Исследование зависимости выходной мощности газового лазера от коэффициента связи резонатора

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

М осква - 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!