LS-Sb89572

разно изготавливать из материалов с низким коэффициентом термического расширения и изолировать ОР от температурных воздействий. В этом случае юстировочные устройства зеркал фиксируются с помощью инваровых и кварцевых стержней или труб, жестко стягивающих торцевые фланцы ОР. Достаточной угловой стабильностью обладают ОР в виде силуминовых или дюралевых уголков. Благодаря массивности вся структура медленно реагирует на термические возмущения. Хорошая теплопроводность указанных материалов обеспечивает равномерное растекание тепла, исключает угловую разъюстировку ОР. Вследствие этого обеспечивается относительно высокая долговременная стабильность мощности при низкой стабильности частоты излучения лазера. В твердотельных и СО2-лазерах с принудительным водя-

ным охлаждением, где тепловое влияние на резонатор невелико, несущая конструкция ОР часто выполняется в виде литого замкнутого короба, имеющего необходимые люки для установки активных элементов и оптики. В твердотельных лазерах несущая конструкция ОР может выполняться в виде массивной плиты, на которой крепятся все оптические элементы. В газоразрядных лазерах коаксиальной конструкции роль несущей ОР часто выполняет наружная кварцевая или стеклянная оболочка. ОР, как правило, помещаются в кожухи из хорошо проводящих тепло материалов, которые выполняют роль пы- ле-, влаго- и теплозащитных экранов.

Серийно выпускаемые лазеры обладают уровнем нестабильности мощности излучения от единиц до десятков процентов и часто не соответствуют предъявляемым требованиям. Использование их без принятия мер по стабилизации выходной мощности затруднительно. Методы пассивной стабилизации параметров лазерного излучения базируются на конструктивных решениях, термостабилизации, минимизации уровня вибраций и т. п. Методы активной стабилизации основаны на принципах отрицательной обратной связи. В активных системах отклонение стабилизируемого параметра от нормы вызывает компенсирующее изменение какого-либо свойства лазера, например, изменение длины ОР, уровня накачки или потерь и т. д.

1.2. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис. 1.4) включает два гелий-неоновых, молекулярный и полупроводниковый лазеры № 1, 2, 3 и 4 с регулируемыми блоками питания, ослабляющие фильтры, фотоприемники видимого и инфракрасного излучения (ФП1– ФП4), выходные сигналы которых подаются на устройства регистрации (цифровые и самопишущие приборы, осциллограф, компьютер).

11

ты. Излучающий кристалл лазера № 4 закреплен на медном радиаторе, снабженном микрохолодильником на основе эффекта Пельтье. Регулируя ток микрохолодильника, можно поддерживать необходимую температуру кристалла.

1.3. Порядок выполнения работы

Перед началом работы необходимо внимательно ознакомиться с лабораторной установкой, режимом работы измерительных приборов и информацией, содержащейся в дополнительной инструкции к работе.

Внимание! Конкретное задание на лабораторную работу определяется преподавателем. Включение и выключение исследуемых лазеров производится только в присутствии преподавателя.

1. Включить He–Ne- лазер (лазер № 1) и исследовать временную зависимость мощности излучения Р = f(t) при разрядном токе I = 10…20 мА в течение времени, необходимого для установления стационарного теплового режима.

2. Включить генератор линейно изменяющегося напряжения и с помощью осциллографа установить амплитуду импульсов в диапазоне 100…300 В. Произвести калибровку горизонтальной оси осциллографа в масштабе длины ОР. Зафиксировать начальный средний уровень мощности излучения Р0.

3.В установившемся режиме лазера № 1 исследовать и зарегистрировать

спомощью осциллографа зависимости Р = f(δL) для 4–5 уровней относительной мощности излучения Pi P0 , где Рi – средний уровень мощности излуче-

ния при выбранном превышении усиления над потерями.

4. Включить He–Ne- лазер (лазер № 2) и исследовать временную зависи-

искорости расхода охлаждающей воды 0.5 л/мин.

