Лазаренко А.Г., Муссил В.В., Лемешевская Е.Т. Методические указания к лабораторным работам по курсу Квантовая радиофизика и нелинейная оптика - файл n1.doc

Лазаренко А.Г., Муссил В.В., Лемешевская Е.Т. Методические указания к лабораторным работам по курсу Квантовая радиофизика и нелинейная оптика
скачать (1002 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1002kb.06.11.2012 18:00скачать

n1.doc

1   2   3   4

Методика выполнения работы


Лабораторная установка состоит из полупроводникового лазера ИЛПН-301 (длина волны  = 0,85 мкм, максимальная мощность Р0 = 1 мВт), закрепленного на столе и связанного с блоком питания; электронно-оптического преобразователя из комплекта прибора ночного видения ПНВ-57Е со своим блоком питания (постоянное напряжение 12 В или 24 В избирается прибором автоматически) и разграфленного матового экрана, который перемещается по оптической скамье вдоль линейки. Расстояние между длинными штрихами на экране равно 1 см, короткие штрихи нанесены посредине между длинными.

Следует помнить, что прибор ночного видения ПНВ-57Е можно включать при освещенности не более чем 1 лк. Включение прибора при дневном свете может вывести из строя ЭОП, поэтому такое включение – без крышек на объективахкатегорически запрещено. Для ослабления света и увеличения глубины резкости в крышках объективов сделаны отверстия, так что рабочее положение крышек объективов – закрытое. Снимать эти крышки при включенном приборе категорически запрещено. Запрещается также отсоединять кабели ПНВ и касаться его оптических деталей.

Измеряя с помощью ЭОП диаметр пятна D лазерного излучения, наблюдаемого на экране, и по линейке – расстояние до экрана L, определим расходимость пучка :

. (1)

Порядок выполнения работы


1. Включить блок питания полупроводникового лазера и дать ему прогреться 2-3 минуты, потом включить генерацию ППЛ кнопкой “ИЗЛУЧ”.

2. Проверив наличие крышек на объективах прибора ночного видения, включить его. Следует избегать прямого попадания излучения лазера в глаза.

3. Используя ЭОП, измерить диаметр D пятна лазерного излучения на экране при нескольких значениях расстояния от лазера до экрана L.

4. С помощью формулы (1) рассчитать среднюю расходимость пучка излучения ППЛ. Оценить погрешность измерения.

5. Выключить ПНВ и ППЛ.

Контрольные вопросы

  1. Каковы характерные особенности полупроводниковых лазеров?

  2. Какое физическое явление лежит в основе работы ЭОП?

  3. Зачем в данной работе применяется ЭОП?

  4. Чему равна мощность полупроводникового лазера, применяемого в данной работе? Расходимость пучка? КПД? Длина волны излучения?

  5. Можно ли изменить длину волны индуцированного излучения в лазере, используемом в данной работе? Почему?

  6. Что представляет собой система накачки лазера, используемого в данной работе?

  7. Какова система охлаждения и почему она используется в данном лазере?

  8. Где и почему применяются полупроводниковые лазеры?

Лабораторная работа № 4


Свободная генерация и модуляция добротности
в твердотельном лазере.


Цель работы - ознакомление с основными режимами генерации импульсного твердотельного лазера (ТТЛ), наблюдение и регистрация пичков и модуляции добротности, а также генерации второй гармоники.

Общие сведения

Как известно, генерация начинается в лазере после достижения инверсной населенностью активной среды некоторого порогового уровня, обеспечивающего превышение усиления над потерями. При этом после начала генерации из-за съема энергии, запасенной в активной среде, инверсия может опуститься ниже порогового уровня, что приведет к срыву генерации. Если же система накачки продолжает работать, после прекращения генерации через некоторое время порог опять может быть превышен, что приведет к возникновению очередного всплеска генерации («пичка»), так что за время вспышки лампы накачки получится не один сплошной импульс, а последовательность коротких пичков, разделенных паузами. Такой режим, называемый пичковым, характерен для импульсных ТТЛ, например, для лазера на алюмоиттриевом гранате (аиг), легированном неодимом, существует при неизменном уровне потерь в резонаторе и поэтому называется еще свободной генерацией.

