Северо-Западный государственный заочный
Северо-Западный государственный заочный
технический университет
Поляков В.Е., Парахуда С.Е., Потапов А.И.
ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ
Учебно-методическое пособие
для выполнения лабораторных работ
Санкт-Петербург
2004
Утверждено редакционно-издательским советом университета.
УДК 621.375.826:621+681.2
Поляков В.Е., Парахуда С.Е., Потапов А.И. Лазерная техника и технология. Учебно-методическое пособие к выполнению лабораторных работ. – СПб.: СЗТУ, 2004. – 105 с.
Учебно-методическое пособие разработано в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 653700 – «Приборостроение» (специальность 190100 – «Приборостроение») и направлению подготовки бакалавра 551500 – «Приборостроение». В учебно-методическом пособии приводится описание и порядок выполнения лабораторных работ, относящихся к основным разделам дисциплины, выбор которых был сделан с учетом практической деятельности инженера.
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов
5 курса, изучающих дисциплину «Лазерная техника и технология», специализация 190105 «Контрольно-измерительные приборы и системы» – 12 часов, и студентов 4 курса, специализация 190120 «Приборы и системы таможенного экспортного и импортного контроля» – 8 часов, изучающих дисциплину «Лазерные и оптические методы в таможенном контроле».
Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного издания для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 190100 – «Приборостроение» направления подготовки дипломированных специалистов 653700 – «Приборостроение» и специальности 190700 – «Оптико-электронные приборы и системы» направления подготовки дипломированных специалистов 6540000 – «Оптотехника».
Рецензенты:
Тарлыков В.А., д-р техн. наук, профессор кафедры квантовой электроники и биомедицинской оптики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики;
В.Ю. Храмов, д-р техн. наук, директор ФГУП НИИ лазерной физики, Санкт-Петербург;
Сарвин А.А., д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой автоматизации производственных процессов Северо-Западного государственного заочного технического университета.
© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004.
© В. Е. Поляков, С. Е. Парахуда, А. И. Потапов, 2004.
Охрана труда и техника безопасности
при проведении лабораторных работ
Организация безопасной работы при выполнении лабораторных работ на кафедре приборов контроля и систем экологической безопасности производится в соответствии с требованиями следующих государственных стандартов и систем ССБТ:
1. ГОСТ 12.1.019-79. Электробезопасность. Общие требования.
2. ГОСТ 12.1.040-83. Лазерная безопасность.
3. ГОСТ 15.1.040-83. Лазерная безопасность.
4. ГОСТ 2398-81. Санитарные нормы и правила устройства лазеров.
5. ГОСТ 25.917-83. Лазеры измерительные. Типы, основные параметры, требования.
Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров (утв. 22.04.81; №2392-81).
К работе на оборудовании и лабораторных установках допускаются студенты, имеющие теоретическую подготовку по дисциплинам «Лазерная техника и технологии» и «Лазерные и оптические методы в таможенном деле», прошедшие инструктаж по технике безопасности, изучившие инструкцию и расписавшиеся в журнале учета прохождения студентами инструктажа по технике безопасности.
Общие указания
При проведении лабораторных работ студенты получают возможность приобрести практические навыки использования лазеров в измерительных схемах и установках, изучить свойства лазерного излучения, устройство лазеров различных типов, а также освоить целый ряд современных лазерных технологий.
При подготовке к лабораторным работам студентам необходимо повторить раздел лекционного курса, по материалу которого производится данная лабораторная работа.
Необходимо внимательно изучить описание лабораторной работы и четко представлять последовательность выполняемых операций, особенности методики и техники экспериментальных исследований. Для выполнения лабораторной работы рекомендуется составить таблицы результатов расчетов и измерений, а также начертить функциональную схему установки. В пособии приведены основные теоретические положения, содержание лабораторных работ, описание лабораторных установок и измерительных приборов.
Тематика лабораторных работ
Тематика лабораторных работ охватывает наиболее важные разделы курсов и включает семь лабораторных работ:
1. Измерение параметров излучения твердотельного ИАГ: Nd3+ – лазера с ламповой накачкой.
2. Определение спектральной эффективности излучения импульсной лампы для оптической накачки твердотельного ИАГ: Nd3+ – лазера с использованием теории свечения черного тела.