6.Включить инжекционный полупроводниковый лазер (лазер № 4) и ис-

следовать временную зависимость мощности излучения Р = f(t) в течение

10…12 мин при токе I = 180 мА.

1.4.Содержание отчета

1.Цель и содержание работы, схема лабораторной установки.

2.Таблицы, графики или фотографии экспериментальных зависимостей

Р= f(t) и Р = f(δL) для исследованных по заданию лазеров.

13

3.Пересчет с учетом чувствительности пьезокерамического корректора K = 150 В/мкм изменений прикладываемых напряжений в изменения длины δL ОР лазера № 1. Сведения о калибровке осциллографа, расчете отклонений мощности излучения δР.

4.Расчетные зависимости SP−1 = f (t) для исследованных типов лазеров.

Нестабильность мощности излучения лазера рассчитывается с помощью выра-

ном тепловом режиме.

7.Подписать протокол исследования и выключить установку в присутствии преподавателя.

8.Выводы.

2.ИССЛЕДОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СО2-ЛАЗЕРОВ

Цель работы – ознакомление с принципом действия, устройством и основными характеристиками технологических отпаянных СО2-лазеров с дли-

ной волны генерации 10.6 мкм.

2.1. Основные положения

СО2-лазеры, работающие в непрерывном режиме, обладают рекордными уровнями мощности излучения при КПД в десятки процентов: в отпаянных лазерах мощность излучения составляет единицы– десятки ватт; в лазерах с прокачкой активной газовой смеси – единицы– десятки киловатт. Эти уникальные свойства обусловили широкое применение СО2-лазеров в техноло-

гии для резки, сварки и размерной обработки материалов, а также в медицине. Земная атмосфера прозрачна на длине волны излучения СО2-лазеров,

что создает благоприятные условия для их использования в системах оптической связи, локации, приборах ночного видения.

Активной средой СО2-лазеров является, как правило, тройная смесь га-

зов, включающая углекислый газ, азот и гелий в соотношении 1 : 1...2 : 5...10 при общем давлении порядка 10...20 кПа. Излучающей частицей является линейная, симметричная молекула углекислого газа. Молекулы азота выпол-

14

няют функции буферного газа, гелий – вспомогательного. Лазерные уровни образованы нижними колебательными состояниями основного (нулевого) электронного уровня молекулы СО2. Энергия возбуждения верхнего лазер-

ного уровня составляет около 0.3 эВ. Близость лазерных уровней к основному состоянию молекулы обеспечивает высокий КПД активного вещества – отношение энергии кванта излучения к энергии возбуждения верхнего лазерного уровня. Его предельное значение (без учета потерь на спонтанные и безызлучательные переходы с верхнего лазерного уровня) достигает 41 %. Лазерный переход молекулы СО2 может обеспечивать генерацию на нескольких десят-

ках длин волн в области 10.6 мкм, возникающих при переходах между различными вращательными подуровнями верхнего и нижнего колебательных состояний. Конкуренция переходов, обладающих различным усилением, подавляет слабые составляющие, и в спектре излучения СО2-лазера присут-

ствует обычно одна наиболее сильная линия.

Особенностью молекул СО2 является быстрая вращательная релаксация – перераспределение частиц по вращательным подуровням данного колеба-

тельного уровня с постоянной времени порядка 10–6 с. Благодаря высокой скорости вращательной релаксации обеспечивается эффективная “ подпитка” верхнего лазерного уровня, обедняющегося при генерации, и рассасывание избыточной населенности нижнего. Этот эффект способствует росту инверсии населенностей и, как следствие, мощности излучения СО2-лазеров.