Качественно другой результат можно получить, если при действующей накачке поддерживать высокий уровень потерь в резонаторе (при этом инверсия населенности возрастает, запасая энергию накачки), а затем быстро (за время, порядка того, что требуется свету на проход по резонатору) уменьшить потери до минимума. Такой режим называется модуляцией добротности и дает он короткий мощный импульс света длительностью от нескольких наносекунд до сотни наносекунд. При этом, несмотря на потери в энергии импульса (примерно на порядок), за счет его укорочения на несколько порядков величины удается соответственно увеличить его мощность (почему его иногда и называют гигантским). Использование гигантских импульсов позволяет легко получить различные нелинейно-оптические эффекты, такие как генерация второй гармоники (пример - преобразование ИК излучения алюмоиттриевого граната (аиг), легированного неодимом с длиной волны  = 1,06 мкм в видимое, с длиной волны  = 0,53 мкм), различные виды вынужденного рассеяния и т.п.

Различают активную (при помощи акусто-оптических или электро-оптических модуляторов света, управляемых внешним электрическим сигналом) и пассивную модуляцию добротности. Модуляция называется пассивной потому, что свет, развивающийся в резонаторе в условиях высоких потерь генерации, «сам» уменьшает эти потери при достижении им определенного порога интенсивности (наиболее наглядный пример – испаряющееся зеркальное покрытие, открывающее своим исчезновением доступ к более высококачественному зеркалу).

В данной работе использованы пассивные модуляторы с насыщающимся поглощением в виде кристаллов фторида лития с центрами окраски, можно, также, использовать и растворы соответствующих красителей, в которых поглотителями являлись молекулы сложных органических веществ. Эти центры поглощают излучение генерации ионов неодима с длиной волны 1,06 мкм, причем их количество и время жизни возбужденных состояний таковы, что достигается состояние, в котором уже практически все центры возбуждены и, следовательно, дальнейшее поглощение невозможно. В этот момент потери уменьшаются, и генерируется короткий импульс. Модуляция добротности резонатора с периодом, равным времени прохода света по резонатору, позволяет получить последовательность (цуг) импульсов пикосекундной длительности и называется синхронизацией мод (поскольку при этом каждая продольная мода резонатора, попадающая в полосу генерации, высвечивается в виде отдельного импульса).

Описание лабораторной установки


Лабораторная установка включает в себя импульсный лазер на АИГ с неодимом из комплекта Квант-12, фотоприемник ФК-15 с блоком питания БНВ3-05 и запоминающий осциллограф С8-17. Для получения режима гигантских импульсов используется пассивные модуляторы добротности на кристалле LiF с центрами окраски, помещаемые внутрь резонатора.

установка «квант-12» представляет собой лазер, совмещенный с оптико-механическим блоком наблюдения и фокусировки луча на деталь и индикатором энергии. в свою очередь, лазер имеет осветитель (квантрон), помещенный в оптический резонатор, систему питания и охлаждения.

конструктивно установка выполнена в виде станка с излучателем и модулятора мт-42м (источник питания). Станок представляет собой стол, на котором размещены оптико-механический блок и приспособления для полуавтоматической сварки. в столе находится блок охлаждения и пульт управления, а также синхронизатор и ротаметр для определения скорости подачи защитного газа. кроме лазера оптико-механический блок содержит механизм перемещения, источник подсветки рабочей зоны, штуцер для удаления продуктов горения, телескопическую систему, зеркало, фокусирующий объектив и датчик энергии.

Осветитель лазера представляет собой герметический корпус с расположенными в нем лампой накачки, отражателем и активным элементом, который помещен в резонатор. резонатор содержит зеркала, установленные на стойках крепления с юстировочными винтами и пружинными устройствами для крепления зеркал.

