Вводная часть

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ

ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ГЕОМЕТРИИ РЕЗОНАТОРА

Москва – 2004 г.

Цель работы: ознакомление с основными конструктивными элементами гелий-неонового лазера и их влиянием на выходные характеристики лазерного излучения, овладение методикой измерения угла расходимости и допуска на разъюстировку; экспериментальное исследование влияния геометрических параметров резонатора (радиусов кривизны или расстояния между зеркалами, диаметра диафрагмы и т.п.) на работу лазера (выходную мощность, структуру поперечных мод, расходимость и допуск на взаимную юстировку зеркал) и сравнение с теоретическими результатами, полученными расчетным путем.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Из теории стационарных процессов лазерной генерации известно, что выходная мощность P_вых прямо пропорциональна эффективно зондируемому полем резонатора объему активной среды, т.е. тому пространству в активной среде, где напряженность поля превышает уровень 1/e (в долях от максимальной напряженности). Аналитически данное положение при круглой форме апертуры может быть записано в следующем виде:

, (1)

где l₀ – длина активной среды по оптической оси,

- размер пятна в “ l ”-ом сечении,

- полярный угол.

При прямоугольных апертурах объем моды вычисляется еще проще:

, (2)

где - размер пятна по оси x в “ l ”-ом сечении,

- то же, но по оси y.

С целью упрощения аналитических зависимостей активная среда в данной лабораторной работе располагается так, что в первом приближении можно пренебречь изменением величины вдоль длины активной среды (т.е. при ).

Тогда эффективный объем моды

, (3)

где

- (4)

- эффективная площадь нормального сечения поля при круглых апертурах;

при прямоугольных апертурах:

. (5)

Числовое значение коэффициента пропорциональности между выходной мощностью лазера и эффективно зондируемым объемом активной среды определяется очень многими параметрами как активной среды (удельной мощностью P_уд или параметром насыщения β, а также распределением инверсной населенности по поперечному сечению и вдоль активной среды и т.п.), так и резонатора; поэтому в данной работе целесообразно исследовать лишь сохранение предполагаемой зависимости в возможно более широком диапазоне изменения эффективного объема V, и, следовательно, P_вых . Нетрудно понять, что изменение длины активной среды будет влиять на численное значение коэффициента пропорциональности и поэтому неприемлемо.

В то же время можно значительно изменять площадь поперечного сечения пучка путем изменения размера пятна . Такого изменения можно достигнуть двумя путями: либо изменением кривизны зеркал, либо изменением расстояния между ними. Первый способ существенно затруднит и усложнит эксперимент, т.к. потребуется набор зеркал с разной кривизной, но одинаковым зеркальным покрытием. Кроме того, каждое зеркало должно быть съюстировано с высокой степенью точности.

Второй же способ позволяет добиться желаемого результата с одним и тем же зеркалом, которое следует лишь слегка подъюстировать после перемещения по направляющим оптической скамьи. В то же время существенного (примерно на порядок) изменения размера пятна при сравнительно небольших перемещениях зеркала можно добиться лишь в почти концентричном резонаторе (или полурезонаторе, что и реализовано в данной работе). В почти плоскопараллельном резонаторе необходимые перемещения зеркал соизмеримы с их радиусами кривизны, что потребует для эксперимента протяженных помещений и ухудшит результаты за счет существенно разной толщины запыленного турбулентного воздушного слоя внутри резонатора.

В качестве активной среды для данного эксперимента наиболее удобна He-Ne смесь, возбуждаемая разрядом постоянного тока. Она является наиболее стабильной по всем параметрам. Единственным присущим ей недостатком следует считать сравнительно небольшой коэффициент усиления в видимой области (при λ=0,63 мкм константа ненасыщенного усиления k₀₀ =20…30 ), что вынуждает тщательно протирать и защищать оптику, установленную внутри резонатора, от пыли и других налетов.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что наиболее простым способом осуществления данного эксперимента является изменение расстояния между зеркалами полусферического резонатора, приводящее к существенному изменению размера пятна на вогнутом зеркале, и, следовательно, к изменению объема моды в газоразрядной трубке с He-Ne смесью, обеспечивающей генерацию в видимой области спектра (λ=0,63 мкм).

При изменении расстояния между зеркалами меняется также расходимость лазерного пучка и допуск на взаимную юстировку зеркал.

Дата добавления: 2015-10-21