3. Определение элементного состава неизвестного вещества с использованием метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии.
4. Изучение температурного тушения люминесценции в активных средах жидкостных лазеров на красителях.
5. Определение длины волны лазерного излучения методом совмещенной дифракции.
6. Определение элементного состава и концентрации вещества с использованием методов калориметрии.
7. Исследование деформационных свойств лазерных элементов (при их нагревании) методами голографической интерферометрии.
Все перечисленные работы содержат элементы научных исследований. Перечень лабораторных работ, выполняемых студентами, указывается преподавателем. При составлении отчета о проделанной работе у студентов воспитывается умение критически анализировать результаты измерений, т.е. качество, необходимое будущему инженеру или научному сотруднику. Отчет является зеркалом научной подготовки студента, стиля его работы.
Достоинством отчета является его краткость и аккуратное оформление.
При составлении отчета следует:
· сделать критические замечания и предложения по совершенствованию методик и техник излучений;
· сосредоточить основное внимание на анализе полученных зависимостей и сопоставлении данных расчета и эксперимента;
· не включать в отчет взятые из книг элементы теории исследуемых явлений, а указать лишь предмет, метод и результаты исследований.
Лабораторная работа № 1
Измерение параметров излучения твердотельного
ИАГ: Nd3+-лазера с ламповой накачкой
Цель работы
Изучение конструкции твердотельного ИАГ: Nd3+-лазера с ламповой накачкой, приобретение навыков измерения некоторых параметров генерации: средней энергии, средней мощности и расходимости лазерного излучения.
Порядок выполнения работы
Измерительная часть
1. Необходимо ознакомиться с конструкцией установки и принципом ее работы.
2. Включить твердотельный ИАГ: Nd3+-лазер (после разрешения преподавателя).
3. Плавно перемещая преобразующий элемент (болометр) измерителя ИМО-3М в двух плоскостях, обеспечить попадание лазерного излучения в окно болометра. С помощью линзы, расположенной перед окном болометра, обеспечить полное заполнение области «видения» болометра. В этом случае излучение, достигающее болометра, не зависит от его расстояния до лазера.
4. Произвести измерение значений энергии и мощности лазерного излучения, используя две шкалы прибора ИМО-3М. Опыт повторить три раза и вычислить средние значения. Полученные значения Pср и Eср занести в таблицу по форме 1.
5. Перейти к работе с экраном. Разместить экран на оптической скамье на расстоянии ≥3м. Направить лазерное излучение на экран. С помощью миллиметровой бумаги измерить диаметр пятна d1лазерного излучения на выходе полупрозрачного зеркала 2 (рис. 2). Затем измерить диаметр пятна на экране d2.
Расчетная часть
6. Построить график распространения лазерного излучения к экрану и рассмотреть треугольник abc, у которого: ap = d1/2;
bd = d2/2; ac = l; bc = (d2/2 – d1/2).
7. Рассчитать расходимость лазерного излучения из уравнения
.
|
|
|
|
|
Рис. 3. Схема по расчету расходимости лазерного излучения
Полная расходимость β = 2α.
8. Сравнить экспериментально полученный результат с полной расходимостью, рассчитанной из уравнения
где длина волны лазерного излучения λ = 1064·10-9 м; ω0 – шейка гауссова пучка.
Принять ω0 = 0,25·10-3 м.
9. Полученные результаты представить в виде таблицы по форме 1:
Форма 1
ИАГ: Nd+3-лазер с ламповой накачкой
| Параметры излучения | |||
| E, Дж | P, Вт | βэксп, мрад | βтеор, мрад |
Содержание отчета
1. Схема установки с пояснением устройства (рис.2).
2. Схема эксперимента по расчету расходимости (рис.3).
3. Результаты измерения, сведенные в таблицу по форме 1.
Литература: [1], [2], [3].
Вопросы для самопроверки
1. Из каких основных узлов состоит твердотельный лазер? Объясните назначение каждого узла твердотельного лазера.
2. Какие активные среды используются в твердотельных лазерах?
3. Какие типы ламп накачки используются в твердотельных лазерах?
4. Перечислите свойства лазерного излучения.
