LS-Sb89572

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

___________________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ ЛЭТИ”

_____________________________________

ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И МЕТРОЛОГИЯ

Методические указания к лабораторным работам

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ “ ЛЭТИ”

2013

УДК 535 + 621.375.826

Лазерные технологии и метрология: методические указания к лабораторным работам / сост. Е. А. Смирнов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ ЛЭТИ”, 2013. 32 с.

Содержат описания лабораторных работ по исследованию характеристик, методов и устройств регистрации лазерного излучения, управления параметрами лазеров, используемых в установках лазерной технологии и метрологии.

Предназначены для студентов дневного отделения, обучающихся по образовательной программе подготовки бакалавров по направлению 210100 “ Электроника и наноэлектроника”.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013

2

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторные работы по дисциплине “ Лазерные технологии и метрология” выполняются бригадами студентов из 2–3 человек. К выполнению работ допускаются студенты, прошедшие инструктаж по правилам техники безопасности и неукоснительно соблюдающие их.

Перед началом выполнения работы необходимо ознакомиться с лабораторной установкой и расположением органов управления и измерительных приборов; с дополнительными инструкциями и схемами, прилагаемыми к лабораторной установке. Перед ее включением необходимо убедиться в исправности всех заземляющих устройств; проверить наличие и исправность светонепроницаемых экранов и защитных ограждений, защитных диэлектрических средств; проверить исправность защитных блокировок.

Внимание! Лабораторную установку можно включать только с разрешения преподавателя после получения инструктажа на рабочем месте.

Необходимо строго соблюдать меры предосторожности, исключающие возможность попадания прямого или отраженного высокоинтенсивного лазерного излучения на человека.

Выключение лабораторной установки производится с разрешения преподавателя после подписания протокола исследования.

Индивидуальный отчет о лабораторной работе должен включать:

1.Цель и содержание работы.

2.Схему лабораторной установки с пояснением принципа ее работы.

3.Таблицы и графики экспериментальных и расчетных зависимостей, расчетные формулы и примеры вычислений.

4.Обработанные осциллограммы сигналов с указанием масштаба осей координат, картины распределения интенсивности излучения, а также дополнительные данные, оговариваемые в разделах “ Порядок выполнения работы”.

5.Выводы, в которых анализируются полученные экспериментальные результаты и причины возможного отличия их от теоретических закономерностей.

Все таблицы и рисунки в отчете должны быть пронумерованы и снабжены необходимыми подписями, поясняющими суть и условия проведенных экспериментов и расчетов. Протоколы испытаний прилагаются к отчету.

1.ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТИ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

Цель работы – ознакомление с основными причинами и формами проявления нестабильности параметров лазеров, а также пассивными методами стабилизации мощности излучения.

3

1.1.Основные положения

Вряде областей, таких как технология, метрология, запись и воспроизведение информации, оптическая связь и т. д., непременным условием успешного применения лазеров является высокая временная стабильность параметров излучения. Основными параметрами лазерного излучения являются: ν – частота (λ – длина волны), P – выходная мощность (W – энергия), положение оси диаграммы направленности. Под стабильностью (Si) понима-

ется отношение среднего значения i-го параметра, например ν или P, к его наибольшему отклонению (δν или δP) в пределах выбранного времени усреднения (tс). Функция, обратная Si, называется нестабильностью рассмат-

риваемого параметра (Si−1). Различают кратковременную стабильность (пе-

риод колебаний параметра <1 с) и долговременную (период колебаний ≥1 с). Тогда для стабильности частоты и мощности лазерного излучения запишем:

Флуктуации параметров излучения любого лазера вызываются нестабильностью свойств трех основных его составляющих: активного элемента (АЭ), оптического резонатора (ОР) и источника накачки (ИН) и изменениями внешних условий. Кратковременные флуктуации тока накачки, обусловленные несовершенством ИН и колебательными свойствами АЭ лазеров, а также механические вибрации могут приводить к модуляции превышения усиления над потерями и, как следствие, к модуляции мощности излучения. Дрейфовые изменения уровня накачки и температуры окружающей среды сопровождаются нарушением температурных режимов АЭ и ОР и в итоге могут вызывать медленные изменения частоты и мощности генерации, а также отклонение оси диаграммы направленности лазерного пучка.