активным элементом лазера является монокристалл алюмоиттриевого граната (аиг), легированного неодимом, диаметром 6,3 мм и длиной 100 мм, длина волны излучения - 1,06 мкм (ближний инфракрасный диапазон), длительность импульса - 1,5 - 4,0 мс, частота следования импульсов (регулируемая) - до 10 гц, энергия импульса - до 4 дж.

На рис.1 представлена блок-схема установки «квант-12». Справа от оператора в тумбе стола розмещен пульт управления. лампы 1 “сеть” и 2 “охлажд” на нем указывают на наличие питания и роботу контуров охлаждения. под лампами размещены переключатели 3 и 4 “режим работы” - для включения частотного (“частот”) или одиночного (“одиноч”) режимов. для запуска импульса в одиночном режиме служит кнопка 5 “запуск” “одиноч”. кнопка б “свет” включает подсветку рабочей зоны, ручка 7 “яркость” регулирует ее яркость. кнопки 8 “вкл” - 9 - “выкл” служат для включения и выключения установки. ручка 10 слева с лимбом и делениями 0-1000 служит для регулирования напряжения накопителя (и, следовательно, энергии импульса генерации).

Источником питания установки является стойка мт-42м. на ее лицевой панели размещены кнопки 11, 12 “силовая”, “вкл-выкл” подачи высокого напряжения, лампы 13 “питание” - индикации включения и 14 “дежурная дуга” - индикации загорания разряда дежурной дуги в лампе накачки. Красная кнопка 15 “запуск” служит для поджига дежурной дуги (при нажатой кнопке “дежурная дуга”) или для запуска импульса в процессе работы. на блоке сум-10а (система управления модулятором) также имеется ручка изменения напряжения накопителя под соответствующей надписью и переключатель 17 “частота нzчастоты следования импульсов с кнопками 1 и 10.

кнопки переключателя 18 “приспособление” на пульте управления служат для включения (крайние) подачи образца в соответствующем направлении, а средняя - для остановки. Автоматический выключатель 19 расположен с тыльной стороны стойки МТ-42М и служит для ее включения и выключения.

Для наблюдения свободной генерации твердотельного лазера используется штатный режим его работы. Для получения гигантских импульсов необходимо поместить в резонатор модулятор добротности (это выполняется только преподавателем!). В качестве отражателя, направляющего излучение на фотоприемник, - учитывая высокую чувствительность последнего и большую мощность лазера - используется матовая металлическая поверхность. Во избежание испарения и ионизации материала отражателя (что давало бы излучение видимого диапазона и, тем самым, сигнал фотоприемника отличался бы от ожидаемого распределения интенсивности самого лазерного излучения) необходимо удалить объектив установки Квант-12. Отражатель располагается в поле зрения фотоприемника ФК-15, соединенного с выходом блока питания БНВ3-05 и входом осциллографа С8-17.

Порядок выполнения работы

  1. Изучить принцип работы и устройство лазера установки Квант-12, назначение органов его управления и осциллографа.

  2. Наблюдение временной структуры импульса свободной генерации лазера.

2.1 Включить установку Квант-12, блок БНВ3-05 и осциллограф С8-17.

2.2. Определить пороговое значение напряжения на накопительных конденсаторах установки Квант-12 и записать его. Установив напряжение несколько выше порогового), включить автоматический циклический режим стирания-запоминания С8-17 и автоматический запуск его развертки.

2.3. Получить на экране осциллографа временную развертку импульса генерации. Измерить длительность пичка и среднюю величину интервала между соседними пичками.

2.4. Увеличивая энергию импульса, регистрировать количество пичков n в зависимости от напряжения накопителя U. Построить график зависимости n(U).

3. Наблюдение гигантских импульсов.

3.1. После введения преподавателем в резонатор модулятора добротности повторить пп. 2.2 - 2.3 с гигантскими импульсами, отметив наблюдаемые различия. Построить график зависимости N(U). Объяснить полученные зависимости.

