Міністерство освіти, науки, молоді та спорту України

Національний університет "Львівська політехніка"

Кафедра «Електронних приладів»

Курсова робота з курсу

“Квантова електроніка та лазерна техніка”

на тему:

“ Розрахунок просторових та енергетичних характеристик СО лазера ”

Виконав:

Студент групи ЕЛ-31

Діденко С.М.

Прийняв:

Микитюк З. М.

Львів 2012р.

Зміст

Вступ.........................................................................................................................3

1.Теоретична частина

1.1 Пристрій лазера……………………………………………………………..6

1.2. Активне середовище……………………………………………………….6

1.3. Система накачування………………………………………………………7

1.4. Використання та сутність СО-лазерів(лазерів на монооксиді вуглецю)..10

1.5. Будова………………………………………………………………………12

1.6. Принцип роботи……………………………………………………………..13

2. Розрахунок просторових та енергетичних характеристик СО-лазера…………………………………………………………………..14

Вступ

Лазер (англ. laser, акронім від англ. Light amplification by stimulated emission of radiation - посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання), оптичний квантовий генератор - пристрій, що перетворює енергію накачування (світлову, електричну, теплову, хімічну та ін) в енергію когерентного, монохроматичного, поляризованого та вузьконаправленого потоку випромінювання.

Фізичною основою роботи лазера служить квантовомеханічне явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Випромінювання лазера може бути безперервним, з постійною потужністю, або імпульсним, що досягає гранично великих пікових потужностей. У деяких схемах робочий елемент лазера використовується в якості оптичного підсилювача для випромінювання від іншого джерела. Існує велика кількість видів лазерів, що використовують в якості робочого середовища всі агрегатні стани речовини. Деякі типи лазерів, наприклад лазери на розчинах барвників або поліхроматичні твердотільні лазери, можуть генерувати цілий набір частот (мод оптичного резонатора) в широкому спектральному діапазоні. Габарити лазерів різняться від мікроскопічних для ряду напівпровідникових лазерів до розмірів футбольного поля для деяких лазерів на неодімовім склі. Унікальні властивості випромінювання лазерів дозволили використовувати їх в різних галузях науки і техніки, а також в побуті, починаючи з читання і запису компакт-дисків і закінчуючи дослідженнями в галузі керованого термоядерного синтезу.

Фізичною основою роботи лазера служить явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Суть явища полягає в тому, що збуджений атом здатний випромінювати фотон під дією іншого фотона без його поглинання, якщо енергія останнього дорівнює різниці енергій рівнів атома до і після випромінювання. При цьому випромінювання фотона когерентне фотону, який викликав випромінювання (є його «точною копією»). Таким чином відбувається посилення світла. Цим явище відрізняється від спонтанного випромінювання, в якому випромінювані фотони мають випадкові напрямку поширення, поляризацію і фазу.

Імовірність того, що випадковий фотон викличе індуковане випромінювання порушеної атома, в точності дорівнює ймовірності поглинання цього фотона атомом, що знаходяться в збудженому стані.Тому для посилення світла необхідно, щоб збуджених атомів у середовищі було більше, ніж не збудженому (так звана інверсія населенностей). У стані термодинамічної рівноваги ця умова не виконується, тому використовуються різні системи накачування активного середовища лазера (оптичні, електричні, хімічні та ін).

Першоджерелом генерації є процес спонтанного випромінювання, тому для забезпечення спадкоємності поколінь фотонів необхідне існування позитивного зворотного зв'язку, за рахунок якого випромінені фотони викликають наступні акти індукованого випромінювання. Для цього активне середовище лазера поміщається в оптичний резонатор. У простому випадку він являє собою два дзеркала, одне з яких напівпрозоре - через нього промінь лазера частково виходить з резонатора. Відбиваючись від дзеркал, пучок випромінювання багаторазово проходить по резонатору, викликаючи в ньому індуковані переходи. Випромінювання може бути як безперервним, так і імпульсним. При цьому, використовуючи різні прилади (обертові призми, осередку Керра та ін) для швидкого виключення і включення зворотного зв'язку та зменшення тим самим періоду імпульсів, можливо створити умови для генерації випромінювання дуже великої потужності (так звані гігантські імпульси). Цей режим роботи лазера називають режимом модульованої добротності.

Генероване лазером випромінювання є монохроматичним (однієї або дискретного набору довжин хвиль), оскільки ймовірність випромінювання фотона певної довжини хвилі більше, ніж близько розташованої, пов'язаної з розширенням спектральної лінії, а, відповідно, і ймовірність індукованих переходів на цій частоті теж має максимум. Тому поступово в процесі генерації фотони даної довжини хвилі будуть домінувати над усіма іншими фотонами . Крім цього, через особливого розташування дзеркал в лазерному промені зберігаються лише ті фотони, які поширюються в напрямку, паралельному оптичній осі резонатора на невеликій відстані від неї, інші фотони швидко залишають об'єм резонатора. Таким чином промінь лазера має дуже малий кут розходження. Нарешті, промінь лазера має строго певну поляризацію. Для цього в резонатор вводять різні поляризатори, наприклад, ними можуть служити плоскі скляні платівки, встановлені під кутом Брюстера до напрямку поширення променя лазера.

1.1 Пристрій лазера

Всі лазери складаються з трьох основних частин:

активної (робочої) середовища;

системи накачки (джерело енергії);

оптичного резонатора (може бути відсутнім, якщо лазер працює в режимі підсилювача).

Кожна з них забезпечує для роботи лазера виконання своїх певних функцій.