Долговременные, дрейфовые изменения параметров лазерного излучения чаще всего обусловлены нестационарным тепловым режимом лазера. Это имеет место, например, в переходный период после включения лазера, когда в процессе нагрева происходит изменение длины оптического резонатора L – расстояния между его зеркалами. Оценим влияние нестабильности длины ОР на частоту генерации лазера. Частота продольной моды с произвольным индексом q рассчитывается как

4

В момент t = t2 длина составит L0 + δL, а частота изменится до уровня

Согласно (1.5) сдвиг частоты δν пропорционален изменению длины δL (рис. 1.1). Минус в итоговом выражении (1.5) свидетельствует о разнонаправленности осей L и ν: если длина ОР увеличивается, то частота генерации уменьшается.

Рис. 1.1. Температурный сдвиг частот в многочастотном режиме генерации лазера

Менее наглядно, но с тем же результатом изменение частоты можно найти, продифференцировав выражение (1.2):

δνq = −q c2 δL. 2L

Используя (1.1), (1.5), найдем выражение для нестабильности частоты:

δν = δL . (1.6)

ν L

Таким образом, относительное изменение частоты совпадает по величине с относительным изменением длины оптического резонатора. В процес-

5

се изменения длины, например при повышении температуры (Т) ОР, частоты продольных мод дрейфуют, вызывая трансформацию спектра излучения лазера. В момент времени, когда смещение δν наблюдаемой моды достигнет значения межмодового интервала ∆νq = νq + 1 – νq = c/(2L), исходный и ко-

нечный спектры станут неотличимыми друг от друга. Далее в процессе дрейфа мод ситуация будет периодически повторяться с частотным интервалом δνmax = ∆νq. Из (1.6) можно определить изменение длины δLmax ОР, соответствующее максимально возможному сдвигу частоты δνmax = c/(2L), ко-

гда спектр лазера воспроизводится:

δLmax = L = λ . q 2

В случае температурного дрейфа ОР изменению длины δLmax соответ-

ствует определенное изменение δTmax. Тогда, используя линейную зависи-

мость L = f(T), можно записать:

δLmax = αT δTmax , (1.7)

L

где αT – линейный коэффициент термического расширения материала резо-

натора. Из (1.7) получаем:

Для типичных лазерных условий величина δTmax, соответствующая изменениям длины ОР δLmax = λ /2 и частоты генерации δνmax = ∆νq, не превышает десятых долей – единиц градусов.

При использовании лазеров в технологических и метрологических установках важным является временная стабильность не только частоты, но и генерируемой мощности. Рассмотрим влияние изменения длины оптического резонатора на поведение мощности излучения лазера. Дрейф частот в пределах зоны генерации ∆νген – между точками А и В, в которых усиление в ак-

тивной среде равняется уровню потерь, сопровождается изменением амплитуд и числа мод, генерируемых в многочастотном режиме (рис. 1.1). Полная выходная мощность излучения лазера складывается из отдельных частотных составляющих Pq, изменяющихся во времени:

P = ∑in=1Pqi = var (t).

6

Итак, флуктуации температуры влекут за собой изменение оптической длины резонатора. Это приводит к дрейфу мод и смещению сетки частот. Количество мод в контуре усиления и их амплитуды являются функциями времени. В итоге возникает нестабильность мощности излучения лазера. В лаконичной форме это выглядит следующим образом:

δT → δL → δν → δP.

Проанализируем поведение мощности излучения после включения лазера. Предположим, что температура и длина ОР изменяются во времени линейно (рис. 1.2). В соответствии с (1.2)–(1.5) при δL << L, что выполняется на практике, δνq << νq. Тогда в первом приближении можно полагать, что часто-

та также является линейной функцией времени. На рис. 1.2 вертикальные штриховые линии обозначают на осях моменты времени ti, в которые изме-

нения длины δL ОР кратны λ/2, а частоты генерации δν лазера кратны ∆νq.

Рассмотрим временные зависимости выходной мощности лазера при различных соотношениях ширины зоны генерации ∆νген и межмодового интервала ∆νq (рис. 1.3). Полагаем, что при смещении наблюдаемой частоты νq ее начальным положением является точка А – правая граница зоны генерации. В течение единичного интервала времени (ti + 1 – ti) частота νq сдвинется на величину ∆νq и займет положение частоты νq – 1 .

