50251

Пристрій й основні елементи твердотельных лазерів

Лабораторная работа

Физика

Устаткування й прилади Лазерна технологічна установка Квант16 ; лазер газовий ЛГ105; генераторна головка твердотільного лазера; лазерний стрижень лампа накачування відбивний блок набір дзеркал резонатора випромінювач газового лазера; штангенциркуль лінійка; матеріали вата спирт метиловий дрантя. Процес під дією якого атоми переводяться на верхні рівні називається накачуванням. Існує кілька методів накачування. У цьому випадку електромагнітна хвиля що поширюється в напрямку перпендикулярному до дзеркал буде по черзі відбиватися...

Украинкский

2014-01-19

1.29 MB

0 чел.

Лабораторна робота № 1

Пристрій й основні елементи твердотельных лазерів.

Ціль роботи:

  •  ознайомитися із принципом дії, складом, пристроєм і блок-схемою лазерів;
  •  вивчити конструкції випромінювачів твердотільного й газового лазерів;
  •  ознайомитися з основними елементами лазерних випромінювачів;
  •  придбати практичні навички по обслуговуванню й догляду за елементами випромінювача лазера.

1.1. Устаткування й прилади

Лазерна технологічна установка "Квант-16"; лазер газовий ЛГ-105; генераторна головка твердотільного лазера; лазерний стрижень, лампа накачування, відбивний блок, набір дзеркал резонатора, випромінювач газового лазера; штангенциркуль, лінійка; матеріали (вата, спирт метиловий, дрантя).

1.2. Загальні положення

Відповідно до законів квантової механіки енергія атома може мати певний дискретний ряд значень, названих рівнями енергії. Самий нижній рівень енергії (рис1.1. а) при якому енергія системи мінімальна, називається основним рівнем . Інші рівні ( ) відповідають більше високій енергії системи й називаються збудженими. У збудженому стані атом може перебувати лише короткий час і прагне перейти в один зі станів з меншою енергією. Такі переходи можуть здійснюватися атомами мимовільно (спонтанно) (мал. 1.1,6) або вимушено (під дією електромагнітної хвилі із частотою ν, при цьому з атома виділяється відповідна різниця енергій . Частота випромінюваної хвилі визначається залежністю Планка:

де - постійна Планка ().

Зовнішня резонансна хвиля «розгойдує» електрон і прискорює його падіння на рівень із меншою енергією. Падаюча хвиля визначає напрямок поширення випущеної хвилі й підсилюється лавиноподібно (мал. 1.1.в).

Якщо атом спочатку перебуває на якому-небудь із нижніх рівнів, то при падінні на речовину електромагнітної хвилі із частотою ν, обумовленої вираженням (1.1), атом речовини перейде з більше низького рівня на більше високий (мал. 1.1. г). Різниця енергій , необхідна для такого переходу, береться з енергії падаючої електромагнітної хвилі. У цьому полягає процес поглинання. У природних умовах нижні енергетичні рівні населені більш щільно, ніж верхні. Отже, щоб зробити середовище підсилююче електромагнітну хвилю, необхідно досягти нерівноважного стану, при якому населеність верхнього рівня N2 буде більше населеності нижнього N1 т.т. N2>N1. У цьому випадку прийнято говорити, що в середовищі існує інверсія населеності, маючи на увазі, що різниця населеностей N2-N1>0 протилежна тієї, котра існує у звичайних умовах (N2-N1 <0). Середовище, у якій відтворюється інверсія населеності,  називається активною.

Процес, під дією якого атоми переводяться на верхні рівні, називається накачуванням. Існує кілька методів накачування.

Прилади, що підсилюють наведеним способом електромагнітну хвилю в оптичному діапазоні, називаються лазерами (англ. Laser). Ця назва утворена початковими буквами слів англійської фрази: Light amplification by stimulated emission of radiation - посилення світлових хвиль за допомогою змушеного випромінювання.


При поширенні електромагнітної хвилі в активному середовищі щільність потоку фотонів у ній поступово підвищується. Однак більшість активних середовищ мають низький коефіцієнт квантового підсилення. Так, для 100-кратного підвищення, амплітуди хвилі підсилювач на рубіні повинен мати довжину більше 920 м. Для скорочення розмірів підсилювачів у їхню конструкцію введений позитивний зворотний зв'язок. Для цього активне середовище розміщають між двома дзеркалами з високим коефіцієнтом відбиття (рис 1.2). У цьому випадку електромагнітна хвиля, що поширюється в напрямку, перпендикулярному до дзеркал, буде по черзі відбиватися від них, багаторазово проходити через активне середовище, підсилюючись протягом дії джерела накачування.

