3.3. Мощность накачки и кпд лазера
Для оценки КПД активного элемента и мощности накачки Pн при оптимальном значении тока разряда I рассчитывается падение напряжения на разрядной трубке U.
Последнее определяется падением напряжения в положительном столбе и величиной катодного падения Uк, которое в условиях нормального тлеющего разряда находится в пределах 150…200 В. Напряженность электрического поля в столбе (В/см)
.
(3.4)
Рассчитав величину E, находим
U = E + Uк , Pн = I U, КПД = Pвых / Pн . (3.5)
3.4. Рекомендуемый порядок расчета
Выбор геометрических размеров разрядного капилляра
Если задан диаметр пучка на выходном зеркале резонатора, диаметр трубки d следует выбрать несколько большим, имея, однако, в виду, что коэффициент усиления с увеличением диаметра уменьшается. Для ориентировочного определения длины активной области (длины разрядной трубки) можно воспользоваться следующим соотношением, определяющим величину нормированной мощности при оптимальных условиях:
Pвых /(d) 1-1,5 мВт/см 2 .
2. Определение основных параметров активной среды
Для расчета ненасыщенного коэффициента усиления выбираем, ориентируясь на имеющиеся экспериментальные данные, величину разрядного тока I, давление газовой смеси p, соотношение её компонентов. Если, например, отношение He к Ne составляет 4:1, то мольная доля неона , используемая в расчетной формуле (3.1), составит 1/5 часть.
По формулам (1.10а, 3.2, 3.3) определяем доплеровское (неоднородное) Δνнд и столкновительное (однородное) Δνодн уширение контура усиления, а также величину параметра насыщения Js.
3. Расчет резонатора
Длина резонатора L несколько превышает длину разрядной трубки и обычно выбирается из конструктивных соображений. В первом приближении её можно принять равной длине трубки или на 5 -10 см больше. Радиусы кривизны зеркал выбираем, ориентируясь на условие устойчивости резонатора (1.19). Рекомендуется при этом придерживаться следующего ряда: 0,5 м, 1 м, 2 м, 5м, 20 м и т.д.
Используя выражения (1.20 - 1.24), находим основные геометрические размеры объема, занимаемого электромагнитным полем в резонаторе, и площадь поперечного сечения пучка.
5. Определение паразитных (вредных) потерь и оптимального коэффициента пропускания выходного зеркала
Используя графики в приложении 1 (рис. П.1.1,П.1.2), оцениваем величину дифракционных потерь. При определении числа Френеля в качестве апертуры a следует принять радиус разрядной трубки или радиус диафрагмы, если её установка потребуется для выделения основной моды TEM00. Представление о величине потерь в интерференционных зеркалах дают экспериментальные результаты, указанные в табл. 3.1. Потери в окнах, герметизирующих трубку в лазерах с внешними зеркалами или устанавливаемых в лазерах с внутренними зеркалами для получения поляризованного излучения, не превышают 0,1...0,2 %. Для нахождения оптимального коэффициента пропускания выходного зеркала используются данные рис. 1.8 и соотношение (1.29).
После определения всех потерь проверяется условие (1.29), определяющее режим работы лазера. При его выполнении режим работы одномодовый, иначе – многомодовый. Для получения одномодового режима (если это оговаривается в задании) может потребоваться изменение радиусов кривизны зеркал или установка специальной диафрагмы, чтобы обеспечить более высокий уровень дифракционных потерь.
6. Расчет мощности излучения
По формуле (1.18) оцениваем число продольных мод резонатора в пределах контура усиления. При одночастотном режиме для расчета интенсивности потока излучения, падающего на выходное зеркало, используются выражения (1.15, 1.15, а). Если число продольных мод больше единицы и выполняется условие перекрытия провалов в контуре усиления (1.17), используется выражение (1.16). В остальных случаях интенсивность потока оцениваем как среднюю величину, определенную для этих двух крайних случаев. Более строгий расчет с использованием зависимости (1.12 ) выполняется с помощью ЭВМ.
Мощность лазерного излучения рассчитывается по формуле (1.30). Следует не забывать в случае многомодового режима увеличить поперечные размеры пучка и, соответственно, площадь его сечения (табл. 1.2).
7. Расчет выходного зеркала
Расчет зеркала заключается в выборе материала подложки, подборе материалов диэлектрических слоев и определении их числа (1.30, а), обеспечивающих величину коэффициента отражения, соответствующую оптимальному коэффициенту пропускания.
8. На заключительном этапе рассчитываются напряжение источника накачки и КПД лазера.