Оптоинформатика (стр. 6 из 19)

В неодимовом лазере основная доля мощности накачки расходуется на потери в резонаторе и на полезное выходное излучение. При этом для получения генерации достаточно перевести на уровень ⁴F_3/2 лишь малую часть ионов неодима, находящихся на основном уровне. Это выгодно отличает подобный вид лазеров от лазеров, работающих по трехуровневой схеме. В последних нижним рабочим уровнем является основной уровень и для создания инверсной населенности требуется перевести на метастабильный уровень не менее половины ионов с основного уровня, а с учетом потерь в резонаторе и полезного излучения - более половины ионов. Поэтому в трехуровневых лазерах (например, у лазера на рубине) мощность накачки расходуется менее производительно и КПД этих лазеров существенно ниже.

Режим свободной генерации получается в случае накачки активной среды импульсным излучением с временем импульса накачки меньшим или равным времени жизни на метастабильном верхнем рабочем уровне, приблизительно равному для YAG:Nd 300 мкс. В данном случае, в зависимости от энергии накачки, могут генерироваться много хаотически расположенных во времени световых импульсов, каждый из которых длительностью порядка 1 мкс, при общей длительности несколько меньшей длительности возбуждающего светового импульса (100…200 мкс).

Для получения более коротких лазерных импульсов, обладающих значительно большей мощностью, используется режим модуляции добротности резонатора. Все известные методы модуляции добротности резонаторов подразделяются на активные и пассивные, К активным методам модуляции относят те, в которых модулирующие устройства меняют значение потерь, вносимых в резонатор, по заранее заданному закону или в соответствии с внешним управляющим сигналом. Пассивные модулирующие элементы управляются непосредственно полем излучения, имеющимся в резонаторе.

Схемы с пассивными фототропными просветляющимися затворами применяются для модуляции добротности с целью получения световых импульсов наносекундного диапазона и большой мощности. Фототропный затвор представляет собой резонансный поглотитель, прозрачность которого изменяется под действием интенсивного светового (лазерного) потока. Вещество, из которого изготовлен фототропный затвор, содержит молекулы (атомы), резонансно поглощающие излучение на частоте рабочего перехода для данного лазера.

Для лазеров в качестве просветляющихся фототропных сред обычно используют растворы полиметиновых красителей. Однако фототропные затворы на основе полиметиновых красителей имеют низкую лучевую стойкость и при работе лазера на частоте 30 - 40 Гц быстро выходят из строя. На данной лабораторной установке используется фототропный затвор, созданный на основе кристалла фтористого лития, роль поглощающих центров в котором выполняют дефекты в кристаллической решетке, создаваемые гамма-излучением (F – центры). Просветляющийся фильтр на основе кристалла фтористого лития обладает повышенной лучевой стойкостью и позволяет работать с частотами следования импульсов до 100 Гц.

Для эффективного удвоения частоты нелинейная среда должна быть оптически прозрачна на частотах w и 2w, иметь достаточно большое двулучепреломление, нелинейная восприимчивость c⁽²⁾ должна быть по возможности максимальной. Перечисленные условия наиболее полно удовлетворяются кристаллах дигидрофосфата калия КН₂РО₄( КDР), дигидрофосфата аммония NН₃Н₂ РО₄(АDР), ниобата лития LiNb0₃, калий-титанил-фосфата (KTiOPO₄ (KTP)) и др. При выполнении условия волнового синхронизма в кристаллах достигается коэффициент преобразования во вторую гармонику до 50%. Более эффективны системы, в которых нелинейный кристалл помещают внутри лазерного резонатора. При оптимальном согласовании оптических элементов резонатора можно обеспечить выходное излучение только на частоте второй гармоники.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Схема экспериментальной установки изображена на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки.

1 – гелий-неоновый лазер, используемый для юстировки оптической схемы. 2 - экран с отверстием. 3 - плоские зеркала резонатора лазера на АИГ. 4 - пассивный модулятор. 5 - осветитель лазера на АИГ, содержащий активный элемент и импульсную лампу накачки. 6 - диафрагма переменного сечения. 7 - отражательные поворотные пластины. 8 - поворотный стол с установленным на нем кристаллом КДП. 9,10 - экраны. 11 – гелий-неоновый лазер системы контроля поворота кристалла КДП. 12 - приемники излучения системы контроля мощности лазерного излучения (ИМО-2М).