Лабораторная работа № 2
Определение спектральной эффективности излучения импульсной лампы для оптической накачки твердотельного ИАГ: Nd3+-лазера
Цель работы
Приобретение навыков и умения рассчитывать основные параметры оптической накачки твердотельных лазеров, в частности спектральной эффективности накачки в полосы поглощения активной лазерной среды с использованием компьютера и программного обеспечения.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с теоретическими положениями, описывающими механизмы оптической накачки импульсными лампами твердотельных лазеров.
2. Ознакомиться с алгоритмом вычисления интеграла Планка.
3. Включить компьютер и открыть программу «Plank».
4. Раскрыть табл. 1 и получить у преподавателя пределы изменения температур, ввести их в программу. Изменяя длину волны с шагом 0,1 мкм в пределах от 0,2 до 5,0 мкм, произвести расчет мощности излучения черного тела путем расчета интеграла Планка.
5. Раскрыть табл. 2 и получить у преподавателя пределы изменения полос поглощения стекла, активированного ионами Nd3+, и ввести их в программу. Дополнительно ввести значения температур, как в п. 4, а также константы. Произвести расчет излучения черного тела по отдельным полосам поглощения активной среды и результаты суммировать по всем полосам.
6. Табл. 1 и 2, а также графики распечатать и включить в отчет по лабораторной работе.
7. Рассчитать собственным калькулятором значение максимума излучения черного тела, используя уравнение Вина (2.14) для температуры, указанной преподавателем, и сравнить его со значением, полученным путем расчета уравнения Планка.
8. Произвести расчет спектрального КПД накачки с использованием уравнения Стефана-Больцмана и уравнения Планка. Распечатать зависимости КПД накачки и полученные численные значения представить в виде табл. 3. Распечатать логарифмические зависимости интенсивности излучения черного тела в полосах поглощения Nd3+-стекла от температуры и зависимости спектрального КПД накачки от температуры.
Содержание отчета
1. Название и цель работы.
2. Уравнения интеграла и дифференциала Планка.
3. Окно программы для вычисления интеграла Планка (рис.4).
4. Табл. 1 с расчетом интеграла Планка для мощности излучения черного тела при разных температурах.
5. Табл. 2 с расчетом мощности излучения черного тела в отдельные полосы поглощения и суммарное излучение во всех полосах.
6. Графики зависимости мощности излучения черного тела при разных температурах от длины волны с нанесенными полосами поглощения активной среды (рис. 5-7).
7. Логарифмическую зависимость излучения черного тела в полосах поглощения Nd3+-стекла (рис. 8).
8. Зависимость КПД накачки Nd3+-стекла (рис. 9).
Литература: [4], [5], [6].
Вопросы для самопроверки
1. Какое тело называется абсолютно черным телом с позиций поглощения и испускания излучения?
2. Сформулируйте закон Кирхгофа, описывающий излучательную способность любого тела.
3. В чем отличие уравнения Стефана – Больцмана от уравнения Планка при расчете мощности излучения черного тела?
4. Какую физическую величину описывает закон Вина? В какую область длин волн происходит смещение максимума излучения черного тела при увеличении температуры?
5. С какой целью производят оптическую накачку активной среды в твердотельных лазерах? Что такое инверсная населенность возбужденного уровня? Какой знак имеет коэффициент поглощения активной среды при достижении инверсной населенности?
