РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИИ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА.

Кафедра ЭТТ

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Квантовая и оптическая электроника».

На тему: “Расчет и проектирование СО2 лазера”.

 

 

Выполнил: ст. гр. 421

Фомин Е.В.

Проверил:

Соловьёв В. И

 

 

Рязань 2008г.

Содержание

Техническое задание 3

Введение 4

Принцип работы СО₂ лазера 6

Расчет геометрии активного элемента 8

 

Расчет потерь 9

Расчет коэффициента пропускания выходного зеркала и мощности излучения 11

Расчет теплового режима 13

Результаты компьютерного моделирования 19

Список литературы 20

Техническое задание

 

Рассчитать и спроектировать СО₂ лазер со следующими параметрами:

 

мощность излучения, Вт 30

ширина линии излучения, МГц 400

особенность режима работы многомодовый

длина волны, мкм 10,6

 

Введение

Квантовые генераторы представляют собой особый класс электронных приборов, вобравший в себя самые современные достижения различных областей науки и техники.

Принцип работы квантовых генераторов основан на усилении электромагнитных волн с помощью эффекта вынужденного (индуцированного) излучения. Усиление обеспечивается за счет выделения внутренней энергии при стимулируемых внешним излучением переходах атомов, мо­лекул, ионов и т.д. с некоторого возбужденного верхнего энергетического уровня на нижний (ниже расположенный). Эти вынужденные переходы вызываются фотонами.

Возбуждение, или, как принято называть, накачка, осуществляется либо непосредственно от источника электрической энергии, либо за счет потока оптического излучения, химической реакции, ряда других энерге­тических источников.

Под воздействием накачки, нарушающей термодинамическое равно­весие, может возникнуть обратная ситуация, когда населенность верхнего уровня превысит населенность нижнего. Возникает состояние, которое на­зывается инверсией населенностей. В этом случае количество вынужден­ных переходов с верхнего энергетического уровня на нижний, при которых возникает индуцированное излучение, превысит число обратных перехо­дов, сопровождающихся поглощением исходного излучения. Поскольку направление распространения, фаза и поляризация индуцированного излу­чения совпадают с направлением, фазой и поляризацией воздействующего излучения, возникает эффект его усиления.

Среда, в которой возможно усиление излучения за счет индуциро­ванных переходов, называется активной средой. Основным параметром, характеризующим ей усилительные свойства, служит коэффициент, или показатель усиления К - параметр, определяющий изменение потока из­лучения на частоте v на единицу длины пространства взаимодействия.

Усилительные свойства активной среды можно существенно повы­сить, применяя известный в радиофизике принцип положительной обрат­ной связи, когда часть усиленного сигнала возвращается обратно в актив­ную среду и повторно усиливается. Если при этом усиление превышает все

потери, включая те, которые используются как полезный сигнал (полезные потери), возникает режим автогенерации. Автогенерация начинается с по­явления спонтанных переходов и развивается до некоторого стационарно­го уровня, определяемого балансом между усилением и потерями.

В квантовой электронике для создания положительной обратной 'свя­зи на данной длине волны используют преимущественно открытые резо­наторы - систему из двух зеркал, одно из которых (глухое) может быть совершенно непрозрачным, второе (выходное) делается полупрозрачным. Область генерации лазеров соответствует оптическому диапазону элек­тромагнитных волн, поэтому резонаторы лазеров называют еще оптиче­скими резонаторами.

Типичная функциональная схема лазера с указанными выше элемен­тами показана на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схеме газового лазера

Обязательным элементом конструкции газового лазера должна быть оболочка, в объеме которой находится газ определенного состава при за­данном давлении. С торцевых сторон оболочка закрыта окнами из про­зрачного для лазерного излучения' материала. Эта функциональная часть прибора называется активным элементом. Окна для уменьшения потерь на отражение от их поверхности устанавливают под углом Брюстера. Ла­зерное излучение в таких приборах всегда поляризовано.

