Министерство образования Российской Федерации
Московский госудаственный технический университет имени н.Э. Баумана
Кафедра РЛ-2
"УТВЕРЖДАЮ"
ЗАВ. КАФЕДРОЙ РЛ-2
____________КОЗИНЦЕВ В.И.
" "_____________2003г.
Лабораторная работа Исследование зависимости выходной мощности газового лазера от коэффициента связи резонатора
Москва - 2003г.
Цель работы: экспериментальное определение зависимости выходной мощности гелий-неонового лазера от коэффициента связи и определение оптимального значения коэффициента связи лазерного резонатора с внешней средой, обеспечивающего максимальную мощность выходного излучения.
Рассмотрим
стационарный режим генерации. Не всякая
среда с отрицательным коэффициентом
поглощения может стать генератором
излучения. Если начальный коэффициент
усиления
меньше коэффициента вредных потерь
,
то усиление излучения и, следовательно,
генерация невозможны. Для оценки
возможности возникновения генерации
в конечном объёме
надо рассматривать влияние вредных
потерь не в отдельных точках этого
объёма, а во всём объёме в целом. В
отдельных точках объёма может происходить
обычное поглощение, в других – наблюдаться
превышение усиления над потерями.
Генерация энергии в объёме будет
осуществляться только в том случае,
если среднее усиление будет превышать
средние внутренние потери. Это справедливо
только для безграничной среды или для
среды с абсолютно отражающими границами.
В действительности, размеры среды
конечны, и часть излучения, находящегося
внутри среды, всегда выходит из неё
наружу. Если полные потери энергии
больше энергии, образующейся внутри
среды за счёт вынужденных переходов
,
то генерация в принципе невозможна. В
противоположном случае энергия излучения
внутри среды постепенно накапливается.
По мере увеличения плотности радиации
значение коэффициента усиления
непрерывно падает, усиление ослабевает,
и накопление энергии прекращается.
Процесс накопления энергии развивается
во времени и происходит до тех пор, пока
не установится стационарный режим. В
стационарном режиме генерации увеличение
энергии за счёт вынужденных переходов
должно равняться сумме всех внутренних
и внешних потерь энергии.
Выделение
энергии за 1 сек. внутри среды объёмом
во всём спектральном интервале,
соответствующем рабочему переходу
между уровнями
,
равно
.
Аналогичным путём рассчитываются и потери энергии внутри объёма:
.
Выходящее из среды излучение в соответствии с законом сохранения энергии равно
.
Коэффициент
усиления
,
как известно из курса лекций, определяется
зависимостью
.
Учитывая
высокую степень монохроматичности
излучения, можно считать, что
,
где
– полная плотность радиации в точке
,
а
– средняя частота генерируемого
излучении,
– параметр нелинейности.
Следовательно,
можно выразить через коэффициенты
усиления
,
в следующем виде
.
Эта формула имеет общий характер и вытекает из основ теоретической спектроскопии. Следовательно, можно записать, что
.
Вводя
понятие среднего коэффициента усиления
по всему объёму
.
Можно записать:
.
Следует подчеркнуть, что большим средним коэффициентам усиления соответствует меньшее количество генерируемой энергии.
Поток
излучения, выходящий за 1 сек. из
генерирующего объёма
,
равен
.
При
стационарной генерации выполняется
условие
,
где
– длина активной среды,
и
– коэффициенты отражения левой и правой
границы объёма активной среды,
– полные потери излучения средой.
можно
теперь записать в виде
.
. (*)
Анализ
формулы (*) показывает, что
,
естественно, при
,
т.е. при
и имеет экстремум в зависимости от
величины полезных потерь
:
. (**)
Условие (**) является необходимым условием получения максимальной выходной энергии:
,
которая
зависит от
,
т.е. от вредных потерь и начального
коэффициента усиления, созданного в
среде. Однако эта
будет реализовываться только при
соответствующей длине активной среды
и коэффициентах отражения
и
.
Работа состоит из двух этапов:
1. Изучение методики исследования.
2. Проведение эксперимента и обработка результатов наблюдения.
БЕЗ РАЗРЕШЕНИЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ УСТАНОВКУ НЕ ВКЛЮЧАТЬ!
ПРИ РАБОТЕ БЫТЬ ПРЕДЕЛЬНО ВНИМАТЕЛЬНЫМ И СОБЛЮДАТЬ ОСОБУЮ ОСТОРОЖНОСТЬ - РАБОЧЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ УСТАНОВКИ 3000 ВОЛЬТ!