Таблица 2
Мощность излучения черного тела
| Dli, мкм | Rl, мощность излучения черного тела, Вт/м3 | ||||||
| Т1=1000 К | T2=2000 K | Т3=2600 К | T4=3000 К | Т5=3600 К | Т 6=4000 К | Т 7=4300 K | |
| 0.0-0.2 | 0.0000 | 0.0000 | 0.0091 | 0.4269 | 28.6089 | 238.5989 | 911.3689 |
| 0.2-0.3 | 0.0000 | 0.0843 | 28.8407 | 399.3286 | 7137.5215 | 30744.2830 | 77518.4030 |
| 0.3-0.4 | 0.0000 | 14.8281 | 1267.6924 | 9403.4198 | 84362.3870 | 255280.8700 | 513578.2800 |
| 0.4-0.5 | 0.0001 | 276.1353 | 9889 .1741 | 49221.0120 | 283188.6300 | 682447.2200 | 1187607.1000 |
| 0.5-0.6 | 0.0052 | 1645.3824 | 32203.4570 | 121684.3500 | 516649.9700 | 1067377.0000 | 1685252.9000 |
| 0.6-0.7 | 0.0990 | 5131.9500 | 64777.3210 | 200774.2700 | 686477.1500 | 1272124.5000 | 1875974.8000 |
| 0.7-0.8 | 0.8278 | 10823.1040 | 98263.7400 | 262748.0900 | 765372.4300 | 1309504.7000 | 1837164.9000 |
| 0.8-0.9 | 4.0032 | 17804.0170 | 125268.4400 | 299013.0600 | 770711.8000 | 1241181.4000 | 1676977.2000 |
| 0.9-1.0 | 13.2552 | 24848.9350 | 142827.7300 | 311746.4000 | 730095.0700 | 1121634.1000 | 1471841.0000 |
| 1.0-1.1 | 33.4841 | 30993.0720 | 151239.2200 | 307171.1400 | 666272.1100 | 985891.5600 | 1264083.3000 |
| 1.1-1.2 | 69.3523 | 35717.9910 | 152307.9600 | 291630.8700 | 594257.9100 | 852981.5700 | 1073362.1000 |
| 1.2-1.3 | 123.7499 | 38889.3680 | 148161.2700 | 270130.1000 | 522730.1700 | 731737.7900 | 906709.1700 |
| 1.3-1.4 | 196.9969 | 40618.4140 | 140682.9400 | 246140.4300 | 456126.5000 | 625269.8200 | 764883.5500 |
| 1.4-1.5 | 286.9199 | 41136.0500 | 131331.1400 | 221863.7400 | 396322.4600 | 533750.2900 | 645874.0900 |
| 1.5-1.6 | 389.5241 | 40707.9950 | 121146.3000 | 198588.4100 | 343766.3600 | 456011.8200 | 546707.8200 |
| 1.6-1.7 | 499.8711 | 39586.3420 | 110824.7200 | 176991.6200 | 298167.6900 | 390387.9400 | 464299.5900 |
| 1.7-1.8 | 612.8799 | 37987.4960 | 100804.7700 | 157364.3800 | 258897.9800 | 335136.6500 | 395819.6500 |
| 1.8-1.9 | 723.9181 | 36086.0320 | 91342.9150 | 139766.4800 | 225213.2700 | 288636.0900 | 338821.5900 |
| 1.9-2.0 | 829.1403 | 34016.0960 | 82571.2250 | 124125.2200 | 196366.5200 | 249455.1600 | 291250.8600 |
| 2.0-2.5 | 5365.8750 | 138687.6400 | 306735.5400 | 443585.8200 | 674374.6800 | 840587.1300 | 970119.6200 |
| 2.5-3.0 | 6343.8059 | 94414.2950 | 185657.9100 | 255479.0000 | 368866.0300 | 448500.5600 | 509783.2100 |
| 3.0-3.5 | 6219.4032 | 63768.2260 | 116106.1400 | 154682.0200 | 215954.7600 | 258362.5400 | 290760.3500 |
| 3.5-4.0 | 5554.5944 | 43708.5030 | 75417.0460 | 98229.4920 | 133957.8900 | 158458.2600 | 177089.9400 |
| 4.0-4.5 | 4731.3885 | 30610.1500 | 50773.8230 | 65043.6730 | 87182.1800 | 102269.4100 | 113707.6100 |
| 4.5-5.0 | 3936.5893 | 21926.5450 | 35293.0620 | 44642.7390 | 59051.5440 | 68828.2410 | 76224.3960 |
| 0-100 | 56705.0770 | 907281.3500 | 2591286.3000 | 4593111.9000 | 9524276.8000 | 14516502.0000 | 19386340.0000 |
Окончание табл. 1
| Dli, мкм | Rl , мощность излучения черного тела, Вт/м3 | |||||||
| Т8=5000 К | Т9=5200 К | Т10=5500 К | T11=6000 К | Т12=7000 К | T13=8000 K | Т14=9000 К | T15=10000 К | |
