Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 112
Текст из файла (страница 112)
Следовательно, 1 т„„, чяя = тя(ти+ и! — ьтссоз,)дК~. Одно из зеркал резонатора плоское, т. е. его й = ю и я =1 — (з(1( =1; для другого зеркала к =0,5. Для типа колебаний с индексами тл = О, и =- 1 имеем с 1 т — 310~ тм — тю = — — агссоз,(зйяз = атссоз /05= 74,5 МГц, 2!.
х " 250314 $3~ Определение диаметра пучка Два сферических зеркала с радиусами кривизны )(, и )(з расположены на расстоянии т( одно от другого, Найти минимальный размер пятна светового пучка в резонаторе, его положения и разме- Ры пятен на зеркалах, если длина волны излучения Х. Апертурный размер зеркал доста- [2.2] Моды колебаний Оценить, насколько частота типа колебаний ТЕМн отличается от частоты основного типа колебаний ТЕМм для пустого резонатора. Резонатор образован плоским и сферическим (радиус кривизны Я = 100 см) зеркалами. Длина резонатора 1.
= 50 см. Часть 01. Квантовая и оптическая электроника 53к „чно велик. так что дифракнионными потерями можно пренебречь. Для численных оде нок взять: Л, =. 1Об см, Аг — '-109 ем, г(= 99 ем, 1= 3,39 мкм. Решение Радиус кривизны сферической поверхности, представляющей поверхность постоянной фазы, т. е. поверхности, определяющей возможные положения зеркал, равен Л(с) =-(='г=,')/я, где г, — параметр, определяющий минимальный размер пятна луча в резонаторе Ы Рь(рл = )~ ) Находим параметр - . Имеем г (2,3,1) г причем ", —, =. г(> 0.
Решения для я, и сг имеют вид: ., ---ггг~,глгг)'-:,*, . (2.3.2) *, = — й гг*яллл,,,ггг..))' —:,~' Вычитая из (2.3.2) равенство (2.3.1) и учитывая, что г, — г, = гг', возводим результат вычитания дважды в квадрат, Тогда будем иметь Яг — 4г(' 4г((11, — лг) — (Я, — Й~) 1= =г'(-~" ч)ч — йг) 1(г "г +г(( г' л)з "г)! нли г д((ч )'г г()()' г()( г г() '((Я, — !1,) — 2г(~ 11одстановка исходных данных дает .„— — 52,8 см. Минимальный размер пятна луча в резо заторе ),гв р = (:"м0,75мм. 1одставлЯЯ в фоРмУлы (2.3.2) полУченное значение л, находим г, = 52,1 см, г~ = 40 8 си' Ганны образом, минимальный размер пятна расположен в плоскости, отстоящей от одно 'о зеркала примерно на 41, а от другого на 58 см.
'азмеры пятен на зеркалах: '. е, р, =-' 1,1! мм, рг = 0,95 мм. 2. Принципы работы лазера 533 О Опредвленив угла расхождения пучка Оценить угол расхождения пучка основного типа колебаний конфокальнога резонатора. Для оценок принять / = 1 мкм, расстояние между зеркалами </ —. //< = — //, =- 2 м. Апертур- ный размер верка< велик и дифракционные эффекты пренебрежимо малы. Решвнив Угол расхождения 9 пучка основного типа колебаний определяется по формуле ).
0=— хРо (2.4.1) где Рв — минимальный РазмеР па~на лУча в РезонатоРе. Формула /2.3.3) задачи 2.3 дает для конфокального резонатора =о= /,/2 следовательно, Согласно уравнению 12.4.1) 2). 9= — = 5,бх10 рад= 1,9 угл, мин. х</ 1:С51 Условие самовозбуждения Резонатор оптического квантового <.енератора образован зеркалами с коэффициентами отражения т„„„, = <;„„,, = г = 0,5, расположенными на расстоянии Е друг от дру~а. Актив- ная среда занимает вес пространство между зеркщ<ами.
Как нужно изменить коэффициент квантового усиления акгивной среды для выполнения условия самовозбуждения генератора, если в резонатор вносится поглотитель, погло- щающий 50% падающего на него излучения? В расчете не учитывать дифракционные потери на зеркалах и потери излучения в мате- Риале активной среды и зеркал. Для простоты считать, что при введении поглотителя Размеры активной среды остаются неизменными. Толщиной поглотителя пренебречь. Решение /„= ехр(д/,), Для получения условия самовозбуждения рассмотрим распространение волны от зеркала / до зеркала 2 и в обратном направлении и полу <им условие то<-о, что волна остается самоподдерживающейся. Это и будет условием самовозбуждения генератора.
Пусть от зеркала / к зеркалу 2 начинает распространяться волна с интенсивностью /„. Если поглотитель расположен на расстоянии /., от зеркала /, то до поглотителя дойлет волна интенсивностью Часть!/! Квантовая и оптическая электроника б34 , е К вЂ” коэффициент квантового усиления активной среды. Если а определяет долю по гдощаемой' поглотителем интенсивности, то после поглотителя интенсивность волны будет 1,(! — а) ехр(д/„) . далее волна опять усиливаемся в среде, и на зеркало 2 придет волна интенсивностью !с(1 — а) ехр(К/з) ехр(д/з ) = /з(1 — а) ехр(д!) . После отражения от зеркала 2 по направлению к зеркалу ! будет распространяться волна : интенсивностью г!, (1- а) ехр(ф.), йа обратном пути к зеркалу l она испытывает усиление в активной среде и поглощение з поглотителе, и после отражения от зеркала / интенсивность волны составит г'1,(1 — а] ехр(2д/.) .
