Sb95840

татов регистрации щелкнуть правой кнопкой мыши в любом месте окна Iλ = f(λ) и выбрать необходимый вариант сохранения спектра. Вариант сохранения “файл SPE” предоставляет возможность дальнейшей обработки спектра, в т. ч. расчет истинных спектров излучения. При сохранении информации в формате “файл SPE” нужно сначала указать имя спектра, которое будет использоваться при его дальнейшей обработке, а потом выбрать файл, в который будет осуществляться сохранение.

При сохранении только изображения спектра (картинки) в появившемся диалоговом окне нужно указать имя сохраняемого файла.

Поле 4 отображает состояние устройства: “Готово”, “Переход на начальную длину волны”, “Регистрация спектра”, “Не обнаружено устройство”, “Контроллер ШД не найден”.

Кнопка “Настройки” (5) – выбор параметров регистрации.

Кнопка “STOP” (6) – отмена операций, переход в режим ожидания. Кнопка “Выход” (7) – закрытие программы с сохранением настроек. После регистрации и сохранения всех необходимых спектров произво-

дится их обработка. Главное окно программы обработки спектров содержит меню из трех пунктов: “Файл”, “Спектр” и “Вид”.

1. Пункт главного меню “Файл” содержит 7 команд:

1) “Открыть” – загрузка спектра, сохраненного в файле *.SPE;

2) “Открыть таблицу значений” – ,загрузка в программу зависимости в виде таблицы значений координат λ и f(λ);

3) “Сохранить” – сохранение выбранного спектра в файл *.SPE;

4) “Сохранить как изображение” – сохранение в файл *.bmp изображения спектра (спектров) с экрана;

5) “Сохранить таблицу значений” – сохранение спектра в виде таблицы значений в формате “длина волны – интенсивность”;

6) “Печать” – распечатка текущего изображения на экране;

Список загру-

7) “Выход” – закрывает программу. женных спектров 2. Пункт главного меню “Спектр” содержит список названий загружен-

ных спектров. При выборе одного из пунктов меню “Спектр” выводится диалоговое окно операций с названием выбранного спектра (рис. 1.3).

Кнопки, находящиеся в поле 1, обеспечивают выбор операций со спектром: сложение, вычитание, деление, умножение и вычитание из единицы. При нажатии на одну из четырех первых операционных кнопок появляется

11

меню, предлагающее пользователю выбрать второй спектр, который будет являться вторым слагаемым, вычитаемым и т. д. При нажатии на кнопку “1–” операция вычитания из единицы осуществляется со спектром, выбранным из меню “Спектр” при вызове окна операций. После проведения любой операции результат отображается в виде нового спектра.

Поле 2, отображающее название файла спектра, используется для работы со спектром внутри программы. Для изменения названия спектра необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши по полю, ввести новое название, после чего нажать клавишу “ENTER”.

2

3

Рис. 1. 3. Окно операций с выбранным спектром

Толщина отображающей линии выбирается в меню 3. Для изменения цвета отображающей линии щелкнуть правой кнопкой мыши по цветовому полю 4, выбрать нужный цвет из списка и нажать “ОК”. Кнопка “Удалить” удаляет выбранный спектр из памяти программы. При нажатии на кнопку “OK” настройки применяются к выбранному спектру. Кнопка “Отмена” закрывает диалоговое окно без сохранения изменений.

3.Пункт главного меню “Вид” включает две команды:

1)“Нормировка” – приведение к единице максимальных значений отображаемых спектров, различающихся по интенсивности;

2)“Показывать имя спектра” – включение и отключение отображения списка имен загруженных спектров в главном окне программы обработки.

Вся необходимая обработка зарегистрированных и сохраненных спектров осуществляется с помощью программы обработки или вручную. Истинные спектры излучения вычисляются делением экспериментальных редуцированных спектров на спектр относительной спектральной чувствительно-

сти монохроматора νмхр = f (λ).

Основой электрической части установки является регулируемый блок

12

питания инжекционного полупроводникового лазера (рис. 1.4). Регулировка тока лазера в пределах 0.1...0.6 А осуществляется с помощью потенциометров R3–R5 и контролируется встроенным в лицевую панель амперметром. Падение напряжения U на полупроводниковом лазере определяется его вольт-амперной характеристикой (рис. 1.5) и изменяется в пределах 3…4 В при изменении тока I. Потребляемая лазером мощность накачки составляет при этом P = UI.

R3 R4 R5

R1 R2

–

Блок

питания

мА

Рис. 1.4. Электрическая схема лабораторной установки

U, В

Рис. 1.5. ВАХ полупроводникового лазера

Контроль температуры θ (◦С) лазера (радиатора) осуществляется с помощью пирометра, снабженного цифровым регистрирующим устройством. Для получения достоверных результатов пирометр необходимо устанавливать на фиксированном расстоянии порядка 100 мм и нажав кнопку регистрации, удерживать ее в течение 3…5 с.

