåðêàëà9Óñèëåíèå è ãåíåðàöèÿ èìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿâ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðàõ.Ââåäåíèå.äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîé ýíåðãèè èëè ìîùíîñòè âûõîäíîãî èçëó÷åíèÿ. Ðàññìîòðåíûôóíêöèîíàëüíûå çàâèñèìîñòè ïàðàìåòðîâ âûõîäíîãî èçëó÷åíèÿ îò ýíåðãèè íàêà÷êè, êîýôôèöèåíòà îòðàæåíèÿ âûõîäíîãî çåðêàëà, çàäåðæêè äî âêëþ÷åíèÿ ìîäóëÿòîðà äîáðîòíîñòè,íà÷àëüíîãî ïðîïóñêàíèÿ ìîäóëÿòîðà äîáðîòíîñòè è äð.Äàëüíåéøèì ðàçâèòèåì ìîíîèìïóëüñíîãî ðåæèìà ÿâëÿåòñÿ ðåæèì ãåíåðàöèè “ïà÷êè”èìïóëüñîâ, ðàññìîòðåíèå êîòîðîãî âûïîëíåíî â ðàçäåëå 6.
Ðàññìîòðåíèå ýòîãî ðåæèìà ïðîâîäèòñÿ â ñðàâíåíèè ñ ìîíîèìïóëüñíûì ðåæèìîì, ÷òî ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü åãî äîñòîèíñòâàäëÿ ðÿäà ïðèêëàäíûõ çàäà÷. Ïðèâåäåíû ôóíêöèîíàëüíûå çàâèñèìîñòè îò ýíåðãèè íàêà÷êè, êîýôôèöèåíòà îòðàæåíèÿ âûõîäíîãî çåðêàëà è äð. Óäåëÿåòñÿ âíèìàíèå ðîëè çàäåðæêè äîâêëþ÷åíèÿ ìîäóëÿòîðà äîáðîòíîñòè, ïåðèîäà ñëåäîâàíèÿ è âîïðîñàì ðåãóëÿðèçàöèè ãåíåðèðóåìîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè èìïóëüñîâ èçëó÷åíèÿ. Îòäåëüíî ðàññìîòðåí ðåæèì ãåíåðàöèè“ïà÷êè” â ëàçåðàõ íà àêòèâíûõ ýëåìåíòàõ, â êîòîðûõ âðåìÿ ïåðåäà÷è ýíåðãèè îò ñåíñèáèëèçàòîðà ñîèçìåðèìî ñ âðåìåíåì æèçíè ÷àñòèö íà âåðõíåì ëàçåðíîì óðîâíå. ðàçäåëå 7 ðàññìîòðåí ëàçåð ñ ïàññèâíîé ìîäóëÿöèåé äîáðîòíîñòè.
Ðàññìîòðåí ïðèíöèï ðàáîòû ïàññèâíîãî ìîäóëÿòîðà äîáðîòíîñòè è îïðåäåëåíû îñíîâíûå ïàðàìåòðû, õàðàêòåðèçóþùèå åãî ðàáîòó â ñîñòàâå ëàçåðà. Ðàññìîòðåíû ôóíêöèîíàëüíûå çàâèñèìîñòè îòýíåðãèè íàêà÷êè, íà÷àëüíîãî ïðîïóñêàíèÿ çàòâîðà, êîýôôèöèåíòà îòðàæåíèÿ âûõîäíîãî çåðêàëà è äð. Ïðîâîäèòñÿ ñðàâíåíèå ýòîãî ëàçåðà ñ ëàçåðîì ñ àêòèâíîé ìîäóëÿöèåé äîáðîòíîñòè. Ïðèëîæåíèè ñîäåðæèòñÿ èíôîðìàöèþ î ðàçðàáîòêàõ ðàçëè÷íûõ ôèðì âñåãî ìèðà.Ýòî ñèñòåìàòèçèðîâàííûå äàííûå îá ýëåìåíòíîé áàçå (íåëèíåéíûå êðèñòàëëû, àêòèâíûåýëåìåíòû, êâàíòðîíû è äð.) è ðàçëè÷íûõ òèïàõ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðîâ. Äëÿ áîëüøîãî ÷èñëàèçäåëèé ïðåäñòàâëåí âíåøíèé âèä, òåõíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè è www-àäðåñ ôèðìûèçãîòîâèòåëÿ äëÿ ïîëó÷åíèÿ áîëåå ïîäðîáíîé èíôîðìàöèè.
