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

66434. Акцизний збір в системі платежів в державний бюджет України 331 KB
  Необхідність збільшення податків і в той же час справедливого їх розподілу ставить державу перед складною дилемою: економічна ефективність чи справедливість? Оптимальне поєднання й урахування цих аспектів - неодмінна умова гармонійності податкової політики.
66435. Методика обліку і організація аналізу і аудиту виробничих запасів підприємства (ТзОВ „Уніплит”) 860.5 KB
  Теорико–економічна сутність виробничих запасів та їх характеристика як об’єкту обліку та аудиту Економічна сутність запасів та іх класифікація Оцінка виробничих запасів для цілей обліку Нормативноправова база з обліку та аудиту виробничих запасів Загальноекономічна характеристика ТзОВ...
66436. Облік і аудит основних засобів на ЗАТ „Лукор” 511.5 KB
  Методика обліку нематеріальних активів Визнання нематеріальних активів Відповідно до ПБО 8 нематеріальними вважаються немонетарні активи які: не мають матеріальної форми; не можуть бути ідентифіковані; утримуються підприємством з метою використання протягом періоду більше одного року...
66437. Поняття модернізму і постмодернізму в українському літературознавстві 249 KB
  Об’єктом дослідження стали два потужних явища літератури: модернізм і постмодернізм. Зважаючи на усталеність і визнаність їх у світовому літературному процесі, прагнемо “узаконити” їх в українській літературі, оскільки ще точаться суперечки щодо правомірності вживання термінів...
66438. Стан та перспективи розвитку управлінського консультування на підприємствах України 747.5 KB
  У практичній частині проведений аналіз тенденцій консалтингового забезпечення підпрємств а також аналіз перешкод та приоритетів розвитку менеджмент-консалтингових компаній. Особливості взаємодії консалтингових компаній та підприємств замовників в контексті світових економічних тенденцій...
66439. Анализ особенностей фразеологического оборота в романе М.А. Шолохова «Поднятая целина» 126 KB
  Это произошло без участия сознательной авторской воли просто за прошедшие годы самостоятельность и зрелость были искоренены в крестьянстве приученном к тому что за самостоятельность наказывают вплоть до физического уничтожения.