| 0.0-0.2 | 11369.0540 | 20744.6750 | 47285.5030 | 156850.8000 | 1060699.1000 | 4580220.1000 | 14637390.0000 | 37840275.0000 |
| 0.2-0.3 | 444064.6200 | 673482.1000 | 1191780.1000 | 2734485.8000 | 10247208.0000 | 27997188.0000 | 61765386.0000 | 1.1709682.0000 |
| 0.3-0.4 | 1909583.5000 | 2608657.0000 | 3996093.0000 | 7416357.8000 | 19719511.0000 | 41306068.0000 | 73754399.0000 | 1.1773997.0000 |
| 0.4-0.5 | 3353671.7000 | 4289538.8000 | 6003944.3000 | 9772151.2000 | 21105763.0000 | 37805048.0000 | 59788883.0000 | 86679772.0000 |
| 0.5-0.6 | 3964879.6000 | 4856754.9000 | 6408742.2000 | 9580832.1000 | 18120171.0000 | 29421970.0000 | 43168511.0000 | 59008946.0000 |
| 0.6-0.7 | 3887125.6000 | 4621507.5000 | 5856074.0000 | 8260328.5000 | 14280160.0000 | 21712122.0000 | 30309552.0000 | 39855126.0000 |
| 0.7-0.8 | 3471622.4000 | 4039639.2000 | 4971768.4000 | 6727234.3000 | 10910118.0000 | 15836194.0000 | 21347153.0000 | 27317821.0000 |
| 0.8-0.9 | 2957116.8000 | 3386071.8000 | 4077838.3000 | 5349695.9000 | 8275515.2000 | 11608393.0000 | 15251026.0000 | 19131337.0000 |
| 0.9-1.0 | 2460369.0000 | 2782626.2000 | 3295643.6000 | 422267.2000 | 6299695.9000 | 8609460.1000 | 11091733.0000 | 13704095.0000 |
| 1.0-1.1 | 2025663.4000 | 2268737.2000 | 2651911.1000 | 3334772.4000 | 4836331.7000 | 6475777.4000 | 8215735.5000 | 10030516.0000 |
| 1.1-1.2 | 1662395.7000 | 1847305.3000 | 2136574.4000 | 2646757.6000 | 3752015.9000 | 4942080.1000 | 6193096.3000 | 7489040.1000 |
| 1.2-1.3 | 1365541.8000 | 1507688.4000 | 1728722.9000 | 2115382.8000 | 2943302.7000 | 3825087.3000 | 4745159.4000 | 5693236.9000 |
| 1.3-1.4 | 1125403.6000 | 1235907.3000 | 1406908.1000 | 1704088.5000 | 2334503.4000 | 3000131.6000 | 3690570.2000 | 4399045.8000 |
| 1.4-1.5 | 931784.0200 | 1018656.9000 | 1152561.2000 | 1384036.0000 | 1871369.8000 | 2382326.5000 | 2909898.9000 | 3449246.4000 |
| 1.5-1.6 | 775579.7900 | 844621.0200 | 950694.9000 | 1133258.9000 | 1515240.8000 | 1913441.6000 | 2322922.4000 | 2740530.7000 |
| 1.6-1.7 | 649197.2200 | 704637.0500 | 789583.8500 | 935253.9500 | 1238475.1000 | 1553066.4000 | 1875527.3000 | 2203639.3000 |
| 1.7-1.8 | 546511.3500 | 591464.8700 | 660187.5400 | 777675.2800 | 1021177.6000 | 1272802.1000 | 1530025.5000 | 1791258.2000 |
| 1.8-1.9 | 462666.8100 | 499451.4600 | 555577.3800 | 651280.7100 | 848907.6400 | 1052436.4000 | 1260019.4000 | 1470498.8000 |
| 1.9-2.0 | 393839.1100 | 424196.6000 | 470439.4100 | 549115.3900 | 711073.1200 | 877386.1400 | 1046682.2000 | 1218105.1000 |
| 2.0-2.5 | 1284675.0000 | 1377070.2000 | 1517353.7000 | 1754982.6000 | 2241147.7000 | 2737562.4000 | 3240959.1000 | 3749315.3000 |
| 2.5-3.0 | 656642.8400 | 699385.6400 | 764019.6600 | 872911.6000 | 1094002.6000 | 1318175.4000 | 1544432.1000 | 1772161.7000 |
| 3.0-3.5 | 367811.3000 | 390118.6900 | 423773.1800 | 480297.2800 | 594566.1400 | 709967.070 | 826130.3600 | 942830.9600 |
| 3.5-4.0 | 221190.7200 | 233916.4800 | 253087.7600 | 285224.6300 | 350017.3600 | 415289.9800 | 480884.9500 | 546706.7100 |