Активный элемент вместе с зеркалами резонатора, установленными снаружи активного элемента, называется излучателем. Возможен вариант, когда зеркала резонатора закрепляются непосредственно на торцах обо­лочки активного элемента, выполняя одновременно функцию окон по гер­метизации газового объема (лазер с внутренними зеркалами).

Применение лазеров в самых различных отраслях науки и техники (физика, химия, медицина, электроника, связь, локация, строительство, приборостроение, энергетика, машиностроение и др.) позволило получить не только количественно, но и качественно новые результаты, способствуя тем самым дальнейшему развитию этих отраслей.

Успехи квантовой электроники, прежде всего оптического диапазона, привели к созданию принципиально новых оптических приборов и методов, их широкому использованию в электронике, измерительной технике, локации, связи, вычислительной технике и т.д. При этом отчетливо наблюдается тенденция к возрастанию роли оптических методов передачи, обработки и хранения информации.

 

 

Принципы работы СO2 лазера

СО₂ – лазер, т.е. лазер, излучающей составляющей активной среды которого является углекислый газ, занимает особое место среди всего многообразия существующих лазеров. Этот уникальный лазер отличается прежде всего тем, что для него характерны и большой энергосъем, и высокий КПД.

Молекула СО₂ имеет три нормальных колебания – симметричное валентное n₁, деформационное n₂ и несимметричное валентное n₃ (рис.1)

 

О С О О С О О С О

 

n₁ n₂ n₃

рис.1 Три фундаментальные моды колебаний молекулы СО₂.

 

Деформационное колебание дважды вырождено. Соответственно заполнение колебательных уровней молекулы СО₂, в том числе не только нормальных частот n₁, n₂, n₃, но и их обертонов и составных колебаний, определяет тот набор квантовых чисел V₁, V₂, V₃, который описывает колебательное состояние молекулы. Обозначаются уровни комбинацией квантовых чисел: V₁, V₂^l, V₃. Индекс l вводится из-за вырождения деформационного колебания n₂. Важны нижние колебательные уровни основного электронного состояния, показанные на рис.2.

n,10³см^-1

00⁰1 V=1

 

10⁰0

02⁰0

01¹0

 

V=0

СО₂ 00⁰0 N₂

Рис.2. Схема нижних колебательных уровней СО₂ и N₂ в основном электронном состоянии: прямые наклонные стрелки – генерационные переходы, прямая стрелка верх – возбуждение азота, волнистая горизонтальная стрелка – передача энергии возбуждения от азота к СО₂, остальные волнистые стрелки – релаксационное опустошение нижних лазерных уровней.

Случайное совпадение частот колебаний n₁ и 2n₂ в силу резонанса Ферми смешивает эти уровни, и они в кинетических процессах часто выступают как одно состояние. Нижний лазерный уровень 10⁰0 генерационного перехода 00⁰1 ® 10⁰0 имеет малое время релаксации в силу сильной связи с деформационным колебанием 02⁰0 и тем самым с колебанием 01¹0. Внутри одной колебательной моды столкновительный обмен энергией в силу малости дефицита энергии происходит очень быстро, практически за одно газокинетическое столкновение. Колебание 01¹0, как и всякое деформационное колебание, имеет большое сечение столкновительной дезактивации. Из простых геометрических соображений очевидно, что сечение неупругого столкновения для валентного колебания, которое может быть возбуждено частицей, налетающей на молекулу практически под любым углом к ее оси. Симметричные гомоядерные молекулы азота обладают большим собственным временем жизни в колебательно возбужденном состоянии, легко возбуждаются электронным ударом и охотно отдают энергию возбуждения СО₂.

Что же касается опустошения нижнего лазерного уровня, то оказалось, что первый возбужденный уровень деформационной моды n₂ 01¹0 эффективно релаксирует при столкновениях с атомами Не. Гелий опустошает уровень 01¹0 СО₂ со скоростью4*10³ с^-1*Тор^-1. При этом уровень 00⁰1 моды n₃ гелием практически не затрагивается.