3.2. Поместив сразу после объектива установки Квант-12 нелинейный кристалл, пронаблюдать явление генерации второй гармоники.

Контрольные вопросы.

  1. Что такое модуляция добротности?

  2. Какие существуют методы модуляции добротности?

  3. Чем объясняется наличие пичковой структуры в импульсе генерации твердотельного лазера?

  4. Что такое генерация второй гармоники?

  5. Каков состав активной среды лазера, используемого в данной работе?

  6. Чему равна мощность лазера, используемого в данной работе? Расходимость пучка? КПД?

  7. Какова длина волны излучения лазера? К какому спектральному диапазону она относится?

  8. Что представляет собой система накачки лазера, используемого в данной работе? Система охлаждения?

  9. Каков режим генерации лазера, используемого в данной работе? Можно ли его изменять? Почему?

лабораторная работа №5

ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ДЕФОКУСИРОВКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОГЛОЩАЮЩИХ РАСТВОРАХ

Целью работы является изучение тепловой дефокусировки лазерного излучения в поглощающих растворах – беспорогового нелинейного оптического явления.

Общие сведения

Известно, что при больших интенсивностях света, когда напряженность электромагнитного поля световой волны Е сравнима с внутриатомным электрическим полем Еа (например, для атома водорода Еа ~ 5109 В/м), среда, в которой происходит распространение света, становится нелинейной. В нелинейной среде не выполняется принцип суперпозиции, наблюдаются такие эффекты как нелинейная поляризация, нелинейная рефракция и др. Мощные лазеры, как правило, применяющиеся для возбуждения пороговых нелинейных оптических явлений, весьма дефицитны и используются в стационарных установках, обычно не предназначенных для выполнения на них лабораторных работ.

Вместе с тем существуют и беспороговые нелинейные оптические явления, к которым и относится тепловая дефокусировка оптического излучения в поглощающих растворах. Во многих случаях работы с интенсивным излучением это явление приходится учитывать как побочный эффект.

При прохождении излучения через поглощающий раствор в нем устанавливаются радиальные (перпендикулярно оси пучка) градиенты температуры и плотности и, как следствие, градиент показателя преломления. Жидкость становится оптически неоднородной. В неоднородной среде прямолинейность распространения света нарушается.

Можно показать, что радиус кривизны луча R связан с градиентом показателя преломления n/r соотношением

(1)

где n - показатель преломления раствора,  - угол между лучом и нормалью к поверхностям n = const. Т.к. в большинстве жидкостей (n/T)р < 0 (Т – температура, р - давление), функция n(r) имеет минимум на оси светового пучка. Согласно соотношению (1) такое распределение n(r) приводит к дефокусировке света; в условиях теплового самовоздействия пучок света преобразуется плоскопараллельной кюветой с поглощающей жидкостью как отрицательной линзой. При относительно низких плотностях мощности изменение угловой расходимости пучка зависит от его мощности Р и радиуса при входе в поглощающий слой ао как

(2)

где 0 – начальная расходимость пучка, d – толщина слоя,  - коэффициент поглощения, К – коэффициент теплопроводности раствора. В этом случае тепловую линзу можно считать тонкой, т. е. учитывать только изменение волнового фронта и пренебрегать расширением пучка внутри кюветы.

Наведенная излучением тепловая линза обладает сферическими аберрациями. В этом случае когерентные лазерные лучи, испытавшие в поглощающем растворе различные отклонения, взаимно пересекаясь по выходе из кюветы, интерферируют, образуя на экране систему концентрических темных или светлых колец. Число N аберрационных колец в картине дефокусировки увеличивается с ростом мощности излучения Р и концентрации раствора (т.е. коэффициента поглощения ). Максимальная разность фаз  интерферирующих световых волн, прошедших тепловую линзу, определяется соотношением

(3)

где n – наибольшее вызванное нагреванием изменение показателя преломления жидкости, 0 – длина волны света в вакууме, lтолщина тепловой линзы. Поскольку

n = (n/T)р T, (4)

выражение (3) можно использовать для оценки степени нагревания раствора T в области тепловой линзы.