Возбуждение молекулы СО2 в разряде может происходить за счет пря-

мого электронного удара. Обеспечиваемый при этом показатель усиления κус

(линейный коэффициент усиления) составляет 10–20 % на метр длины активной среды. Увеличение эффективности возбуждения молекул СО2 дости-

гается при введении буферного газа – азота, который имеет несколько колебательных уровней возбуждения, легко заселяемых при столкновениях с электронами. Первые 6–8 уровней возбуждения N2 практически эквиди-

стантны. Они следуют друг за другом через интервалы энергии, примерно равные 0.3 эВ, совпадающие с энергией верхнего лазерного уровня молекулы СО2. При таких условиях в процессе столкновений частиц возможна каскад-

ная резонансная передача энергии от возбужденных молекул N2 невозбуж-

денным молекулам СО2, когда одна частица N2, возбужденная, например, на пятый уровень, способна в ходе последовательных столкновений перевести на верхний лазерный уровень пять молекул СО2. Введение в активную среду азота повышает инверсную населенность лазерных уровней в несколько раз.

15

Близкое расположение лазерных уровней к основному состоянию молекулы СО2 приводит к сильной зависимости инверсии населенностей от тем-

пературы (T) газа, вследствие больцмановского заселения нижнего лазерного уровня. При T газа порядка 400 К (kT = 0.035 эВ) наступает срыв инверсии, что вынуждает использовать принудительное, чаще всего водяное, охлаждение стеклянных стенок разрядного канала. Для обеспечения эффективного переноса тепла от разряда к стенкам в активную смесь дополнительно вводят гелий – легкий, подвижный газ с высокой теплопроводностью. Благодаря этому в тройной газовой смеси СО2–N 2–He показатель усиления повышается

до 1...2 м–1 . Прокачка газовой смеси, используемая в мощных СО2-лазерах,

повышает усиление до 5 м–1 . Оптимизация суммарного давления газовой смеси подбором парциального давления He способствует, кроме того, установлению в положительном столбе разряда электронной температуры на уровне (1.5…2)10 4 К, которая обеспечивает практическое совпадение максимума функции распределения электронов по энергиям в положительном столбе разряда с максимумами сечений возбуждения рабочих уровней молекул СО2 и азота, приходящихся на энергии 1...3 эВ. В итоге 50–80 % энергии электронов передается верхнему лазерному уровню молекулы СО2.

Активный элемент отпаянного СО2-лазера представляет собой стеклян-

ную или кварцевую разрядную трубку диаметром от долей до 2...3 см и длиной от десятых долей до нескольких метров, в которой возбуждается слаботочный тлеющий разряд. Разрядная трубка, рубашка водяного охлаждения и балластный объем образуют коаксиальную конструкцию. Балластный объем, соединенный с разрядным каналом, увеличивает общий запас газа, снижая тем самым степень влияния диссоциации молекул СО2 в разряде на стабиль-

ность состава активной среды. Этой же цели служат катализаторы восстановительной реакции 2СО + О2 = 2СО2, например таблетки закиси меди, рас-

полагаемые в катодной области. Выходные окна и подложки зеркал изготавливаются из материалов, прозрачных для инфракрасного излучения: германия, арсенида галлия, селенида цинка. На подложку выходного, рабочего зеркала наносится многослойное интерференционное отражающее покрытие. Нерабочее, “ глухое” зеркало выполняется в виде алюминиевого, медного или золотого покрытия, наносимого на металлическую или кварцевую подложки. Серьезными проблемами в мощных СО2-лазерах являются быстрая деграда-

ция и разрушение отражающих покрытий и выходных окон под воздействием собственного мощного излучения. Недостатками СО2-лазеров постоянно-

16

го тока являются высокие, до десятков киловольт, рабочие напряжения питания и необходимость использования для ограничения тока тлеющего разряда балластных резисторов, в которых теряется 40–50 % мощности накачки.

В маломощных СО2-лазерах для возбуждения активной среды иногда используют высокочастотный разряд. Ток ВЧ-разряда ограничивается реактивным сопротивлением, определяемым эквивалентной емкостью электродных узлов, чем исключаются потери мощности накачки в активном балласте. Рабочее напряжение блока ВЧ-питания оказывается в несколько раз ниже. Охлаждение лазеров с ВЧ-накачкой может быть воздушным и обеспечиваться несколькими вентиляторами. Электрическая схема их источников питания сложнее и менее надежна. Лазеры с ВЧ-накачкой в целом проигрывают по частоте отказов, сроку службы и уровню мощности генерации классическим отпаянным СО2-лазерам постоянного тока.