Цикл лазерной накачки СО₂ – лазера в стационарных условиях выглядит следующим образом. Электроны плазмы тлеющего разряда возбуждают молекулы азота, которые передают энергию возбуждения несимметричному валентному колебанию молекул СО₂, обладающему большим временем жизни и являющемуся верхним лазерным уровнем. Нижнем лазерным уровнем обычно является первый возбужденный уровень симметричного валентного колебания, сильно связанный резонансом Ферми с деформационным колебанием и поэтому быстро релаксирующий вместе с этим колебанием в столкновениях с гелием. Очевидно, что этот же канал релаксации эффективен в случае, когда нижним лазерным уровнем является второй возбужденный уровень деформационной моды. Т.о. СО₂-лазер – это лазер на смеси углекислого газа, азота и гелия, где СО₂ обеспечивает излучение, N₂ – накачку верхнего уровня, а Не – опустошение нижнего уровня.

 

РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИИ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА.

 

Выберем соотношение между компонентами газовой смеси 1:1:4

При давлении более 10 мм рт. ст. имеет место преимущественно столкновительное уширение, величина которого зависит от компонентного состава, температуры газовой смеси Тг и линейно растет с увеличением давления р.

 

мм рт.ст.

 

Ширина линии неоднородного уширения рассчитывается по формуле, где

с - скорость света,

к - постоянная Больцмана

- частота излучения неподвижной частицы.

 

По этим данным определяется коэффициент g:

 

Оптимальный диаметр разрядного капилляра d уменьшается с увеличением давления и составляет примерно

 

1,2..1,6/(xc*p)

 

 

Рассчитаем ненасыщенный коэффициент усиления активной среды:

 

Величина параметра насыщения:

 

Вычислим длину активного элемента.

 

РАСЧЕТ ПОТЕРЬ.

 

Дифракционные потери связаны с рассеиванием светового потока на краях зеркал. Расстояние L между зеркалами (длина резонатора) выбирается исходя из конструктивных особенностей так, чтобы в пространстве между зеркалами можно было разместить активный участок разрядного канала. Кроме того, в лазере, имеющем внешние зеркала, необходимо оставить место для размещения окон.

 

Возьмем длину резонатора выше длины разрядного канала.

 

 

При малых диаметрах разрядного капилляра (d<0.15 см) дифракционные потери могут оказаться очень большими, что сделают невозможной генерацию лазерного излучения. В этом случае следует перейти к волноводному режиму работы лазера.

 

Так как

см, < 0.15 см, поэтому переходим к волноводному режиму.

 

В волноводном режиме дифракционные потери не возникают, но имеют место потери на распространение bр, связанные с поглощением и рассеянием излучения на боковых стенках.

Re - действительная часть от комплексного параметра показателя распространения излучения в данном материале. В качестве материала внутренней поверхности стенок будем использовать алюминия.

 

 

В силу особенностей формирования электромагнитного поля в условиях волноводного режима возникают потери в просвете между краем волноводного канала и поверхностью зеркала. Анализ условия возникновения таких потерь приводит к выражению, где D = 0.3 см (зазор между поверхностью зеркала и краем волновода).

 

 

 

В качестве материала окон будем использовать KCl.

Для обеспечения минимальных потерь и получения поляризованного излучения окна устанавливаются под углом Брюстера .

 

n-коэффициент преломления (для KCl n=1,46)

 

 

Показатель поглощения (для KCl =0,0004) необходимо учитывать при расчете потерь на поглощение в окнах. Потери, связанные с поглощением в окнах, определяются выражением, в котором -толщина окна (2..3мм)

Возьмем толщину окна 0,2 см

 

 

Потери, связанные с поглощением излучения в окнах:

 

Неточность установки зеркал определяется техническими возможностями и нестабильностью положения зеркал из-за тепловых деформаций.

В условиях современного производства можно принять:

 

Потери, связанные с неточностью установки зеркал, определяются как:

 

Потери, связанные с несовершенством поверхности полупрозрачного зеркала:

 

Полные потери определяются как сумма всех возможных потерь при выбранном конструктивном исполнении лазера