Длина кристалла алюмоиттриевого граната, с ионами трехвалентного неодима 80 мм, диаметр - 5 мм. Кристалл расположен внутри осветителя, между плоскими диэлектрическими зеркалами, которые образуют открытый оптический резонатор лазера. Расстояние между зеркалами 800 мм. Накачка активного стержня из граната осуществляется импульсной лампой линейного типа, которая питается от батареи конденсаторов. Батарея конденсаторов заряжается от выпрямителя до напряжения 800 - 1000 В. Поджиг лампы осуществляется при подаче на лампу высокочастотного импульса напряжением 10 кВ. Специальный электронный блок обеспечивает работу зарядного блока на частоте 14 и 28 герц. Для повышения эффективности накачки кристалл граната и импульсная лампа помещены в кварцевый блок с отверстиями вдоль продольной оси. Наружная поверхность кварцевого блока покрыта высокоотражающим покрытием из алюминия. Кристалл граната и лампа охлаждаются водой, протекающей внутри кварцевого блока. Большое расстояние между зеркалами позволяет помещать внутрь резонатора различные вспомогательные элементы: устройство для осуществления пассивной модуляции добротности резонатора, диафрагму переменного сечения, кристалл KDP или ниобата лития для внутрирезонаторного преобразования частоты излучения. Питание лазерной установки осуществляется от сети переменного тока напряжением 380 вольт. Напряжение на конденсаторах, питающих импульсную лампу, регистрируется вольтметром, помещенном на передней панели прибора и может регулироваться, в пределах 800 - 1000 вольт.

Более подробно с электрической схемой прибора можно ознакомиться по заводскому описанию.

Грубая юстировка осуществляется с помощью малогабаритного гелий-неонового лазера типа ЛГ-13 или ЛГ-56. Лазер установлен на специальной подставке, позволяющей осуществлять перемещение лазера по вертикали и по горизонтали, перпендикулярно оптической оси всей установки, а также изменять наклон оси лазера, в вертикальной и горизонтальной плоскостях. С целью удобства наблюдения бликов, отраженных от поверхностей оптических элементов, на передней оправе гелий-неонового лазера укреплен белый экран (100x100 мм) с отверстием порядка 1 мм. Элементы оптической схемы последовательно выставляются по лучу при их перемещении в пространстве и грубо выставляются на параллельность путем их поворота так, чтобы отраженный от каждого оптического элемента луч попал в отверстие на экране.

Точная юстировка элементов оптической схемы лазерной установки осуществляется с помощью автоколлиматора. Цель юстировки - выставить зеркала и другие оптические элементы так, чтобы луч света, перпендикулярный зеркалу с отражением близким к 100 % (заднее зеркало) после прохождения активного элемента падал перпендикулярно на выходное зеркало.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Детально ознакомиться с устройством и функционированием всех элементов лазера на YAG:Nd и схем, обеспечивающих его работу.

2. Ознакомиться с приёмами сборки и юстировки элементов лазера. С помощью вспомогательного гелий-неонового лазера выполнить юстировку оптических элементов лазера. Выполнить оценку точности установки элементов оптической схемы по углу. Собрать и отъюстировать внерезонаторную часть оптической системы, включающей и зону объекта возможного исследования. (В зависимости от степени подготовленности студентов этот пункт может быть несколько модифицирован, например, работа выполняется на собранной и отъюстированной установке)

3. Ознакомиться с методами измерения мощности излучения с помощью прибора ИМО-2. Собрать и отъюстировать измерительную схему, позволяющую измерять мощность излучения в двух точках оптической системы – точка 1 – основное излучение, точка 2 – преобразованное излучение (вторая гармоника). Используя инструкцию к прибору ИМО-2 подготовить его к проведению измерений. Рассмотреть вопрос об оценке точности измерений, проводимых с помощью прибора ИМО-2.

4. Произвести измерения мощности излучения лазера на YAG:Nd в режимах свободной генерации, модулированной добротности резонатора и при получении излучения второй гармоники.

5. Выполнить расчеты, необходимые для оценки параметров основного и преобразованного излучения с учетом потерь на оптических элементах схемы.

Таблица 1: Необходимые данные для проведения вычислений мощности лазерного излучения I с учетом потерь на элементах оптической схемы.

(см. рис. 2).

I_i	I_i/I₀
I₀	1.000
I₁	0.080
I₂	0.920
I₃	0.074
I₄	0.846

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