Как следует из формулы (2), увеличение мощности излучения приводит к пропорциональному возрастанию расходимости пучка. Эффект расходимости можно существенно усилить и при постоянной мощности излучения, сфокусировав его на входе в поглощающую среду собирающей линзой, т.е. уменьшив а0. Фокусировка, повышая плотность мощности излучения, позволяет за счет уменьшения размеров интенсивно нагреваемого объема раствора существенно ослабить искажающее влияние конвекции, приводящее к дополнительному оттоку выделившегося тепла и уменьшению вертикального диаметра светового пятна. Влияние конвекции уменьшается также в тонких кюветах. При этом, как видно из соотношения (2), коэффициент поглощения раствора должен быть достаточно большим, чтобы выполнялось условие exp(-d) <<1.

При малой концентрации поглощающего вещества в растворе его влияние на теплофизические свойства растворителя пренебрежимо мало; необходимо лишь, чтобы оно имело хорошую растворимость в выбранном растворителе, не разлагалось и не люминесцировало под действием излучения лазера. Как ясно из физики явления и выражения (2), для получения сильной дефокусировки в качестве растворителя необходимо выбирать жидкость с низкой теплоемкостью и теплопроводностью, а также сильной температурной зависимостью показателя преломления.

Описание лабораторной установки.

Схема установки, используемой в данной работе для изучения явления тепловой дефокусировки, приведена на рис.1. В качестве источника света 1 может быть использован либо гелий – кадмиевый лазер (длина волны излучения 442 нм, мощность излучения Р  30 мВт) либо гелий – неоновый лазер (длина волны излучения 633 нм, мощность излучения Р  30 мВт). Фокусирующая линза 2 закреплена на микропозиционере, позволяющем совершать перемещения с шагом 0,1 мм. Излучение фокусируется на вход плоскопараллельной стеклянной кюветы 3 толщиной d = 10 мм. Кювета заполнена спиртовым раствором красителя, который поглощает на волне излучения лазера. Прошедший через кювету лазерный луч попадает на экран 4, создавая на нем световое пятно. Все элементы схемы располагаются на оптической скамье.

Порядок выполнения работы.

  1. Собрать установку в соответствии со схемой, приведенной на рис.1.

  2. Установить кювету 3 с растворителем (этиловым спиртом) в держатель.

  3. Включить лазер 1.

  4. При помощи позиционера отрегулировать положение линзы 2 таким образом, чтобы ее фокус располагался перед входным окном кюветы. Записать показания позиционера so.

  5. Перемещая позиционер с шагом 1 мм для каждого его положения измерить диаметр светового пятна на экране 4, данные занести в таблицу.

  6. Заменить в держателе кювету с растворителем кюветой с поглощающим раствором.

  7. Провести измерения аналогично описанным в п. 5, перемещая позиционер с шагом 0,5 мм. Для максимального диаметра светового пятна определить число N аберрационных колец.

  8. Построить зависимости диаметра светового пятна D от перемещения позиционера (s - sо) для растворителя и поглощающего раствора.

  9. Определить ао из соотношения (2).  и о вычислить по формулам:

 = D/L , (5)

0 = D0/L, (6)

где D0 диаметр светового пятна на экране после прохождения лучом растворителя, D – максимальный диаметр светового пятна для поглощающего раствора, L – расстояние от тепловой линзы до экрана. Поглощение раствора (d) измерить на спектрофотометре, (n/T)р = - 410-4 К-1; К = 0,166 Вт/(мК); n = 1,36; Р = 30 мВт.

  1. Оценить наибольшее изменение показателя преломления жидкости n, максимальный перегрев жидкости Т, пользуясь формулами (3) и (4). Считать l = 3а0.
1   2   3   4


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации