Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 32
Текст из файла (страница 32)
На рис. 7.!! указанным значениям соответствует плотность энергии излучения лазера 3 Дж/см' и, следовательно, объем кристалла )У = = И = 3,33 см'. Зная нормированные размеры типовых кристаллов, выбираем нужное соотношение Ыз((4 ) 3,33 см'. Если желательно увеличить срок службы лампы, то следует принять меньший коэффициент нагрузки. Например, при й, = 0,3 можно получить на выходе плотность излучения 1,4 Дж/см' и соответственно объем требуемого кристалла около 7,2 см'. Используя другую кривую, определяющую связь между эффективным коэффициентом усиления на резонансной частоте бз н длительностью импульса излучения лазера ти, коэффициентом нагрузки й, и длительностью импульса лампы накачки т„можно выбрать коэффициент отражения выходного зеркала гз, настроенного на оптимальное значение положительной обратной связи лазера (первым отражателем являетея призма внутреннего отражения с коэффициентом г, = 1). Например, для т, = 0,8 мс и й, = 0,4 эффективный коэффициент усиления бо = 0,025.
Подставляя длину стержня активной среды в уравнение для эффективного коэффициента ( ( усиления б (т) = бе+ — )п —, получаем требуемый коэффициент отражения выходного зеркала г, = 0,5. Прн выборе лампы исходным параметром является площадь ее поверхности. Лампа накачки, устанавливаемая в осветитель лазера, должна иметь несколько большую поверхность, чем кристалл активной среды.
Внутренний объем колбы импульсной лампы выбирается чуть 132 большим объема активной среды кг(,'1,/4 ° Я. Если кристалл охлаждается водой, то необходимо использовать лампу„диаметр которой должен быть увеличен в 1,33 раза (показатель преломления воды 1,33). 7.6. Расчет энергетических характеристик Эффективность и техническое совершенство энергетических систем, в частности квантовых приборов, принято оценивать значениями выходной энергии, мощности, к.
п. д. и квантовой эффективности. Если твердотельные лазеры оценивать по к. и. д., не учитывая их уникальные физические свойства, то они покажутся малоэффективными системами (к. и. д. лучшего рубинового или неодимового лазера не превышает -1,5 %). Образно говоря, огромная река входной энергии оптической накачки превращается в хилый ручеек вынужденного излучения (рнс.
7.12, а). Для предварительной оценки энергетических характеристик проектируемых твердотельных лазеров можно использовать методику расчета мощности лазеров, работающих в режиме свободной генерации при температуре 300 К с усреднением значений мощности по отдельным пнчкам спектра излучения. Энергия импульса вынужденного излучения с длительностью импульса ти для лазера, имеющего активную среду объемом 17 = Ж, равна Е,„„= Р„„„)/т„. Для оценки выходной энергии, излучаемой лазером, желательно, чтобы она была выражена через известные или измеряемые экспериментально параметры.
Например, количество ионов хрома, перешедших на уровень Е, о частотой перехода нзз при энергии оптической накачки Е„и квантовой эффективности (квантовом выходе люминесценции) з) р, равно (23) (Уз'ззз Еиз)аф/(/зрзз) Число излученных фотонов в рабочем переходе при /)/з — (чо/2 равно Е„з),ф((йизз) — /У,/2, выходная энергия ди Е,„„~ — „" з) — +~ йиеы Пянзеди Уразяядняы. Прязгуи кянлзуяе иимяулагнай ни излучение Пнедгия излучину Энергия Ак Пынунгуенняея излучения р' Я Рис. 7.(2.
Потери входной энергии в лазере (а) и схема системы оптической иа. качки активной среды (б): 1 — устройство пиуаиая1 г лампа; 3 кристалл: 4 отракатель 133 Учитывая, что Е, — йтоо — значение пороговой энергии опти'ув 2тт;ф ческой накачки, т. е. минимальной энергии накачки, необходимой для возбуждения аксиального типа колебаний вынужденного излучения на длине волны, распространяющейся в строго продольном направлении по оси резонатора, окончательно получаем Евых = Овбйтойтот (Е„/Ео — 1).
(7.24) Результаты расчетов по этой формуле согласуются о экспериментальными данными, полученными для целого ряда разработанных ла. верных излучателей. Формула (7.24) удобна для оценки выходной энергии твердотельных лазеров импульсного действия. Отношение Еи/Е, измеряется для любых систем оптической накачки в относительных единицах, превышающих пороговую энергию. Мощность генерации четырех- или трехуровневого лазера Рных можно получить с помощью зависимости [б, 18) Рвнх = [ д ) т! фйт[от! (Х 1) Еолтр (7 25) тА + рдио где йт„— энергия кванта вынужденного излучения генератора, Дж,' йои — энергия кванта излучения накачки, Дж; Х = Е„/Е, — число порогов, т.