| 4.0-4.5 | 140695.6400 | 148466.2100 | 160161.2600 | 179740.5500 | 219144.5700 | 258775.0800 | 298557.4700 | 338446.6100 |
| 4.5-5.0 | 93636.5640 | 98642.2630 | 106171.0000 | 118763.9300 | 144075.8900 | 169504.070 | 195010.0900 | 220570.7500 |
| 0-100 | 35440678.0000 | 41460581.0000 | 51888697.0000 | 73489791.0000 | 136148.9000 | 2.3226.4030 | 372042.0700 | 567050.8500 |
Рис. 5. Мощность излучения черного тела при температурах:
1 – 1000 К; 2 – 2000 К; 3 – 2600 К; 4 – 3000 К; 5 – 3600 К;
А, Б, В, Г – полосы поглощения лазерного элемента на основе Nd-стекла:
DlГ = 0,57…0,60 мкм; DlА = 0,72…0,74 мкм; DlБ = 0,77…0,82 мкм; DlВ =0,85…0,88 мкм
Рис. 6. Мощность излучения черного тела при температурах:
1 – 4000 К; 2 – 4300 К; 3 – 5000 К; 4 – 5200 К; 5 – 5500 К;
А, Б, В, Г – полосы поглощения лазерного элемента на основе Nd-стекла
Рис. 7. Мощность излучения черного тела при температурах:
1 – 6000 К; 2 – 7000 К; 3 – 8000 К; 4 – 900 К; 5 – 10000 К;
А, Б, В, Г – полосы поглощения лазерного элемента на основе Nd-стекла
Таблица 2
Мощность излучения черного тела в полосах поглощения Nd-стекла
| Т, К Rλ, Вт/м2 | |||||
 | 0,0035 | 750,6327 | 12781,7530 | 45091,0860 | 176865,750 |
 | 0,1001 | 1896,0358 | 18429,8490 | 506769,594 | 151907,670 |
 | 0,8326 | 6928,3599 | 55884,1550 | 141553,080 | 388556,320 |
 | 1,3924 | 5667,1583 | 38669,9700 | 90949,0460 | 530541,260 |
 | 2,3286 | 15242,187 | 125765,730 | 328272,800 | 947871,000 |
 | 56705,085 | 907281,37 | 2591286,30 | 4593111,90 | 9524276,90 |
 | 35935,684 | 829398,66 | 2474922,40 | 4450425,10 | 9341503,00 |
Продолжение табл. 2
| Т, К Rλ, Вт/м2 | |||||
| | 350568,130 | 538981,40 | 1205433,40 | 145891,9 | 1893247,3 |
| | 263446,250 | 372649,74 | 714606,190 | 834310,54 | 1031423,5 |
| | 645272,410 | 888531,95 | 1621917,80 | 1872074,2 | 227809,2 |
| | 368114,330 | 494685,29 | 863543,080 | 986457,60 | 1184153,3 |
| | 1627401,10 | 2294848,40 | 4405500,50 | 5151634,20 | 6387733,4 |
| | 14516502,0 | 19386340,0 | 35440678,0 | 41460581,0 | 51888697,0 |
 | 14306559,0 | 19155411,0 | 35151668,0 | 41148543,0 | 51529611,0 |
Окончание табл. 2
| Т, К Rλ, Вт/м2 | |||||
| | 2762962,30 | 5031231,70 | 7941981,70 | 11403064,0 | 15324112,0 |
| | 1404386,10 | 2299090,20 | 3359377,10 | 4550691,20 | 5845387,20 |
| | 3035604,40 | 4805846,10 | 6854515,80 | 9118367,10 | 11549156,0 |
| | 1546295,10 | 2374880,70 | 3313885,10 | 4336438,70 | 5422841,10 |
| | 8749247,90 | 14511049,0 | 21469760,0 | 29408561,0 | 38141497,0 |
| | 73489791,0 | ||||
| | 72986895,0 |
Таблица 3
Спектральный КПД накачки Nd-стекла при разных температурах
| Т, К ηi, % | ||||||||
| η1 | 1,68 | 4,85 | 7,15 | 9,95 | 11,21 | 11,84 | 12,43 | |
| η2 | 0,01 | 1,84 | 5,08 | 7,38 | 10,15 | 11,38 | 11,98 | 12,53 |
Окончание табл. 3
| Т, К ηi, % | |||||||
| η1 | 12,43 | 12,31 | 11,91 | 10,66 | 9,24 | 7,90 | 6,73 |
| η2 | 12,52 | 12,40 | 11,99 | 10,77 | 9,45 | 8,24 | 7,22 |
Рис. 8. Логарифмическая зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела в полосах поглощения Nd-стекла от температуры:
1 – DlГ = 0,57…0,60 мкм; 2 – DlА = 0,72…0,74 мкм; 3 – DlБ = 0,77…0,82 мкм; 4 – DlВ = 0,85…0,88 мкм; 5 – 
6 – Rэ= s T4.