Ïåðèîäè÷åñêîå îáíîâëåíèå ýòîé÷àñòè èíôîðìàöèè ïîçâîëÿåò ïðîâîäèòü ïîäãîòîâêó ñ èñïîëüçîâàíèåì ïîñëåäíèõ ìèðîâûõ äîñòèæåíèé.Èíæåíåðíàÿ íàïðàâëåííîñòü ýòèõ ìåòîäè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ îòðàçèëàñü â âûáîðå ñèñòåìû åäèíèö ÑÈ, íàèáîëåå óïîòðåáèìîé â èíæåíåðíîé ïðàêòèêå. Ïî ìåðå ââåäåíèÿ ôèçè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ, â òåêñòå äàþòñÿ èõ ôèçè÷åñêèå ðàçìåðíîñòè.  îñíîâíîì âñå óðàâíåíèÿïðèâîäÿòñÿ â òåõíè÷åñêè èçìåðèìûõ ïàðàìåòðàõ.Ýòè ìåòîäè÷åñêèå ìàòåðèàëû ïîäãîòîâëåíû ïî ìàòåðèàëàì ëåêöèé è ñåìèíàðîâ, êîòîðûå àâòîðû ïðîâîäèëè â òå÷åíèè îêîëî 10 ëåò â ÌÃÒÓ èì.Í.Ý.Áàóìàíà íà êàôåäðàõ“Ðàäèîýëåêòðîííûå è ëàçåðíûå óñòðîéñòâà è ñèñòåìû”, “Îïòèêî-ýëåêòðîííûå óñòðîéñòâà è ñèñòåìû” è “Ëàçåðíàÿ òåõíîëîãèÿ“.
Òîëüêî â ÌÃÒÓ èì.Í.Ý.Áàóìàíà ïðîøëè ïîäãîòîâêó ñ èñïîëüçîâàíèåì ýòîãî ïàêåòà ïðîãðàìì áîëåå 700 ñòóäåíòîâ è àñïèðàíòîâ.Ìîñêâà,ßíâàðü, 2000ã.10Óñèëåíèå è ãåíåðàöèÿ èìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿâ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðàõ.Ïðèíöèïû êâàíòîâîé ýëåêòðîíèêè.1. ÏÐÈÍÖÈÏÛ ÊÂÀÍÒÎÂÎÉ ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÈ.1.1. Ïîñòàíîâêà çàäà÷è.Ëàçåðíîå èçëó÷åíèå ôîðìèðóåòñÿ â àêòèâíîé ñðåäå ïðè âûíóæäåííûõ ïåðåõîäàõ ìåæäóäèñêðåòíûìè óðîâíÿìè.
Ïðè÷åì â òàêèõ ñðåäàõ, â êîòîðûõ íàñåëåííîñòü âåðõíåãî ýíåðãåòè÷åñêîãî óðîâíÿ âûøå, ÷åì íàñåëåííîñòü íèæíåãî. Òàêîå ñîñòîÿíèå ñðåäû íàçûâàåòñÿ èíâåðñèåé íàñåëåííîñòè. Ïîýòîìó äëÿ òîãî, ÷òîáû íà÷àòü ðàññìîòðåíèå âîïðîñîâ âçàèìîäåéñòâèÿ èçëó÷åíèÿ ñî ñðåäîé, èìåþùåé èíâåðñíóþ íàñåëåííîñòü, íåîáõîäèìî îïðåäåëèòü êàêèåïåðåõîäû â ñðåäå ñóùåñòâóþò è íàéòè ñâÿçü ìåæäó íèìè. Ýòîò ðàçäåë ÿâëÿåòñÿ ââîäíûì è âíåì ðàññìàòðèâàþòñÿ ñëåäóþùèå îñíîâîïîëàãàþùèå âîïðîñû:1.
