- •Основы электротехнологии
- •Иваново, 2011 Литература
- •1 Введение. Классификация электротехнологических установок
- •2 Лазерные установки Введение
- •Классификация лазеров
- •2.1 Теоретические основы лазерных установок.
- •2.1.1 Физические явления при получении лазерного излучения.
- •Возбужденное состояние
- •Невозбужденное состояние
- •2.1.2 Принцип получения лазерного излучения
- •2.1.3 Методы создания инверсии населенности
- •2.1.4 Оптические резонаторы
- •Виды и условие устойчивости оптических резонаторов
- •Резонансные частоты и размер пучка излучения.
- •2.1.5 Свойства лазерного излучения.
- •2.1.6 Принцип действия, устройство и параметры твердотельных лазеров. Устройство и работа твердотельного лазера
- •Лазер на рубине.
- •Неодимовый лазер.
- •2.1.7 Принцип действия, устройство и параметры газовых лазеров.
- •Газостатические молекулярные лазеры.
- •Устройство и работа газостатического лазера
- •Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси.
- •Электроаэродинамические лазеры
- •Электроионизационные лазеры.
- •2.1.8 Накачка электрическим разрядом.
- •2.1.9 Полупроводниковые лазеры.
- •Устройство полупроводникового лазера
- •2.2 Инженерные основы лазерных технологических установок. Введение
- •2.2.1 Требования к промышленным и технологическим лазерам и лту
- •2.2.2 Схемы и конструкции лту на базе твердотельных лазеров.
- •2.2.3 Лту на основе газоразрядных лазеров с диффузионным охлаждением (лдо).
- •2.2.4 Лту на основе газовых лазеров с конвективным охлаждением (быстропроточные лазеры- бпл).
- •2.2.5 Электрические схемы высоковольтных источников питания Источники питания лазеров импульсного действия
- •Источник питания с индуктивным накопителем энергии
- •Источник питания с ёмкостным накопителем энергии
- •Источник питания с управляемым током зарядки
- •Источники питания лазеров непрерывного излучения
- •Источники питания современных высоковольтных технологических лазеров.
- •Конструкция преобразователя напряжения
- •2.2.6 Оптические системы формирования лазерного излучения в технологических установках
- •3. Электроплазменные технологические установки
- •3.1 Классификация электроплазменных процессов.
- •3.2 Способы осуществления электроплазменных процессов.
- •3.3 Устройство и принцип действия электроплазменных установок
- •3.4 Конструкция плазмотронов
- •Характеристики плазмотронов.
- •4. Ускорители заряженных частиц и их применение
- •4.1. Назначение и классификация ускорителей заряженных частиц
- •4.2. Конструкция и принцип действия ускорителей
- •4.3. Применение ускорителей
Виды и условие устойчивости оптических резонаторов
Все рассмотренные виды оптических резонаторов, содержащие сферические зеркала являются частными примерами общего случая резонатора, образованного двумя сферическими зеркалами, имеющими различные радиусы кривизны (причем либо положительные, либо отрицательные). Зеркала расположены на произвольном расстоянии L друг от друга.
Все резонаторы разделяют на две категории: устойчивые и неустойчивые. Устойчивый – такой резонатор в котором луч после отражения от зеркал остается в пределах ограниченной области. Неустойчивый – такой резонатор, когда произвольный луч, последовательно отражаясь от каждого из двух зеркал, удаляется на неограниченно большое расстояние от оси резонатора.
Пример: устойчивые – плоский, сферический, конфокальный; неустойчивые – с выпуклыми зеркалами.
При выполнении условия резонанса в оптическом резонаторе возникает определенная конфигурация стоячих волн. Это можно схематично представить рис .
Рис.
Линии показывают синфазные поверхности, т.е поверхности в которых магнитная и электрическая составляющие электромагнитного поля стоячей волны имеют одинаковые фазы. При этом интенсивность излучения в области ограниченной линиями и называется каустикой.
Распределение поля внутри резонатора может быть получено путем решения систем уравнений Максвелла с учётом граничных условий на зеркалах в трехмерной системе координат. Граничные условия: электрическое поле стоячей волны на зеркалах равно «0».
В результате такого решения получено очень простое выражение условия устойчивости резонатора
0<g1-g2<1, (2.11)
где g1=1-L/r1; g2=1-L/r2.
Резонаторы, у которых g1*g2>1 или g1*g2<0, являются неустойчивыми.
Условие устойчивости можно представить графически, как показано на рисунке. Заштрихованные участки соответствуют параметрам устойчивых резонаторов. Причем т. А,В,С соответствуют резонаторам с зеркалами одинакового радиуса кривизны r1=r2=r. С – плоский резонатор (r=); В – конфокальный резонатор (r=L); А – сферический резонатор (r=L/2). Эти три типа резонаторов лежат на границе, разделяющей устойчивую и неустойчивую области параметров. Поэтому также резонаторы применяют нечасто. Обычно применяются резонаторы с промежуточными параметрами.
Наиболее широкое применение получили резонаторы, образованные либо двумя вогнутыми, либо вогнутым и плоским зеркалами. А радиус кривизны и вогнутого зеркала r в 2-10 раз превышает длину резонатора L. Такие резонаторы соответствуют участку ВС.
Резонансные частоты и размер пучка излучения.
Резонансные частоты для общего случая сферического резонатора определяется выражением, полученным в результате решения уравнений Максвелла:
(2.12)
где n, l, m – положительные целые числа, n – соответствует стоячей волне (моде), ориентированной остро вдоль оси резонатора l и m – соответствует стоячим волнам (модам), ориентированных под некоторым углом к оси резонатора. Этот угол не может иметь больших значений (иначе не будет усиления излучения) Поэтому на практике n>>l , а l и m <= 2.
Резонансные частоты могут быть представлены (рис. ) частотным спектром мод (зависимость интенсивности излучения I от частоты ν. Каждая резонансная частота, т.е. мода соответствует определенному сочетанию n,m,l – чисел.
Рис.
Мода с n,0,0 – называют продольной модой.
- разность частот между двумя соседними продольными модами.
Моды, у которых m или l≠0, называют поперечными.
- разность частот между поперечными модами.
Радиусы пучка в оптическом резонаторе (при генерации излучения на продольной моде) можно определить по формулам
,
,
.
.
При
При .
.
На практике, как правило, стараются обеспечить условия резонанса при l=m=0, т.е. получают продольную моду.
Моды оптического резонатора и соответственно модовый состав излучения обозначают TEM n,l,m, где TEM – transverse electric and magnetic; n,l,m – модовые числа. Так как n>>m и l (например, для СО2 – лазера L=102 см - n=2*105) обычно n – не указывают.
Пример: TEM00 – продольная мода, TEM01, TEM02, TEM11 и т. д. – различные типы поперечных мод.
Типичные картины распределения интенсивности в лазерном пучке при генерации на различных модах приведены в литературе и рис. .
Рис.