6. Кпдлазеров

Любой лазер, вне зависимости от типа активной среды и способа накач-ки, может быть представлен в виде трех основных составляющих: источниканакачки, активной среды и оптического резонатора. В соответствии с этимобщийКПД лазера можетбытьнайденкак

_0_{накАС}_ОР,

гдеη_нак–КПДнакачки,определяющийдолюмощностинакачки,затрачен-

ную на возбуждение АС; η_АС– КПД активной среды, показывающий, какаядоля мощности возбуждения АС преобразовывается в излучение когерент-ныхквантов;η_ОР–КПДоптическогорезонатора,устанавливающийсоотно-

шениемеждувыходноймощностьюизлучениялазераимощностьюизлуче-

ниякогерентных квантов,циркулирующих врезонаторе.

Отдельные составляющие полного КПД определяются в соответствии стипом АС и используемой системой накачки. Методики расчета КПД твердо-тельных, газоразрядных и полупроводниковых лазеров имеют свои особен-ности.

1. КпДтвердотельныхлазеров

В твердотельных лазерах (ТТЛ) используется оптический метод накач-ки АС. Процесс преобразования энергии накачки импульсного ТТЛ в энер-гию выходного излучения лазера может быть представлен в виде структур-ной схемы (рис. 6.1). Источником оптической накачки обычно служат газо-разрядные лампы импульсного или непрерывного режима. Для повышенияэффективности использования излучения ламп накачки (ЛН) и концентрацииего в области активной среды ТТЛ применяются специальные осветители сзеркальнымиидиффузнымиотражающимипокрытиями.ДляТТЛнепре-рывногорежиматермин «энергия»заменяетсятермином«мощность».

Энергия оптическогоизлучения лампынакачки

ЭнергияоптическогоизлученияЛН,сконцентрированная

наповерхностиАС

ЭнергиянакачкиТТЛ

^ηЛН ^ηосв

^ηизл

Пороговаяэнергиявозбужденияактивнойсреды

Рис.6.1.ТрансформацияэнергийнакачкивизлучениеТТЛ

На рис. 6.1 отдельным блоком выделена пороговая энергия возбужденияW_{п АС}, которую необходимо передать активной среде для выхода лазера напороггенерации.

1. КпДнакачкиТтл

Основываясь на схеме трансформации энергии накачки, для КПД накач-киТТЛимеем

^нак

^ЛН^осв^изл^,

(6.1)

гдеη_ЛН–КПДлампынакачки,характеризующийдолюэнергиинакачки,

преобразовываемой в энергию оптического излучения ЛН; η_осв– КПД осве-тителя, определяющий долю энергии оптического излучения ЛН, сконцен-трированногонаповерхностиАС;η_изл–КПДизлучения,зависящийотсте-

пенисогласованияспектровпоглощенияАСиизлученияЛН.

В качестве источников оптической накачки импульсных ТТЛ чаще все-го используются трубчатые газоразрядные лампы с ксеноновым наполнени-ем.Серийновыпускаетсябольшойассортиментимпульсныхксеноновыхламп, благодаря чему всегда удается подобрать излучатель с требуемыми па-раметрами: энергией вспышки, длительностью и частотой повторения им-пульсов, длиной светящейся части. Сильноточный импульсный разряд в ксе-нонеформируетинтенсивноеоптическоеизлучение,близкоекбелому.Вы-

ходизлученияксеноновыхламп,определяющийη_ЛН,зависитотэнергииразряда, его электрических параметров, геометрии и наполнения разрядногопромежутка.Типичными являютсязначения η_ЛН=0,4...0,6.

Накачка АС ТТЛ непрерывного режима на основе кристаллов иттриево-алюминиевогогранатапроизводитсяобычнокриптоновымилампамидугово-

го режима с электрической мощностью 2...6 кВт и протяженностью светя-щейсячасти40…100мм.Иногдаиспользуютсяртутныелампывысокогодавления и линейные галогенные лампы накаливания (1...2 кВт). Достоинстваламп накаливания – простота и компактность схемы включения, недостаток –низкий выход полезного излучения. В газоразрядных лампах накачки излу-чающей частью является положительный столб (ПС) разряда, на долю кото-рого, например, в криптоновых лампах, приходится порядка 90 % потребля-емойлампоймощности.ЭтадоляназываетсяэлектрическимКПДлампы

накачки и обозначается η_эл. Мощность положительного столбаР_ПСразрядарасходуется на формирование резонансного (η_р) и нерезонансного (η_нр) из-лучений, нагрев газа в объеме лампы (η_V) и стенок прибора (η_ст). Величиныη_р, η_нр, η_{Vи ηст}зависят от давления, плотности тока и рода газа. Сумма пер-выхдвухсоставляющих(η_р+η_нр)определяетдолюоптическогоизлучения.

Сумма η_{Vи ηстхарактеризует долю}P_ПС,идущую на нагрев прибора. ДляКПД газоразрядной лампы накачкис учетом прозрачности оболочки лампыτ_{об= 0,9...0,95}получимη_ЛН=η_эл(η_р+η_нр)τ_об.

Следующая составляющая КПД накачки – КПД осветителя η_освво мно-гом определяется используемыми техническими решениями. Важными мо-ментами здесь являются соотношение между размерами осветителя и диа-метрами активных элементов ТТЛ и ламп накачки, форма отражающей по-верхности, характер и уровень отражения. Существуют методики расчета,обеспечивающиекоэффициентравномерностиоблученияповерхностиак-

тивногоэлементанауровне0,7…0,9изначенияη_{освпорядка}0,5...0,8.

Решающеевлияниеназначениеη_накТТЛоказываетегопоследняясо-

ставляющая–η_изл.КПДизлученияопределяетсястепеньюсогласованияспектра излучения ЛН со спектром поглощения (возбуждения) АС. Оценкавеличиныη_{излбазируется}напонятииредуцированноймощности–мощно-

стиоптическогоизлучениятогоилииногоисточника,пересчитанной(приве-

денной)сучетомспектральнойчувствительностиобъектаоблучения:

₂

^Iред

_{Iλdλ},

₁

гдеλ₁,λ_2–граничныезначениядлинволндиапазоначувствительностиАС;

ν_λ–относительная спектральная чувствительность активной среды (объектаоблучения);I_λ–спектральнаяплотностьмощностиизлучения.Вычисления

I_{редмогут}проводитьсяграфоаналитическимиметодами,еслиизвестныспек-^{тральныефункцииI}λ^{=f(λ) иν}λ^{=f(λ)(рис. 6.2).}

Рис.6.2.КопределениюКПДизлученияТТЛ

ПлощадьS₁, ограниченная спектральной функциейI_λред= ν_λI_λи осьюдлин волн, определяет интегральную по λ редуцированную плотность мощ-ностиI_ред.КПДизлучениядлясплошногоспектраизлученияможноопреде-

I_λ

0

ν_λ

1

0

лить как

^изл

_^Iред

^Iизл

₄

_{Iλd}λ

^3 .

₂

_Iλd

₁

Длялинейчатогоспектраинтегрированиезаменяетсясуммированием:

m

__I

_{ i}1 _,

изл

n

_I

i1

гдеn–числолинийвспектреизлучений,mизкоторыхпопадаетвполосупоглощенияАС.

Привыборетипалампнакачкипреждевсегоисходятизусловия

обеспечениямаксимальногоη_изл.