Êàêèå ïåðåõîäû âîçìîæíû â êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêèõ ñèñòåìàõ,2. Ñâÿçü ìåæäó êîýôôèöèåíòàìè, õàðàêòåðèçóþùèõ ïåðåõîäû,3. Ïðåäåëüíûå ñîñòîÿíèÿ äâóõóðîâíåâîé ñèñòåìû,4. Âîçìîæíîñòü óñèëåíèÿ èçëó÷åíèÿ ïðè èíäóöèðîâàííîì ïåðåõîäå,5. Øèðèíà ëèíèè ïåðåõîäà.1.2. Ñïîíòàííûå è âûíóæäåííûå ïåðåõîäû.Ïåðåõîäû, âåðîÿòíîñòè ïåðåõîäîâ. Ñîñòîÿíèå êàæäîé ÷àñòèöû êâàíòîâîãî àíñàìáëÿ õàðàêòåðèçóåòñÿ íåîãðàíè÷åííûì íàáîðîì ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé. Âûäåëèì äâàóðîâíÿ 1 è 2 ñ ýíåðãèÿìè E1 è E 2 , ïðè÷åì E 2 > E1 (ðèñ.1.1).Íèæíèé óðîâåíü 1 ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì.
 òåðìîäèíàìè÷åñêèðàâíîâåñíîì ñîñòîÿíèè ðàñïðåäåëåíèå ÷àñòèö ïî óðîâíÿìïîä÷èíÿåòñÿ ðàñïðåäåëåíèþ Áîëüöìàíà E 2 − E1 =Exp −g2g1kÁ T N2ãäåN1(1.1)Ðèñ.1.1. Ýíåðãåòè÷åñêàÿ ñõåìàäâóõóðîâíåâîé ñèñòåìû.N1 è N2 - ÷èñëî ÷àñòèö â åäèíèöå îáúåìà ñ ýíåðãèÿìè Å1 è Å2 (íàñåëåííîñòè óðîâíåé)[ñì-3],g1 è g2 - êðàòíîñòè âûðîæäåíèÿ (ñòàòèñòè÷åñêèå âåñà) äàííûõ óðîâíåé, ïîêàçûâàþùèå÷èñëî íåçàâèñèìûõ ñîñòîÿíèé àòîìíîé ñèñòåìû, èìåþùèõ îäíó è òó æå ýíåðãèþ,-23-11kÁ =1,38⋅10 Äæ⋅Ê - ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà . äàëüíåéøåì ïðèìåì, ÷òî ñòàòèñòè÷åñêèå âåñà óðîâíåé 1 è 2 ðàâíû ìåæäó ñîáîé ( g 2 = g 1 ).
Èç(1.1) ñëåäóåò, ÷òî ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå â ñîñòîÿíèè òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿíàñåëåííîñòü âåðõíåãî óðîâíÿ N 2 ìåíüøå íàñåëåííîñòè íèæíåãî N1 .1Ïðîèçâåäåíèå kÁ T ïðè Ò=300 Ê ðàâíî 4,14⋅10-21 Äæ. Íà ïðàêòèêå øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ âíåñèñòåìíûååäèíèöûäëÿîïðåäåëåíèÿðàçíîñòèýíåðãèéìåæäóóðîâíÿìè-1-1( E 2 − E1 ) ′ = ( E 2 − E1 ) / ( h ⋅ c ) , èìåþùåå ðàçìåðíîñòü [ñì ].  ýòèõ åäèíèöàõ kÁ T ðàâíî 208 ñì .11Óñèëåíèå è ãåíåðàöèÿ èìïóëüñíîãî èçëó÷åíèÿâ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðàõ.Ïðèíöèïû êâàíòîâîé ýëåêòðîíèêè.Ñîãëàñíî Ýéíøòåéíó, ïåðåõîäû ÷àñòèö èç îäíîãî ýíåðãåòè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîåìîãóò áûòü òðåõ âèäîâ:1) âûíóæäåííûå ïåðåõîäû, èíäóöèðîâàííûå âíåøíèì ýëåêòðîìàãíèòíûì ïîëåì,2) ñïîíòàííûå ïåðåõîäû èç-çà ñàìîïðîèçâîëüíîãî ðàñïàäà âåðõíåãî ýíåðãåòè÷åñêîãî óðîâíÿ,è3) áåçûçëó÷àòåëüíûå ïåðåõîäû. ïåðâîì è âòîðîì ñëó÷àÿõ èçìåíåíèå ýíåðãèè ÷àñòèöû ïðîèñõîäèò ïðè èçëó÷åíèè èëèïîãëîùåíèè ôîòîíà (êâàíòà ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