условие существования в резонаторе самоподдерживаюшейся волны получается, если 1риравнять интенсивность исходной волны 1, и волны, совершившей обход резонатора: г (1 — а)зехр(2К!.) =1, зткуда условие для порогового коэффициента усиления имеет вид: 1 1 1 К!.=-!п,, =!и 2 г'(1 — а) г(! — а) )ри отсутствии поглотителя, т, е.а = 0 1 д,ь'= !и —.
)чевидно, соотношение пороговых коэффициентов усиления для среды без поглотителя |с поглотителем будет 1 / 1 д/К =!и — — /!п —. г(1 — а)/ г (ля исходных данных задачи оно равно двум. Таким образом, пороговый коэффициент силения среды с поглогителем вдвое выше. контрольные вопросы Что такое лазер? Как осуществляется положительная обратная связь в лазере? Что такое мола лазера? Какие моды вы знаете". Что такое добротность лазерного резонатора? Что такое когсрентиость лазерного излучения? Как определяется размер пучка лазерного излучения? Как определяется расходимость лазерного излучения? Что такое диаграмма направленности лазерного излучения? Я, Принципы работы лазера 535 Рекомендуемая литература 1.
Карлов Н. В. Лекции по кнантовой электронике. Учебное пособие. — Мл Наука, 1983. 2. ПихтинА. Н, Физические основы квантовой электроники н оптоэлектроники. Учебпое пособие. — Мл Высшая школа, 1983. 3. Страховский Г.М., Успенский А. В. Основы квантовой электроники. Учебное пособие. — Мл Высшая школа, ! 979. 4. УспенскийА. В. Сборник чалач по квантовой элелчронике. Учебное пособие. — Мл Высшая школа, 197б. 3. Типы лазеров Все известные типы лазеров условно можно разбить на следующие группы: лазеры на основе конденсированных сред, газовые лазеры, эксимерные лазеры и лазеры на свобод ных электронах.
З.1. Лазеры на основе конденсированных сред 3.1.1. Твердотельные лазеры Под конденсированными срелами будем понимать твердые тела и жидкости. атомные ~астицы 1атомы, молекулы, ионы1 которых связаны между собой. В таких телах не прозсходиз.
самопроизвольный разрыв связей, и конденсированные тела сохраняют свой убьем. Ееертуолксл лын лиэер представляет собой лазер, в котором активный средой служат дн~лектрические кристаллы или стекла, активированные ионами редкоземельных элементов тли ионами группы железа. 1ервым лазером в оптическом диапазоне был лазер на кристалле рубина 1А1зО, Сг' 3, 3 нем использовались оптическая накачка и открытый резонатор. 4нверсия населенностей уровней в нем создается путем импульсного облучения мошной :сенонавой лампой.
Ионы хрома Сг поглощают излучение и переходят из основного ровня Е1 в полосу накачки Е,. В результате безызлучательного перехода Ез -+ Е, заселятся метасгабильный уровень Е„так что число возбужденных иа нем атомов превышает испо атомов на уровне Е, 1см рис. 2 1, д)ь Г[ри стимуляции возникает излучение в красой части спектра путем перехода возбужденных ионов хрома уровня Гз нв уровень Еи 1аиболее благоприятные условия возникают для генерации излучения с длиной волнь1 , = 0,6943 мкм. 1а рис.
3.1 приведена ~ипичная функциональная схема твердотельных лазеров. Рис. 3.1. Функциональная схема твердотельных лазеров: т — активный злемент; 2 — зеркала радиатора; 3 — осветитель; 4 — блок питания накачки, 5 — блок охлаждения, б — устроиство управления, 7 — блок управления ктивный элемент Е помещенный в оптический резонатор из двух зеркал ., освешае ается :ветителем. Осветитель 3 питается от блока конденсаторной батареи 4 и охлаждаетс З Типы лазеров б37 с помощью охлаждающей системы 5. Зачастую в резонатор встраивается устройство управления 6, позволяющее формировать лазерное излучение с заданными пространственно временными характеристиками. Елок охлаждения озводит от активно~о элемента и осев~и~ела тепловую энергию, выделяемую при излучении и поглощении света накачки.
КПД твердотельных лазеров составляет несколько процентов и поэтому отвод тепла крайне необходим. Выходная мощность лазера зависи~ от энергии накачки и имеет пороговую энергию. Выходная мощность может достигать несколько десятков джоулей в импульсном и порядка ста миллнватт в непрерывном режимах.
Обратную связь в оптическом резонаторе можно включать и выключать с помощью усзройства управления. Обычно используется элекгрооптический затвор, например, в виде ячейки Керра или ячейки Поккельса, Фарадея. Обратная связь включается на промежуток -8 -9 времени — 1О + 1О с. Это время и определяет длительность импульса. Таким образом, накопленная на метастабильном уровне энергия возбужденных ионов хрома излучает энергию за очень короткий промежуток времени (- 1О с), что позволяет развить гигантскую мощность.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