Рис. 1.1

Для виводу з резонатора пучка підсиленого випромінювання використовують різні методи, що дозволяють зберегти частину енергії в резонаторі для підтримки процесу посилення. Найчастіше для цього одне із дзеркал (вихідне) є світлоділильним. Частина випромінювання для його споживання воно випускає, а частина повертає для подальшого посилення в резонаторі.

Рис. 1.2

Таким чином, основними елементами оптичного квантового генератора є резонатор з поміщеної в нього активним середовищем, система накачування активного середовища, джерело живлення й схема керування роботою лазера. До додаткових пристроїв, що забезпечують працездатність лазера в необхідному режимі, ставляться система охолодження активного середовища й елементів системи накачування, пристрою для керування й контролю параметрів випромінювання й ін. Блок-схема лазера показана на мал. 1.3.

Рис. 1.3

1.2.1 Активне середовище.

Як активне середовище застосовується матеріал з певними властивостями. Він повинен мати відповідні рівні для взаємодії з випромінюванням такої довжини хвилі, на якій даний матеріал здатний випускати флуоресцентне випромінювання, тобто на частотах, що задовольняють рівнянню (1.1).

Повний діапазон довжин хвиль, що перекривають лазерами, становить від 0,1 до 1000 мкм. Практично використаються лазери з випромінюванням у діапазоні  0,3-10 мкм. На практиці застосовуються наступні лазери:

  •  на штучному рубіні  (Al2O3+Cr3+)   з довжиною хвилі λ=0,693 мкм;
  •  на склі з неодимом (λ =1,06 мкм);
  •  на ітрій-алюмінієвому гранаті з неодимом (λ =1,06 мкм);
  •  на  CО2   λ=10,6 мкм
  •  гелій-неоновий  λ =0,6328 мкм
  •  азотний (λ =0,3371 мкм);
  •  аргоновий, працюючий на декількох довжинах хвиль в голубій й зеленій областях спектра;
  •  на арсеніді галію  (λ =0,85...0,9 мкм) і ін.

По своєму агрегатному стані активні середовища можуть бути класифіковані: твердотільні, газові й рідинні. Вид застосовуваного активного середовища визначає конструкцію випромінювальної головки лазера, метод накачування й охолодження активного середовища.

Твердотільні активні середовища застосовують у вигляді суцільних або порожніх циліндрів, а також стрижнів прямокутного профілю. До газових лазерів ставиться клас генераторів, у яких як активне середовище використають різні гази, їхні суміші або пари металів. Лазер з рідким активним середовищем (на розчинах неорганічних з'єднань редкоземельних елементів або органічних барвників) не знайшло поки широкого застосування в техніці. Обсяг газового або рідинного активного середовища формується при заповненні прозорих (непрозорих) ємностей або при прокачуванні середовища через робочий простір випромінювача. Перші називають відпаяними, другі - прокачными системами.

1.2.2. Система накачування активного середовища.

Щоб одержати вимушене випромінювання, необхідно у великій кількості часток активного середовища створити інверсну населеність рівнів - "накачати" середовище. Це досягається трьома способами: оптичним накачуванням, електронним збудженням і резонансним переносом енергії.

Оптичне накачування засноване на переводі електронів на більш високі енергетичні рівні при поглинанні світла від допоміжного джерела. У  якості останнього частіше застосовуються лампи-спалахи або лампи безперервного горіння, у яких розрядний електричний струм формує високотемпературну плазму, що випромінює електромагнітну енергію в широкому діапазоні довжин хвиль. Щоб забезпечити ефективну передачу енергії спалаху лампи накачування активному середовищу лазера, лампу й лазерний стрижень розташовують паралельно один одному й оточують відбивачем тієї або іншої конструкції. У сучасних генераторних головках (рис 1.3) лампу 1 і стрижень 2 розміщають у паралельних отворах у кварцевих циліндрах 3, зовнішня поверхня яких має дзеркальне, що відбиває (наприклад, металеву фольгу) або інтерференційне покриття, причому останнє селективно відбиває лише ту частину світла, що відповідає спектру поглинання активного середовища. Оптичне накачування частіше застосовується для твердотільних і рідких активних середовищ.

Метод створення інверсії населеностей прямим електронним збудженням використовується в газових активних середовищах. Типовим прикладом такого порушення може служити електричний розряд у газі. Електрони, що випускаються катодом, зіштовхуються з атомами й молекулами газу, і їхня кінетична енергія перетвориться в енергію збудження атомів або молекул. Іонізація розрядного проміжку здійснюється від джерела високої напруги.

Метод резонансного переносу енергії застосовується для порушення газових активних середовищ, що містять два або більше компоненти із приблизно однаковими верхніми енергетичними рівнями (наприклад, Не й Ne або N2 й CO2). У процесі зіткнень електрони збуджують один з газів. Молекули збудженого газу, зіштовхуючись із молекулами іншого газу,  передають йому енергію порушення, тим самим переводячи їх на верхній рівень, що й приводить до інверсії населеності. Так, у  Не-Ne-лазері (мал. 1.4) електронами збуджується гелій, і він передає енергію порушення неону.

Рис. 1.4

Існують також газодинамический і хімічний методи накачування, але вони поки не знайшли широкого застосування.

1.2.3. Конструкція генераторної головки твердотільного лазера.

У сучасних лазерах на твердому тілі генераторна головка (мал.1.5) складається з активного середовища 1, лампи накачування 2, відбивача 3, металевого корпуса 4, ущільнень 5 для герметизації оптичних елементів, кришок 6, 7 й 8 для герметизації лазерного стрижня й лампи накачування, а також штуцерів 9 для підводу й відводу холодоагенту системи охолодження. Деталі конструкції виготовлені з коррозіонностійкого матеріалу або покриті антикорозійними покриттями.

Рис. 1.5

1.2.4. Резонатор (мал. 1.6) складається із двох дзеркал (плоскої або сферичних або їхньої комбінації), на які нанесені інтерференційні покриття, розташовані на відстані, кратній напівхвилі випромінювання, для забезпечення резонатора на частоті генерації. Одне із дзеркал має покриття, що повністю відбиває (100%), інше - напівпрозоре для відбору енергії з резонатора.

Рис. 1.6

1.2. 5. Джерела живлення лазерів складаються із джерела струму, випрямляча й формуючої лінії системи накачування. Блоки живлення працюють в одному із трьох режимів, що визначається максимальною напруою заряду накопичувача (1250, 2500 або 5000 В) з відповідними значеннями зарядного струму. Тип формуючої лінії й схема включення елементів (ємностей й індуктивностей), що входять у її склад визначають взаємозв'язок тривалості імпульсу накачування, його енергії й форми при зміні параметрів напруги живлення (мал. 1.7). З огляду на, що робоча напруга ламп накачування значно нижче напруги їхнього самопробою, до складу системи накачування вводять схему підпалу, що іонізує межелектродний проміжок для формування електричної дуги робочої напруги.

Рис. 1.7

1.2. 6. Схема керування роботою лазера призначена для забезпечення роботи всіх елементів лазера в заданому режимі. У серійних установках застосовуються системи керування модулятором (СУМ) стандартного виконання, що входять до складу блоків живлення. СУМ забезпечує заряд накопичувальних конденсаторів в одиночному режимі, періодичному (діапазон частот 1/20...20 Гц) від внутрішнього або від зовнішнього генератора тактових імпульсів, а також поджиг лампи накачування в тих же режимах.

1.2.7. Система охолодження генераторної головки.

Найбільш часто в лазерах застосовується водяне охолодження, що складається, як правило, із двох контурів. У внутрішньому контурі циркулює дистильована вода, у зовнішньому (проточному) вона охолоджується.

1.3. Порядок виконання роботи

1.3. 1. Вивчити принцип дії й склад лазерів. Занести у звіт рекомендованої форми, що, блок-схему лазерної установки. Ознайомитися із пристроєм кожного із блоків лазера на прикладі лазерної установки "Квант-16".

1.3. 2. Ознайомитися з особливостями конструкції генераторної головки твердотільного лазера й записати їх у протокол.

1.3.3. Вивчити характеристики основних елементів випромінювачів твердотільних лазерів (стрижня, лампи, відбивача, дзеркала резонатора), зняти їхні розміри.  Зобразити ескізно ці елементи в протоколі, вказавши основні розмірні характеристики.

1.3. 4. Ознайомитися з методикою обслуговування генераторної головки.

1.3. 5. Розглянути конструктивні особливості випромінювача газового Не -Ne-лазера й записати їх у протокол.


1.4. Методика обслуговування генераторної головки

Перед виконанням роботи необхідно вивчити методичні вказівки до неї.

Регламентне обслуговування генераторної головки:

  1.  розібрати генераторну головку лазерної установки "Квант-16";
  2.  дрантям очистити елементи головки від іржі й накипу й промити проточною водою;
  3.  ватою, змоченої в спирті, протерти лазерний стрижень, лампу накачування й кварцевий блок;
  4.  вимити торці стрижня спиртом, висушити їх й обмахнути білячою кистю, вимитою в спирті;
  5.  зібрати головку в такій послідовності:
  •  зібрати кварцевий блок 3 (див. рис 1.5), помістити його в корпус головки 4 і закрити корпус однієї із кришок 6;
  •  установити лампу накачування 2 і зафіксувати її кришкою лампи з ущільненням 5;
  •  установити лазерний стрижень 1 із закріпленим ущільненням 6 на одному з його кінців і зафіксувати його кришкою;
  •  закрити генераторну головку другою кришкою 6, пропустити в її отвори кінці лампи 2 і лазерний стрижні 1;
  •  установити кришку 8 з ущільненням 5 на інший кінець лампи накачування 2;
  •  надягти на вільний кінець лазерного стрижня 1 ущільнення 6 і зафіксувати його кришкою 7;
  •  обмахнути торці стрижня білячою кистю.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30823. Реляционная модель базы 14.12 KB
  Реляционная модель базы Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами: все столбцы в таблице однородные имеют одинаковый тип; каждый столбец имеет уникальное имя; одинаковые строки в таблице отсутствуют; порядок следования строк и столбцов может быть произвольным. В реляционной модели данных объекты и взаимосвязи между ними представляются с помощью таблиц. Каждая таблица представляет один объект и состоит из...
30824. Виды связей в БД 16.81 KB
  При этом таблица Книги будет содержать ссылки на записи таблицы Издатели . В большинстве случаев сопоставляются первичный ключ одной таблицы содержащий для каждой из строк уникальный идентификатор и внешний ключ другой таблицы. При такой связи каждой строке таблицы А может соответствовать множество строк таблицы Б однако каждой строке таблицы Б может соответствовать только одна строка таблицы А. Связи многие ко многим При установлении связи многие ко многим каждой строке таблицы А может соответствовать множество строк таблицы Б и наоборот.
30825. Типы СУБД 13.67 KB
  Централизованная база данных хранится в памяти одной вычислительной системы. Такой способ использования баз данных часто применяют в локальных сетях ПК. Распределенная база данных состоит из нескольких возможно пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей хранимых в различных ЭВМ вычислительной сети.
30826. Классификация СУБД по архитектуре (одно-, двух-, трехзвенные) 43.7 KB
  По своей архитектуре СУБД делятся на одно двух и трехзвенные В однозвенной архитектуре используется единственное звено клиент обеспечивающее необходимую логику управления данными и их визуализацию. В двухзвенной архитектуре значительную часть логики управления данными берет на себя сервер БД в то время как клиент в основном занят отображением данных в удобном для пользователя виде.
30827. Физиологические свойства сердечной мышцы 33.5 KB
  Абсолютная рефрактерность 027 сек полная невозбудимость. Относительная рефрактерность 003 сек способность возбуждаться в ответ на сверхпороговый раздражитель. Исходя из того что продолжительность этих двух фаз в сумме составляет 03 сек можно рассчитать максимально возможную частоту сердечных сокращений 60 сек. : 03 сек.
30828. Сердце, его гемодинамические функции 60.5 KB
  Изотонические сокращения это такие сокращения когда напряжение тонус мышц не изменяется изо равные а меняется только длина сокращения мышечное волокно укорачивается. Ауксотонические смешанные сокращения это сокращения в которых присутствуют оба компонента. Фазы мышечного сокращения: Латентный период это время от нанесения раздражения до появления видимого ответа. Фаза сокращения выражается в укорочении мышцы или в изменении напряжения либо и в том и в другом.
30829. Оценка нагнетательной (насосной) функции сердца 27 KB
  Продолжительность фаз цикла при условной его длительности 1 сек 60 ударов мин. Рисунок Систола желудочков 035 сек Период напряжения 01 сек: 1. Фаза асинхронного сокращения 005 сек. Фаза изометрического сокращения 005 сек.
30830. Механические проявления сердечной деятельности 30.5 KB
  Механические проявления сердечной деятельности Механические проявления сердечной деятельности: а верхушечный толчок б сердечный толчок в кровяное давление г артериальный и венный пульс д явления связанные с движением крови по сосудам Верхушечный толчок в норме локализуется в 5 межреберье слева на 15 2 см кнутри от срединноключичной линии. Артериальный пульс колебание артериальной стенки в результате распространения волны повышенного давления по столбу крови. Наполнение пустой vcuus полный plenus зависит от...
30831. Физиология как наука 31 KB
  Физиология изучает функции и процессы протекающие в организме отдельных органах и системах органов механизмы их формирования реализации и регуляции. Физиология изучает процессы т. Физиология относится к разряду фундаментальных наук.