При увеличении I выше порогового создаются условия для эффективного возбуждения активной среды за счет роста числа возбуждающих электронов. Инверсия растет, и уровень генерации возрастает. Дальнейший рост I повышает Т газа и снижает инверсию. Действие встречных тенденций приводит к существованию оптимального тока разряда. Существует и оптимальное давление газовой смеси. Рост давления газа, первоначально сопровождается увеличением числа возбужденных частиц, но в дальнейшем приводит к спаду электронной температуры, уменьшая усиление и, кроме того, увеличивает долю спонтанного излучения за счет активизации столкновительных процессов. В активной среде СО2-лазеров зависимость усиления от диаметра раз-

рядного канала слабая, но рост диаметра ухудшает отвод тепла из приосевой области разряда к охлаждаемым стенкам.

2.2. Описание лабораторной установки

Установка (рис. 2.1) состоит из двух отпаянных СО2-лазеров ЛГН-705 и

ЛГ-5 с максимальной мощностью излучения, соответственно, 3 и 7 Вт, блоков питания с регулируемыми выходными напряжениями (до 10 кВ), фотоприемного устройства, оптических элементов, выполняющих функции регулировки мощности, пространственного ограничения пучка и защиты лазерного излучения. В лазере ЛГН-705 используется тлеющий разряд постоянного тока. Ток I регулируются с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) и контролируется встроенным в блок питания миллиамперметром. В лазере используется комбинированный оптический резонатор: подложка металлического (Au) “ глухого” зеркала герметично соединена с торцом раз-

17

рядной трубкой активного элемента СО2-лазера. Второй торец разрядной трубки закрыт окном из арсенида галлия, расположенным под углом Брюстера к оптической оси. Подложка выходного зеркала также изготовлена из арсенида галлия и имеет многослойное интерференционное покрытие. Оптимальная температура активной газовой смеси поддерживается с помощью принудительного водяного охлаждения.

Часть мощности излучения лазера ЛГН-705 с помощью светоделительной пластины (СП) из NaCl с шестикратным ослаблением ответвляется в измерительный канал, содержащий радиационный термоэлемент (РТЭ) чувствительностью K = 127 мВ/Вт. Выходной сигнал РТЭ (UÐÒÝ ) [мВ], пропор-

циональный мощности излучения лазера, измеряется цифровым вольтметром (ЦВ). Тепловая инерционность РТЭ составляет 10…12 с, поэтому длительность выдержек при проведении измерений не должна быть менее 15 с.

Рис. 2.1. Схема лабораторной установки

В лазере ЛГ-5 используется высокочастотное питание и воздушное принудительное охлаждение. Разрядная трубка имеет внутренние электроды и зеркала. Регулировка мощности накачки лазера производится встроенным в ВЧ-блок

Мощность излучения лазера ЛГ-5 контролируется тем же радиационным термоэлементом, что и в первом случае. Для защиты от перегрузок между РТЭ и лазером ЛГ-5 установлен ослабитель – электромеханический модулятор ЭММ с коэффициентом деления 30.

18

Прогрев газоразрядных трубок и оптических элементов после включения лазеров сопровождается замедляющимся во времени изменением длины резонатора и соответствующим тепловым дрейфом продольных мод в пределах контура усиления, а следовательно, и изменением мощности генерации. Полное установление теплового равновесия лазера может затягиваться на часы. Поведение мощности Р = f(t) излучения лазера в переходный период фиксируется на диаграммной ленте самопишущего прибора либо вручную.

2.3. Порядок выполнения работы

Внимание! Установка включается и выключается только с разрешения преподавателя и в его присутствии. Категорически запрещается снимать защитные кожухи и крышки и вносить в зону лазерного пучка посторонние предметы.

1.Включить цифровой вольтметр и самопишущий прибор.

2.Включить водяное охлаждение лазера ЛГН-705, установив расход воды V = 1 л/мин, соответствующий 100 делениям по контрольному устройству.