13

Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с лабораторной установкой. Установить ручки потенциометров, регулирующих ток накачки, в крайнее левое положение против часовой стрелки, соответствующее минимальному току.

2.Убедиться, что блок питания полупроводникового лазера выключен, а его регуляторы установлены в положения: выходное напряжение – 6.6 В; выходной ток – 0.63 А.

3.В присутствии преподавателя включить управляющий компьютер, цифровой микроамперметр и блок питания лазера.

4.Установив ток накачки I = 400 мА в течение 10…12 мин, снять временные зависимости мощности излучения лазера P = f(t), температуры радиатора θ = f(t).

5.Установить ток накачки I = 100 мА, выждать 3 мин и снять токовую зависимость мощности излучения лазера P = f(I) в диапазоне изменения токов 100…600 мА. В процессе регистрации зависимости P = f(I) при достиже-

нии значения тока фотодиода Iфд = 300 мкА установить на фотоприемник ослабляющий фильтр с K = 18. При регистрации ватт-амперной характеристики необходимо учитывать тепловую инерционность лазера, обеспечивая в каждой точке выдержку не менее 1.5...2 мин.

6.Удалить из зоны лазерного пучка фотодиод и установить экран на таком расстоянии L от ИППЛ, чтобы расходящийся пучок умещался на экране.

7.В диапазоне изменения токов 100…600 мА зарегистрировать характерные распределения интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного пучка. Для двух-трех токов зарегистрировать размеры a и b (см. рис. 1.1) по проекции лазерного пучка на экране.

8.Убрать экран из зоны лазерного пучка.

9.С помощью дифракционного монохроматора исследовать спектральные зависимости плотности мощности от длины волны I = f (λ) для нескольких токов накачки: 200, 250, 300, 400 мА. При регистрации спектральных функций при каждом токе делать выдержку не менее 1.5...2 мин и фиксировать ширину спектральной линии на половинном уровне интенсивности, амплитуду линии и длину волны, соответствующую максимуму линии.

10.В присутствии преподавателя установить перед ИППЛ фокусирующую мини-линзу в положение минимальной расходимости (z = f) и при токе

14

I = 300 мА измерить диаметр лазерного пучка на выходе ИППЛ d1 и диаметр d2 на экране, удаленном на расстояние L. Вращая держатель линзы, зарегистрировать зависимости размеров a = f (z) и b = f (z), фиксируя значения a и b через пол-оборота (0.25 мм) держателя.

Содержание отчета

1.Цель, содержание работы, оптическая и электрическая схемы лабораторной установки.

2.Таблицы и графики всех экспериментальных зависимостей: P = f(t),

P= f(I), θ = f(t).

3.Картины распределения интенсивности излучения в поперечном сечении пучка при нескольких токах.

4.Графики спектральных функций излучения ИППЛ при исследованных

токах.

5.Рассчитанные значения собственных углов расходимости излучения

ИППЛ в плоскости, параллельной θ= и перпендикулярной θ p–n-переходу.

6.Зависимости плотности мощности в поперечном сечении лазерного пучка от положения фокусирующей линзы I = f (z).

7.Таблицы и графики расчетных зависимостей θ= = f (z) и θ = f (z).

8.Расчет и график зависимости КПД ИППЛ η = Р / Pнак = f (I) в предпо-

ложении, что мощность накачки определяется как Pнак = UI.

9.Выводы по работе. Протокол испытаний.

2.ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ

Цель работы – исследование процесса нелинейно-оптического формирования второй гармоники твердотельного лазера с накачкой излучением инжекционного полупроводникового лазера.

Основные положения. Для нелинейной оптики характерна зависимость оптических параметров того или иного вещества от интенсивности падающего излучения. Типичным примером нелинейно-оптического эффекта, который нашел широкое практическое применение, может служить генерация второй гармоники лазерного излучения.

15

Распространение оптического излучения в среде происходит в результате эффекта переизлучения. Он состоит в том, что при падении внешнего излучения на вещество в области взаимодействия происходит поляризация среды. Ее следствиями являются возникновение собственного излучения среды, поляризация соседних областей, новое собственное излучение среды и т. д. Степень поляризации среды, или электрический дипольный момент, наведенный в среде внешним излучением, определяется диэлектрической восприимчивостью среды и напряженностью электрического поля Е внешней волны: Р = Е. При низких уровнях Е (линейная оптика) f (E). В интенсивных пучках мощных лазеров напряженность световой волны возрастает до уровня напряженности электрического поля атома, что приводит к проявлению зависимости свойств среды от Е. В частности, в этих условиях для изотропной среды диэлектрическая восприимчивость = f (E) = I + II Е +

+III Е2 + …, где I, II, III – диэлектрические восприимчивости для первой, второй и третьей гармоник соответственно. Тогда выражение Р = IЕ +

+II Е2 + III Е3 + … будет характеризовать нелинейно-оптический эффект в среде. В зависимости от значений диэлектрических восприимчивостей II,

среды подразделяют на квадратичные, кубические и т. д. При распро-

странении излучения в квадратичной среде ( II III) вдоль оси z излучения

Таким образом, при воздействии на квадратичную среду интенсивного монохроматического, обычно лазерного, излучения с исходной частотой I в ней дополнительно может возникнуть вторая гармоника излучения с частотой II = 2 I. Условием возможности передачи энергии от первой гармоники ко второй является равенство скоростей их распространения в среде условие волнового синхронизма: vI = vII или с / nI = с / nII и, следовательно, nI = = nII, где c скорость света в вакууме; nI, nII показатели преломления сре-

16

ды для первой и второй гармоник излучения.