1.2 Активне середовище

В даний час в якості робочого середовища лазера використовуються різні агрегатні стани речовини: тверде, рідке, газоподібне, плазма.У звичайному стані число атомів, що знаходяться на збуджених енергетичних рівнях, визначається розподілом Больцмана:

тут N - число атомів, що знаходяться у збудженому стані з енергією E, N0 - число атомів, що знаходяться в основному стані, k - постійна Больцмана, T - температура середовища. Іншими словами, таких атомів, що знаходяться у збудженому стані менша, ніж в основному, тому ймовірність того, що фотон, поширюючись по середовищу, викличе вимушене випромінювання також мала в порівнянні з ймовірністю його поглинання. Тому електромагнітна хвиля, проходячи по речовині, витрачає свою енергію на збудження атомів. Інтенсивність випромінювання при цьому падає за законом Бугера:

тут I₀ - початкова інтенсивність, It - інтенсивність випромінювання, що пройшов відстань l в речовині, ­a₁- показник поглинання речовини. Оскільки залежність експоненціальна, випромінювання дуже швидко поглинається.

У тому випадку, коли число збуджених атомів більше, ніж не збудженому (тобто в стані інверсії населенностей), ситуація прямо протилежна. Акти вимушеного випромінювання переважають над поглинанням, і випромінювання посилюється за законом:

де a­­­₂ - коефіцієнт квантового підсилення. У реальних лазерах підсилення відбувається до тих пір, поки величина надходить за рахунок вимушеного випромінювання енергії не стане рівною величині енергії, що втрачається в резонаторі. Ці втрати пов'язані з насиченням метастабільного рівня робочої речовини, після чого енергія накачування йде тільки на його розігрів, а також з наявністю безлічі інших чинників (розсіювання на неоднорідностях середовища, поглинання домішками, неідеальність відображення дзеркал, корисне і небажане випромінювання в навколишнє середовище тощо).

1.3 Система накачування

Для створення інверсної населеності середовища лазера використовуються різні механізми. У твердотільних лазерах вона здійснюється за рахунок опромінення потужними газорозрядними лампами-спалахами, сфокусованим сонячним випромінюванням (так звана оптична накачування) і випромінюванням інших лазерів (зокрема, напівпровідникових).При цьому можлива робота тільки в імпульсному режимі, оскільки потрібні дуже великі густини енергії накачування, що викликають при тривалому впливі сильний розігрів і руйнування стрижня робочої речовини. У газових і рідинних лазерах (див. гелій-неоновий лазер, лазер на барвниках) використовується накачування електричним розрядом. Такі лазери працюють в безперервному режимі. Накачування хімічних лазерів відбувається за допомогою протікання в їх активному середовищі хімічних реакцій. При цьому інверсія населенностей виникає або безпосередньо у продуктів реакції, або у спеціально запроваджених домішок з відповідною структурою енергетичних рівнів. Накачування напівпровідникових лазерів відбувається під дією сильного прямого струму через p-n перехід, а також пучком електронів. Існують і інші методи накачування (газодинамічні, які полягають у різкому охолодженні попередньо нагрітих газів; фотодисоціація, окремий випадок хімічної накачування і ін).

На малюнку: а - трирівнева і б - чотирирівнева схеми накачування активного середовища лазера.

Класична трирівнева система накачування робочого середовища використовується, наприклад, в рубіновому лазері. Рубін являє собою кристал корунду Al2O3, легований невеликою кількістю іонів хрому Cr3 +, які і є джерелом лазерного випромінювання. Через вплив електричного поля кристалічної решітки корунду зовнішній енергетичний рівень хрому E2 розщеплений (див. ефект Штарка). Саме це робить можливим використання немонохроматичного випромінювання в якості накачки.При цьому атом переходить з основного стану з енергією E0 у збуджений з енергією близько E2. У цьому стані атом може перебувати порівняно недовго (порядку 10-8 с), майже відразу відбувається безвипромінювальний перехід на рівень E1, на якому атом може знаходитися значно довше (до 10-3 с), це так званий метастабільний рівень. Виникає можливість здійснення індукованого випромінювання під впливом інших випадкових фотонів. Як тільки атомів, що знаходяться в метастабільному стані стає більше, ніж в основному, починається процес генерації.

Слід зазначити, що створити інверсію населенностей атомів хрому Cr за допомогою накачування безпосередньо з рівня E0 на рівень E1 можна. Це пов'язано з тим, що якщо поглинання і вимушене випромінювання відбуваються між двома рівнями, то обидва ці процеси протікають з однаковою швидкістю. Тому в даному випадку накачка може лише зрівняти населеності двох рівнів, чого недостатньо для виникнення генерації.

У деяких лазерах, наприклад в неодимовому, генерація випромінювання в якому відбувається на іонах неодиму Nd3 +, використовується чотирирівнева схема накачки. Тут між метастабільним E2 і основним рівнем E0 мається проміжний - робочий рівень E1. Вимушене випромінювання відбувається при переході атома між рівнями E2 і E1. Перевага цієї схеми полягає в тому, що в даному випадку легко виконати умову інверсної населеності, так як час життя верхнього робочого рівня (E2) на кілька порядків більше часу життя нижнього рівня (E1). Це значно знижує вимоги до джерела накачування. Крім того, подібна схема дозволяє створювати потужні лазери, що працюють в безперервному режимі, що дуже важливо для деяких застосувань. Однак подібні лазери володіють істотним недоліком у вигляді низького квантового ККД, яке визначається як відношення енергії випроміненого фотона до енергії поглинутого фотона накачування .