МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

РОЗРАХУНОК ТА ПРОЕКТУВАННЯ ТВЕРДОТІЛЬНИХ ЛАЗЕРІВ

Методичні вказівки

до курсового проекту

з дисципліни "Основи проектування та конструювання лазерів"

для студентів базового напрямку

0911 “Лазерна та оптоелектронна техніка”

Затверджено На засіданні кафедри «Фотоніка»

Протокол №1 від 21.01.03р.

Львів 2011

Розрахунок та проектування твердотільних лазерів: Методичні вказівки до курсового проекту/Укл.: Петровська Г.А. – Львів: Видавництво Національного університету Львівська політехніка, 2003. – 50 с.

Укладач Петровська Г.А., старший викладач

Відповідальний за випуск Бобицький Я.В.

д-р техн. наук, проф.

Рецензенти Муравський Л.І., д-р фіз.мат. наук

Фітьо В.М., канд. техн. наук, доц.

Зміст

	Вступ	3
1.	Енергетичний розрахунок ТТЛ	4
1.1.	Чотирирівнева система
1.2.	Неперервний режим роботи лазера	7
1.2.1.	Чотирирівнева система	7
1.2.2.	Оптимальний зв’язок на виході лазера	11
1.2.3.	Нестаціонарний режим роботи лазера	12
1.3.	Модуляція добротності	13
1.3.1.	Синхронізація фаз	19
1.4.	Одночастотна і багаточастотна генерація	21
1.4.1	Причини виникнення багатоходової генерації	21
1.4.2.	Одномодовий режим генерації	23
1.5.	Генрація другої гармоніки	28
2.	Оптичне накачування	34
2.1	Лампове бокове накачування	34
2.1.1.	Випромінювальна ефективність і ефективність передачі	35
2.1.2	Ефект передачі	35
2.1.3.	Ефективність поглинання і квантовий вихід накачки	38
2.2.	Лампове торцеве накачування	40
2.3.	Діодне бокове накачування	42
2.4.	Діодне торцеве накачування	43
2.4.1.	Розрахунок потужності діода	43
2.4.2.	Розрахунок оптичних покрить	45
2.4.3.	Розрахунок оптичної системи	46
3.1.	Порядок розрахунку YAG:Nd лазера	48
3.1.1.	Розділення підсилення	48
3.2.1.	Підбір довжини стержня	48
3.2.2	Розрахунок просторових параметрів	50
4.	Розрахунок оптимального діаметру активного елемента	53
4.1.	Розрахунок втрат	54
4.2.1.	Умова генерації лазера	56
4.2.2.	Вихідна потужність	58
5.	Розрахунок накачування	59
	Список використаної літератури	62
	Висновок	64

Вступ

З часу свого створення у 1964 році вченим Г.Гейзеком лазери на гранаті з неодимом пройшли вже 40-річний шлях розвитку і досі є одними з найбільш корисних в науці і техніці. Популярність цього типу лазерів зумовлена вдалим поєднанням механічних, фізичних та спектрально-люмінесцентних властивостей активного середовища, що дозволяє реалізувати практично всі відомі режими генерації з гарними вихідними характеристиками випромінювання. Конструктивно лазери на гранаті з неодимом компактні та надійні.

YАG:Nd -лазери належать до класу твердотільних(ТТЛ) - досить важливого класу лазерів. Достатньо згадати, що перший винайдений лазер - рубіновий - твердотільник. До цього класу належать лазери, в яких активним середовищем служить діелектричний кристал або скло. Активними центрами у середовищі є домішкові іони, якими легований кристал. Здебільшого вони відносяться до однієї з груп перехідних елементів періодичної системи.

Переходи, які використовуються для генерації включають електронні рівні незаповнених внутрішніх оболонок. Тому такі переходи слабо піддаються дії кристалічного поля. Крім того ці переходи заборонені в наближенні електродипольної взаємодії. Тому час спонтанної релаксації потрапляє в мілісекундний, а не в наносекундний діапазон, як у випадку електродипольних переходів. Обидві вказані вище особливості приводять до наступних важливих наслідків для лазерної генерації. По-перше, безвипромінювальні канали релаксації доволі слабкі. Отже, час життя верхнього рівня приблизно дорівнює спонтанному часу життя, тобто він потрапляє в мілісекундний діапазон.ТТЛ володіють важливими перевагами, які дають їм можливість конкурувати з іншими класами. До цих переваг відносяться: можливість отримання високих потужностей, генерація у видимій і близькій інфрачервоній області. ТТЛ широко використовуються для вимірювання віддалей, в наукових застосуваннях, при обробці матеріалів, в медицині.

Для створення інверсії населенностей в активному середовищі YАG:Nd (і в ТТЛ загалом) використовують виключно оптичне накачування.

Системи оптичної накачки поділяються на некогерентні, які реалізуються за допомогою штучних або природніх джерел та когерентні — високоселективна лазерна накачка.

В даних методичних вказівках описано методику розрахунку YАG:Nd³⁺ – лазерів, що працюють в неперервному чи імпульсному режимі, з модуляцією добротності чи при синхронізації фаз.

В роботі показано, як розраховуються енергетичні, просторово-часові параметри лазерного випромінювання, параметри системи лампового та діодного

накачування.