Для генерации второй гармоники чаще всего используют одноосные двулучепреломляющие кристаллы, в которых могут существовать “обыкно-

(рис. 2.1). Напротив, скорость vе и показатель преломления nе “необыкновенного” луча зависят от направления распространения.

пересекаются, то имеется такое направление распространения излучения =

при котором neII noI и условие волнового синхронизма выполняется. Состояние волнового синхронизма очень критично направлению рас-

пространения: отклонение на единицы градусов от условия = с приводит к спаду мощности второй гармоники на 50 %. Для всех нелинейно-оптических кристаллов показатели преломления nе, nо являются функциями температуры среды и длины волны (частоты) излучения. В итоге эффективность генерации второй гармоники зависит не только от свойств кристаллов, используемых в качестве нелинейных сред, их геометрии и пространственной ориентации относительно оси лазерного пучка, но и от степени монохроматичности и направленности пучка основной гармоники лазерного излучения.

Как видно из (2.1), второе слагаемое в функции поляризуемости среды, отвечающее за формирование второй гармоники, сильно квадратично зави-

17

сит от напряженности электрического поля падающей волны Е. Это означает, что эффективность генерации второй гармоники тем выше, чем больше Е, т. е. чем выше плотность исходного лазерного излучения. Увеличение эффективности генерации второй гармоники при неизменном уровне мощности накачки лазера может быть достигнуто при переходе от непрерывного к импульсному режиму. Наилучшие результаты достигаются в режиме модулированной добротности резонатора, который характеризуется высокой импульсной мощностью лазерного излучения.

Нелинейно-оптическая среда, в которой происходит преобразование основной гармоники во вторую, принципиально может размещаться внутри или вне основного резонатора лазера. Внутрирезонаторное преобразование гармоник более эффективно, так как плотность когерентной мощности, циркулирующей внутри оптического резонатора и воздействующей на нелинейную среду, во много раз выше, чем в выходном излучении лазера. В этом случае

генерация второй гармоники имеет высокий КПД преобразования II, достигающий при оптимальном согласовании десятков процентов.

При расположении нелинейно-оптического кристалла вне резонатора реализуется однопроходное преобразование, а в лазерном пучке за кристаллом присутствуют одновременно и первая, и вторая гармоники. Для повышения эффективности внерезонаторного преобразования применяют фокусировку лазерного пучка. Чтобы не увеличивалась расходимость преобразованного пучка, используют две софокусно расположенные одинаковые линзы, между которыми устанавливают нелинейный кристалл.

Широкое распространение получили преобразователи гармоник на основе нелинейного кристалла титанила фосфата калия (KTiOPO4, сокращенно

KTP), имеющего высокие значения диэлектрической восприимчивости II для второй гармоники. Помимо KТР для генерации второй гармоники используются также кристаллы дигидрофосфата калия, дигидрофосфата аммония, ниобата лития и др. В настоящее время в импульсных твердотельных лазерах за счет высокой плотности мощности достигнута генерация третьей (борат бария) и четвертой (борат лития) гармоник лазерного излучения.

Описание лабораторной установки. Лабораторная установка по-

строена на базе твердотельного лазера (ТТЛ), активной средой которого служит кристалл ортованадата иттрия (YVO4 : Nd+3), легированный неоди-

18

мом (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Структурная схема ТТЛ с преобразователем второй гармоники

Оптическая накачка кристалла ортованадата иттрия осуществляется излучением ИППЛ с λ3 = 808 нм. Для повышения коэффициента использования излучения накачки между ИППЛ и активной средой ТТЛ устанавливается согласующая линза. Лазер генерирует основную, первую гармонику на длине волны λ1 = 1064 нм. Преобразователь гармоник на основе кристалла титанила фосфата калия располагается соосно с резонатором ТТЛ. При прохождении через нелинейный кристалл частота излучения первой гармоники удваивается и формируется вторая гармоника с частотой излучения, соответствующей видимой области спектра: λ2 = 532 нм. Для уменьшения расходимости лазерного пучка используется выходная линза.

Схема включения лазера представляет собой регулируемый стабилизатор тока на операционном усилителе (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Принципиальная электрическая схема лабораторной установки

Спектр излучения исследуемого лазера может включать все три составляющие: излучение первой Iλ1 , второй Iλ2 гармоник и накачки Iλ3. Для контроля спектра лазера используется призменный монохроматор УМ-2.

Для измерения интегральной абсолютной мощности излучения предусмотрена возможность установки на пути лазерного луча радиационного

19