Структурная схема лазера

Структурная схема лазера 5

1.2 Твердотельный лазер 10

2 Программа Electronics Workbench 12

3 Моделирование лазерной схемы 14

Список использованных источников 21

Введение

Компьютерные модели стали обычным инструментом математического моделирования и применяются в физике, астрофизике, механике, химии, биологии, экономике, социологии, метеорологии, других науках и прикладных задачах в различных областях радиоэлектроники, машиностроения, автомобилестроения и проч. Компьютерные модели используются для получения новых знаний о моделируемом объекте или для приближенной оценки поведения систем, слишком сложных для аналитического исследования.

Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в силу их возможности проводить т. н. вычислительные эксперименты, в тех случаях когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых или физических препятствий или могут дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет определить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оригинала (или целого класса объектов), в частности, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения ее параметров и начальных условий.

Построение компьютерной модели базируется на абстрагировании от конкретной природы явлений или изучаемого объекта-оригинала и состоит из двух этапов - сначала создание качественной, а затем и количественной модели. Чем больше значимых свойств будет выявлено и перенесено на компьютерную модель - тем более приближенной она окажется к реальной модели, тем большими возможностями сможет обладать система, использующая данную модель. Компьютерное же моделирование заключается в проведении серии вычислительных экспериментов на компьютере, целью которых является анализ, интерпретация и сопоставление результатов моделирования с реальным поведением изучаемого объекта и, при необходимости, последующее уточнение модели и т. д.

Различают аналитическое и имитационное моделирование. При аналитическом моделировании изучаются математические (абстрактные) модели реального объекта в виде алгебраических, дифференциальных и других уравнений, а также предусматривающих осуществление однозначной вычислительной процедуры, приводящей к их точному решению. При имитационном моделировании исследуются математические модели в виде алгоритма(ов), воспроизводящего функционирование исследуемой системы путем последовательного выполнения большого количества элементарных операций.

Описание лазера

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.

Лазерное излучение высоко монохроматично, 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.

Структурная схема лазера

Структурная схема лазера может дополняться рядом элементов, обеспечивающих работо­способность лазера или служащих для управления лазерным излучением. К таким до­полнительным элементам можно отнести 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.

Рисунок 1.1. 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 самогенера - ции 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 — неэкономичный 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 /2 (/лаз — длина волны лазерного излучения). Например, если лазер излучает импульс энергии I Дж в течение 1 мс, т. е. мощностью всего около 1 кВт с длиной волны 7,лаз = 0,69 мкм, то интенсивность излучения в фокусе может достигать значения 1 кВт/>.лаз 10й Вт/см2.

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 телесного угла. Но за это качество мы платим высокую цену — кпд лазеров порядка 10%, т. е. на каждый джоуль лазерного излучения следует затратить примерно 10 Дж энергии накачки. Но при этом плотность энергии лазерного излучения огромна: для мощных лазеров она, в частно­сти, больше плотности энергии, достижимой при ядерном взрыве.

Лавинообразное нарастание энергии лазерного излучения в активной среде вдоль оси резонатора хорошо описывается экспонентой с положительным показателем

При некотором значении энергии накачки, которое называется порогом генерирования лазера, что означает лавинообразное усиление энергии лазерного излучения, т. е. ге­нерацию. Таким образом, порог генерирования лазера — это энергия (или мощность), поступающая на вход источника питания лазера, при которой коэффициент лазерного уси­ления на частоте генерирования равен коэффициенту потерь в оптическом резонаторе на той же частоте.

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 — средняя частота (или средняя длина волны) спектра лазерного излучения;

- ширина линии лазерного излучения 8 — расстояние между точками контура спек­тральной линии лазерного излучения, соответствующими половине интенсивности линии в максимуме;

- расходимость лазерного излучения 0Р — плоский или телесный угол, характеризую­щий угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения;

- время готовности лазера /гот — 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 не.

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 не (при энергии импульса 1 Дж их мощность достигает 100 млн кВт).

Твердотельный лазер

Рисунок 1.2 Принципиальная схема твердотельного лазера

Принципиальная схема твердотельного импульсного лазера весьма проста. Активная среда - вещество, в котором возникает излучение (кристаллы рубина, алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима и другие материалы), - имеет форму цилиндра или стержня. Его помещают в резонатор в виде двух параллельных зеркал - полупрозрачного переднего и "глухого", непрозрачного, заднего. Возле активной среды смонтирована система накачки - импульсная лампа, которую вместе со стержнем окружает зеркало, фокусирующее свет на активной среде (им нередко служит кварцевый цилиндр, покрытый слоем металла).

Активная среда "сконструирована" таким образом, что ее атомы имеют как минимум три энергетических уровня. В нормальном состоянии все они находятся на уровне с наименьшей энергией Е ₀. Когда загорается лампа, энергия ее света поглощается атомами и переводит их из низшего энергетического состояния на более высокий уровень Е ₂, откуда они незамедлительно опускаются на уровень Е ₁. На этом - возбужденном - уровне атомы могут находиться достаточно долго (по квантовым масштабам, разумеется). Наличие такого уровня (он называется метастабильным) - необходимое условие получения лазерного импульса. С этого уровня атом возвращается в исходное состояние, излучая фотон. Причем каждый фотон, пролетая мимо возбужденного атома, заставляет его излучать тоже. Отражаясь в зеркалах резонатора, фотоны многократно проходят активную среду (добротность резонатора чрезвычайно велика: его зеркала поглощают только один фотон из миллиона) и вырываются наружу через полупрозрачное зеркало в виде светового импульса. Но лампа горит долго (опять-таки по квантовым масштабам), и атомы среды за это время успевают много раз "сбросить" энергию. Поэтому лазерная вспышка при внимательном рассмотрении выглядит как "гребенка" из десятков и сотен очень коротких импульсов, а сам такой режим называется "пучковым".

Если же в резонатор поместить затвор, перекрывающий путь фотонам, его добротность упадет до нуля, и вся энергия лампы накачки станет уходить на возбуждение атомов активной среды. Затвор откроется, когда свечение лампы накачки и, следовательно, количество возбужденных атомов достигнут максимума. Тогда добротность резонатора мгновенно возрастет до максимума, и вся накопленная энергия "выплеснется" в виде очень короткого импульса огромной мощности. Этот вариант работы лазера именуется режимом модуляции добротности или "гигантского импульса".