Расписанные билеты по ЛИОЭС

3. Твердотельный Nd:YAG лазер с ламповой накачкой. Физика работы, устройство, основные характеристики.

Основные характеристики:

Принцип работы:

Накачка: Лампа излучает широкий спектр. Из этого спектра ионы неодима (Nd³ ) в кристалле YAG поглощают фотоны на определенных длинах волн (полосы поглощения, например, ~730 нм, ~800 нм, ~860 нм). Это оптическая накачка.

Безызлучательные переходы: Возбужденные ионы Nd³ быстро (за ~10 ¹¹ с) переходят с верхних уровней поглощения на основной рабочий метастабильный уровеньF / посредством безызлучательной релаксации (энергия переходит в тепло кристалла). Время жизни на уровне F / составляет ~230 мкс — это достаточно долго для накопления ионов.

Создание инверсии: Поскольку нижний лазерный уровень I / в обычных условиях почти пуст (это не основной уровень), между метастабильным ( F / ) и нижним ( I / ) уровнями легко создается инверсия населенностей. Это четырехуровневая схема (основной уровень → уровни накачки → метастабильный уровень → нижний лазерный уровень → основной уровень), что обеспечивает высокий КПД и низкий порог генерации.

Генерация излучения: При наличии инверсии проходящий через активную среду фотон с энергией, соответствующей разности уровней (hν = E( F / ) - E( I / )), вызывает вынужденное излучение идентичных фотонов. Этот процесс многократно усиливается в оптическом резонаторе.

Выход излучения: Основная длина волны генерации Nd:YAG лазера — 1064 нм (ближний инфракрасный диапазон). Это переход F / → I / . Возможна также генерация на других переходах (например, 1319 нм).

Устройство лазера

1.Активная среда: Кристалл Nd:YAG (обычно цилиндрический стержень диаметром 3-10 мм и длиной 50-150 мм). Торцы стержня тщательно отполированы и часто имеют оптическое покрытие: один торец — полностью отражающее зеркало (R ≈ 100%), второй

— частично пропускающее (выходное зеркало, R ≈ 80-95% для 1064 нм).

2.Система накачки: Лампа-вспышка (импульсный режим) — ксеноновая, или криптоновая лампа (более эффективна для Nd:YAG в непрерывном режиме, т.к. ее спектр лучше совпадает с полосами поглощения неодима). Лампа и лазерный стержень помещаются внутрь осветительной камеры (рефлектора). Ее задача — эффективно и равномерно переизлучать свет лампы на стержень.

Формы рефлектора: эллиптический цилиндр (фокусы — лампа и стержень), цилиндр с близким расположением элементов, диффузные (интегрирующие) камеры.

3.Оптический резонатор: Чаще всего линейный резонатор Фабри-Перо, образованный двумя зеркалами, между которыми находится активный стержень. Для получения одной моды (TEM ) и улучшения качества пучка внутри резонатора могут устанавливаться диафрагмы.

4.Система охлаждения: Обязательный элемент, так как более 90% энергии накачки превращается в тепло. Активная жидкостная (водяная) циркуляция через охлаждающий кожух вокруг осветительной камеры. Стабилизация температуры необходима для сохранения оптических свойств кристалла и избежания термических линз и напряжений.

5.Источник питания: Мощный источник для зажигания и питания лампы. Включает в себя накопительные конденсаторы, разрядник и управляющую схему (для импульсных лазеров).

4. Физические принципы работы твердотельного лазера с диодной накачкой. Продольная и поперечная диодная накачка. Физика работы, устройство, основные характеристики.

Принцип работы:

Спектральное согласование: Лазерный диод излучает не широкий "белый" спектр, а узкую полосу (шириной 2-3 нм) на строго определенной длине волны. Эту длину волны подбирают так, чтобы она идеально совпадала с одной из полос поглощения активной среды (для Nd³ это, в первую очередь, ~808 нм). Практически весь свет накачки поглощается полезно, минимизируя нагрев.

Пространственное согласование: Излучение лазерного диода можно сфокусировать в маленькое пятно или преобразовать в пучок с нужным профиль, точно совместив с модовым объемом активной среды (особенно в волоконных лазерах или микрочиповых лазерах).

Следствие: Резко снижается тепловыделение в активном элементе. Это позволяет: Получить лучшее качество пучка (меньше тепловых линз и искажений).

Повысить КПД системы в целом.

Создавать более компактные и надежные конструкции.

Поперечная накачка:

Продольная накачка:

5. Основные типы лазеров, используемые для обработки материалов. Волоконный лазер. Физика работы, устройство, основные параметры.