е. коэффициент превышения энергии накачки Ев над пороговой энергией накачки Е, (см. п. 4.4); тх = †/ !п , = [) р— ! ! коэффициент пропускания (потери на зеркалах резонатора); ! — длина кристалла, см; йдио — внутренние (диссипативные) потери в активной среде.
Максимальный коэффициент усиления для перехода Е, -в Е, при условии накопления квантовых частиц на уровне Е, активной среды Овнах «) (тт + ~див + [[днф). Для примера рассчитаем мощность рубинового лазера, имеющего следующие параметры: йрв = 2,8 . 10 " Дж; йр, = 4 ° 10 'о Дж! дэф = 05~ й/о = 1,62 10'о см — 3' рдно = 0,06 см-'т Х =* 3; тх = =0,1 см-', :Ь=0,5; т! =0,5; т[,=0,7; Ео=600 Дж; пор=0,9! ! = 6,6 см; т[ = О,о5 см. Мощность импульса в режиме свободной генерации Р, „8 кВт. Энергия потока излучения, выходящего за пределы резонатора лазера за один импульс длительностью тв = 5 10 ' с, определяется как Е „4 Дж.
Если известны следующие параметры неодимового лазера: стержень — стекло КГСС-7; Е! = 10 амо; й/о = 0,6 ° 10" см о; р„/т„ = 0,7; т1,ф = 0,5; Ь = 0,5; т!о — — 0,5; т!л = 0,1; -Ео = 600 Дж; щр — — 0,9! тд/(ть + [! в,) = 0,7, то мощность излучения [23) Р,н„3,3 (Х вЂ” 1), (7.26) При трех порогах (Х = 3) мощность генерации неодимового лазера Р,„„- 6,6 кВт. Расчеты по методике [23) подтверждаются целым рядом экспериментальных измерений [6, 7, 18), Формулы (7.25), (7.26) позволяют приближенно рассчитать энергию и мощность генерации твердотельных лазеров по выбранным параметрам резонатора и актив- тзо ной среды.
Некоторые характеристики, необходимые для расчета,определяют с помощью спектроскопических измерений или получают экспериментально уже в готовом образце лазера. Тем не менее, учитывая накопленный опыт проектирования лазеров и многочисленные экспериментальные исследования, можно рекомендовать для расчетов следующий диапазон изменения значений некоторых исходных параметров: б,„= 0,2...0,4 см — '; тд = 0,02...01 см — '; тд/(то+ рвнс) = = 0,6...0,7; т1,ф — — 0,5; рд„ = 0,01...0,08 см-; птр = 0,8...0,95; т[, = = Ою!",0~2' т!о = 0*4" 0 7' Ь = 0.4" 0 6' !/д = 10 Потери преобразованной в лазере энергии разделяют на потери, которые можно уменьшить, изменяя конструкцию лазера, и принципиально неустранимые потери, связанные с физической сущностью явления генерации. Поэтому целесообразно рассматривать зависимость к.
п. д. квантового генератора от целого ряда факторов, намечая возможные пути его увеличения. Козффио[иент полезного дет/спыил твердотельного лазера можно представить как отношение энергии Е,„х вынужденного излучения одиночного импульса к электрической энергии Е,„, поступающей от сети на вход системы накачки: т[в.л = Евых/Ева, или, учитывая зависимость к. п. д.
от эффективности использования элементов конструкции, [... = ч.ч.йчо [,ф (7.27) где т[„= Еа/Евх — к. п. д. блока питания (электрнческои схемы накачки); Ес = С(/~~/2 — энергия, запасаемая в конденсаторах накопителя (энергия накачки), Дж; С вЂ” емкость конденсаторов, Ф; с/о— напряжение сети, В. К. п. д. электрической схемы накачки, в которой используются /тС-цепи, принципиально не может быть больше 0,5, а в реальных блоках питания импульсных лами к. и. л. достигает всего 0,3...0,45. Выходная энергия излучения импульсной ламшв накачки Лв Е„= ) Е,®дй. Тогда коэффициент преобразования подведенной к лампе накачки электрической энергии в лучистую Ь = Е./Е, =- 2 () Е„(й) П(С[/Ь. При экспериментальных исследованиях и измерениях серийных ксеноновых и криптоновых импульсных ламп, проведенных как в лабораториях, так и в полевых условиях, показано, что значение коэффициента преобразования Ь колеблется в пределах 40...60 %.
Коэффициент использования излучения лампы т[, в спектральной области поглощения активной среды определяет долю энергии оптической накачки, поглощаемой активной средой: л, л, т),= Е „!Е,= ) а(Л) Е,(Л)с(Л7) Е,(Л)Ж, л, м где Е, — интегральное значение поглощенной энергии; Е, (Л)— спектральное значение энергии излучения одиночного импульса накачки; Л„ Л, — длины волн (пределы спектральной области излучения лампы накачки); сс(Л) — спектральный коэффициент поглощения активной среды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
