Структурная схема лазера
Структурная схема лазера может дополняться рядом элементов, обеспечивающих работоспособность лазера или служащих для управления лазерным излучением [23]. К таким дополнительным элементам можно отнести (в соответствии с рис. 4.2) систему охлаждения активного элемента и систему накачки, модулятор, внешнюю оптическую систему, устройство контроля параметров излучения и др. В каждом конкретном случае применения лазеров наличие тех или иных дополнительных устройств (или всех сразу) не является обязательным. Как будет видно при рассмотрении типов лазеров, температура активного вещества играет важную роль в достижении инверсии населенностей. В некоторых активных веществах инверсию можно получить лишь при их значительном охлаждении. Система охлаждения предназначается для создания необходимой температуры активного вещества накачки.
Чтобы рассмотренный лазерный усилитель превратить в лазер — генератор излучения, необходимо ввести положительную обратную связь (ПОС). Параметры звена ПОС выбираются так, чтобы энергия излучения, которая передается с выхода лазерного усилителя на его вход, была достаточной для компенсации потерь в замкнутой цепи обратной связи.
В качестве звена ПОС в лазере используют оптические резонаторы: простейший резонатор состоит из двух зеркал, которые обеспечивают многократное прохождение волны излучения через активное вещество; для вывода излучения зеркала делаются прозрачными.
Рис. 4.2. Структурная схема лазера
В общем случае оптический резонатор – это система отражающих, преломляющих, фокусирующих и других оптических элементов, в пространстве между которыми могут возбуждаться волны оптического диапазона.
Таким образом, выполнение условий усиления лазерного излучения при наличии ПОС через оптический резонатор дает необходимые энергетические предпосылки для самогенерации излучения. Процесс возбуждения лазерного вещества, приводящий к возникновению лазерной активной среды, называется накачкой лазера. Значение энергии накачки много больше энергии лазерного излучения, т. е. лазер – не экономичный генератор. Но по своим качественным показателям лазерное излучение уникально. Первое важнейшее свойство лазерного излучения состоит в его направленности, которая связана с пространственной когерентностью: лазерное излучение распространяется в виде почти плоской волны, расходимость которой близка к минимально предельной дифракционной расходимости. Такую пространственно-когерентную волну легко сфокусировать на площадку размером около l2лаз (lлаз - длина волны лазерного излучения). Например, если лазер излучает импульс энергии 1 Дж в течение 1 мс, т. е. мощностью всего около 1 кВт с длиной волны lлаз = 0,69 мкм, то интенсивность излучения в фокусе может достигать значения 1кВт/lлаз »1011 Вт/см2.
Лазерное излучение высокомонохроматично, так как лазер генерирует когерентные оптические колебания на частоте максимального усиления и минимальных потерь излучения в резонаторе. Таким образом, лазер преобразует энергию низкого качества в когерентное излучение, т.е. в предельно высококачественную форму энергии, или, используя термины термодинамики, можно сказать следующее: энергия накачки, имеющая низкую температуру и высокую энтропию, преобразуется в лазерное излучение с исключительно высокой эквивалентной температурой и предельно низкой энтропией.
Лазер является генератором электромагнитного излучения оптического диапазона, поэтому должен содержать, во-первых, элементы, обеспечивающие накачку лазера, во-вторых, лазерное вещество, в котором в процессе накачки может быть создана лазерная активная среда.
В зависимости от вида подводимой энергии накачки различают следующие виды накачки лазера:
· оптическая накачка – возбуждение лазера оптическим излучением; она может быть ламповой: источник накачки – лампа, диодной: источник накачки - излучающий диод, лазерной – лазер - и т. д.;
· электрическая накачка – накачка лазера электрической энергией (в частности, к этому виду накачки относится накачка полупроводниковых инжекционных лазеров);
· электронная накачка – накачка лазера электронным пучком;
· химическая накачка – накачка, вызываемая химическими реакциями в лазерном веществе.
Лазерный пучок – это не просто поток энергии, как, например, пучок света, это поток энергии очень высокого качества, поток исключительно упорядоченного когерентного излучения, остронаправленного, сконцентрированного в пределах небольшого тесного угла. Но за это качество мы платим высокую цену - КПД лазеров порядка десяти процентов, т. е. на каждый джоуль лазерного излучения нужно затратить примерно десять джоулей энергии накачки. Но при этом плотность энергии лазерного излучения огромна: для мощных лазеров она, в частности, больше плотности энергии, достижимой при ядерном взрыве (порядка 101 Дж/см3).