При равенстве межмодового интервала и зоны генерации (рис. 1.3, а) уровень нестабильности мощности излучения лазера Pа(t) достигает 100 % (рис. 1.2). При ∆νген < ∆νq может возникнуть ситуация, когда дрейфующие моды окажутся вне зоны генерации. В этом случае на зависимости Pb = f(t)

появятся области, в пределах которых генерация будет отсутствовать.

В режиме одновременной генерации нескольких частот (рис. 1.3, в) уменьшение амплитуд у одних мод компенсируется их увеличением у других. В итоге при многочастотной генерации (∆νген > ∆νq) суммарные откло-

нения P от среднего уровня становятся меньше и стабильность мощности лазерного излучения повышается обратно пропорционально числу мод.

При реальных, нелинейных изменениях температуры и, соответственно, длины ОР и частоты излучения период колебаний мощности будет увеличиваться. После включения лазера может происходить неравномерный нагрев отдельных элементов оптического резонатора. Следствием этого является отклонение зеркал от начального положения (разъюстировка ОР) и изменение коэффициента превышения усиления (K) над уровнем потерь квантов

7

Рис. 1.3. Дрейф частот излучения лазера при различных условиях генерации: а – ∆νq = ∆νген; б – ∆νq > ∆νген; в – ∆νq < ∆νген

когерентного излучения. Генерируемая лазером мощность прямо пропорцио-

нальна величине (K – 1), поэтому в зависимости от характера начальной настройки (юстировки) ОР средний уровень Р в процессе установления тепло-

вого режима лазера может нарастать либо снижаться. Наиболее целесообразен способ “ горячей” юстировки, при котором в установившемся тепловом режи-

9

ме зеркала ОР занимают положение, обеспечивающее максимально возмож-

ный уровень лазерной генерации.

В Не–Ne- лазере генерация возможна на трех переходах: с длинами волн

λ1 = 633 нм, λ2 = 1152 нм и λ3 = 3391 нм. Минимальным усилением 0.05...0.1 м–1

обладает видимый переход λ1, наиболее широко используемый на практике.

Максимальное усиление (около 1 м–1 ) имеет переход с λ3. Переходы с λ1 и λ3

являются связанными – имеют общий верхний лазерный уровень и черпают энергию из одного источника. В итоге наблюдается сильная конкуренция между переходами. Для ослабления конкуренции и обеспечения генерации лазера на одной длине волны необходимо принимать специальные меры, создающие наиболее благоприятные условия для выбранного перехода и увеличивающие потери для других каналов. Наиболее простым способом селекции является использование зеркал, обеспечивающих выполнение условий генерации только для одной из возможных длин волн. Но применяемые в Не–Ne- лазерах многослойные четвертьволновые покрытия зеркал имеют достаточное отражение для возникновения генерации и на λ1, и на λ3, т. е. на видимом и на

инфракрасном переходах. Для подавления генерации на λ3 вместо кварцевых применяют стеклянные выходные окна и подложки зеркал, поглощающие ИКизлучение. Внутри ОР располагают ячейку с метаном, селективно поглощаю-

щую излучение с λ3. Разрядную трубку с окнами Брюстера можно поместить в арочное поперечное магнитное поле, вызывающее зеемановское расщепление энергетических уровней, пропорциональное напряженности магнитного поля. Соответствующее изменение поляризации увеличивает потери ИК-излучения с λ3 при прохождении через выходные окна, вплоть до срыва ИК-генерации.

При прочих равных условиях влияние на степень стабильности генерации конкурирующих переходов с длинами волн 633 и 3391 нм оказывает дрейф продольных мод при изменении длины ОР. Условия оптимальной генерации для каждого из двух переходов повторяются при δL = λ/2 или в масштабе частот δν = ∆νq = с/(2nL). Вследствие конкуренции мощность излучения слабого видимого канала генерации при изменениях L будет дополнительно модулироваться в противофазе с изменениями мощности ИК-канала.

Оптический резонатор должен обеспечивать заданное взаимное положение зеркал и обладать стабильностью оптической длины, угловой стабильностью и виброустойчивостью. Для повышения долговременной стабильности частоты и мощности излучения лазера несущую конструкцию ОР целесооб-

10