3.Включить тумблер “ Сеть” на блоке питания лазера. Регулируя выходное напряжение блока с помощью ЛАТРа, возбудить разряд в СО2-лазере и

установить ток I = 10 мА. В течение 20 мин с помощью цифрового вольтметра зарегистрировать зависимость Р = f(t). В процессе регистрации расход воды поддерживать на заданном уровне.

4.Снять вольт-амперную характеристику U = f(I) и зависимость выходной мощности лазера ЛГН-705 от тока разряда Р = f(I) в диапазоне от максимального значения (15 мА) до минимально возможного тока, определяемого обрывом разряда в лазере (порядка 7…8 мА). Выключить блок питания ЛГН-705.

5.Установить расход воды в системе охлаждения лазера ЛГН-705 V =

=0.5 л/мин, соответствующий 70 делениям по контрольному устройству, и выждать 5 мин.

6.Повторить п. 3 для нового значения расхода охлаждающей воды.

7.В присутствии преподавателя исследовать структуру лазерного пучка и воздействие лазерного излучения на различные материалы. Выключить блок питания ЛГН-705.

8.Установить тумблер ВЧ-блока лазера ЛГ-5 “ Внешний/внутренний запуск” в положение “ Внешний”, а регулятор ВЧ-мощности в крайнее левое положение (повернуть против часовой стрелки до упора).

9.В присутствии преподавателя переставить РТЭ в рабочую зону лазера ЛГ-5. Включить электромеханический модулятор.

10.В присутствии преподавателя включить тумблер “ Сеть” на блоке пи-

тания лазера ЛГ-5 и прогреть его в течение 5 мин.

19

11.Перевести тумблер ВЧ-блока лазера ЛГ-5 “ Внешний/внутренний запуск” в положение “ Внутренний”.

12.Повышая выходную мощность ВЧ-блока питания с помощью потен-

циометра, возбудить разряд в СО2-лазере и установить РВЧ = 100…120 Вт

(см. табл. 2.1). С помощью цифрового вольтметра зарегистрировать зависимость мощности излучения от времени Р = f(t) в течение 15 мин.

13. Делая необходимые выдержки, снять зависимость выходной мощности лазера ЛГ-5 от уровня ВЧ-мощности в диапазоне 50…350 Вт, после чего установить минимальный уровень РВЧ.

14.В присутствии преподавателя исследовать воздействие лазерного излучения на различные материалы. Установить минимальный уровень РВЧ.

15.Перевести тумблер ВЧ-блока лазера ЛГ-5 “ Внешний/внутренний запуск” в положение “ Внешний” и выждать 5 мин.

16.Выключить блок питания ЛГ-5 тумблером “ Сеть”.

2.4.Содержание отчета

1.Цель и содержание работы, схема лабораторной установки.

2.Таблицы значений экспериментальных и расчетных величин.

3.Для всех исследованных режимов лазеров графики зависимостей Р =

=f(t) и нестабильности мощности излучения δP/P = f(t), где P – средняя мощность за время усреднения t; δP – максимальное отклонение текущего значения мощности излучения от среднего уровня P за тот же период t. При расчете δP/P время усреднения t на зависимости Р = f(t) выбрать равным 5 мин.

4.Графики зависимостей: Р(Вт) = f(I) для ЛГН-705; Р(Вт) = f(РВЧ) и

КПД η = Р/РВЧ для ЛГ-5.

5. Расчеты КПД СО2-лазера ЛГН-705 для исследованных значений раз-

рядного тока и η = Р/Рнак, где Рнак = UI – мощность накачки, и продольного градиента потенциала E в разряде с учетом того, что падение напряжения на положительном столбе (ПС) UПС = EL = 0.9U, а его протяженность L = 0.33 м.

6. Выводы и протокол испытаний.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА

Цели работы – ознакомление с принципом действия и устройством газоразрядного атомарного лазера на основе гелий-неоновой смеси; изучение энергетических, временных и пространственных характеристик излучения He–Ne- лазера.

20