Лавинообразное нарастание энергии лазерного излучения в активной среде вдоль оси резонатора к хорошо описывается экспонентой с положительным показателем
Е(x)=Е(0) exp[(kл - kп)x], (4.7)
где Е(x) - энергия излучения вдоль оси x;
Е(0) - энергия излучения при x=0;
Lл - линейный коэффициент лазерного усиления (вдоль оси x), значение которого пропорционально энергии накачки;
Lп - коэффициент потерь излучения в оптическом резонаторе и активной среде.
Для простого линейного резонатора коэффициент потерь излучения имеет вид
Lп = , (4.8)
где - коэффициент поглощения излучения в активной среде;
Lрез- длина оптического резонатора;
К1 ,К2 - коэффициенты отражения зеркал резонатора.
Второй член представляет собой торцевые потери излучения, отнесенные к единице длины резонатора.
При некотором значении энергии накачки, которое называется порогом генерирования лазера, Lл > Lп, что означает лавинообразное усиление энергии лазерного излучения, т. е. генерацию. Таким образом, порог генерирования лазера – это энергия (или мощность), которая поступает на вход источника питания лазера и при которой коэффициент лазерного усиления на частоте генерирования равен коэффициенту потерь в оптическом резонаторе на той же частоте.
Направленность лазерного излучения определяется отношением длины волны генерируемого излучения к линейному размеру резонатора; расходимость qр оценивается следующим выражением
qр = . (4.9)
Следует подчеркнуть, что в любом резонаторе условие резонанса выполняется не для одного, а для многих типов колебаний, отличающихся друг от друга по частоте и распределению электромагнитного поля в резонаторе. Такие типы колебаний называются модами. В результате спектр излучения лазера состоит из набора мод: для получения одночастотного (одномодового) режима используют перестраиваемые оптические фильтры мод.
Лазерное излучение характеризуется пространственно-временными и энергетическими параметрами.
В группе пространственно-временных выделяют следующие параметры:
· частота лазерного излучения nЛ – средняя частота (или средняя длина волны) lЛ спектра лазерного излучения;
· ширина линии лазерного излучения dv – расстояние между точками контура спектральной линии лазерного излучения, соответствует половине интенсивности линии в максимуме;
· расходимость лазерного излучения qp – плоский или телесный угол, характеризующий угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения;
· время готовности лазера tгот – время, необходимое для достижения лазером эксплуатационных (номинальных) параметров с момента его включения.
К энергетическим параметрам лазера относятся прежде всего энергия и мощность лазерного излучения. Энергия определяет энергетические возможности лазера.
Мощность характеризует интенсивность излучения энергии лазером, концентрацию энергии во времени. В применении к лазеру эту, казалось бы, банальную разницу необходимо подчеркнуть.
Расхожей является фраза: «Мощность лазера равна мощности Днепрогэса», но при этом нельзя забывать, что эта мощность действует всего 1 нс.
Концентрация энергии (мощности) в пространстве определяется плотностью энергии (мощности) лазерного излучения, т. е. энергией (мощностью) лазерного излучения, приходящейся на единицу площади сечения пучка лазерного излучения.
Эффективность лазера как преобразователя энергии накачки в энергию излучения характеризуется КПД, который равен отношению энергии или средней мощности, излучаемой лазером, соответственно к энергии или средней мощности, подводимой к лазеру. К энергетическим параметрам относится также порог генерирования лазера.
Можно выделить три основных режима работы лазеров:
· режим непрерывного генерирования лазерного излучения (непрерывный режим); лазеры, работающие в непрерывном режиме, называются непрерывными;
· режим импульсного генерирования лазерного излучения (импульсный режим) и соответственно импульсные лазеры;
· режим импульсно-периодического лазерного излучения – импульсно-периодические лазеры.
В непрерывном режиме работы лазера мощность лазерного излучения на частоте генерирования не обращается в нуль при заданном интервале времени, значительно превышающем период колебаний, т. е. такие лазеры дают непрерывное излучение в течение длительного времени.
Импульсный режим характеризуется излучением энергий в виде импульсов. В таком импульсном лазере излучение длится очень недолго, ничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой энергии процесс оказывается сильно сжатым, сконцентрированным во времени, и мощность импульса получается огромной. Современные мощные импульсные лазеры (в основном твердотельные) дают импульсы длительностью до 0,01 нс (при энергии импульса 1 Дж их мощность достигает 100 млн. кВт).
В импульсно-периодическом режиме излучение формируется в виде периодических серий и импульсов – импульсных пакетов.
Дата добавления: 2017-05-02; просмотров: 1389;