Рис. 9. Эффективность излучения черного тела в полосы поглощения
Nd-стекла,
где: 1 – 
2 – 
Лабораторная работа № 3
Цель работы
Изучение физической сущности метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, его модификаций, экспериментальных установок и приобретение навыков измерения узкополосных спектров поглощения вещества.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с экспериментальной установкой и принципами ее работы.
2. Убрать из оптического резонатора широкополосного лазера спектроскопическую кювету (позиция 3, рис. 11) с неизвестным веществом.
3. Установить на вал двигателя активный лазерный элемент, предложенный преподавателем.
4. Включить ИАГ: Nd³+-лазер и установить частоту следования импульсов накачки, равную 5 Гц.
5. Снять приведенный спектр излучения широкополосного лазера с использованием монохроматора (позиция 7), фотоумножителя и цифрового вольтметра (позиции 8 и 10) путем вращения дифракционной решетки монохроматора в диапазоне длин волн, указанном преподавателем. Определить ширину спектра излучения на уровне 0,5.
6. Изучить спектр генерации широкополосного лазера на мониторе компьютера.
7. Установить спектроскопическую кювету с неизвестным веществом (позиция 3, рис. 11) в резонатор широкополосного лазера.
8. Снять спектр излучения широкополосного лазера с неизвестным веществом в оптическом резонаторе. Определить спектральную составляющую, поглощенную неизвестным веществом. Определить амплитуду частотной составляющей, поглощенной неизвестным веществом, и сравнить ее с амплитудой, аналогичной частотной составляющей широкополосного лазера.
9. Результаты измерений внести в таблицы по формам 1 и 2.
Расчетная часть
10. Рассчитать приведенные к единице спектры излучения широкополосного лазера и определить ширину спектра излучения на уровне 0,5.
11. Рассчитать приведенный к единице спектр излучения широкополосного лазера, в резонаторе которого находится спектроскопическая кювета с неизвестным веществом.
12. Рассчитать спектральный коэффициент пропускания, используя зависимость 
где I0 – интенсивность спектральной составляющей, поглощенной неизвестным веществом в спектре широкополосного лазера; I – интенсивность спектральной составляющей поглощенной неизвестным веществом; τ – коэффициент пропускания вещества толщиной h (мм) для монохроматического света длиной волны λ.
13. Рассчитать коэффициент поглощения вещества, используя уравнение
α = – lg τ.
Форма 2
Спектральные характеристики широкополосного твердотельного лазера
| Активная среда широкополосного твердотельного лазера на красителях, например Р6Ж + полиметилметакрилат | ||||||
| Спектр генерации широкополосного лазера | Спектр генерации широкополосного лазера с внесенными в резонатор узкополосными потерями | |||||
| № опыта | Iλ, мВ | λ, нм | Iпр |  , мВ | λ, нм |  |
Форма 3
Оптические спектральные характеристики исследуемого вещества
| Физическая величина | Обозначение | Численное значение |
| Спектральный коэффициент пропускания | τλ | |
| Спектральный коэффициент поглощения | αλ | |
| Ширина спектра широкополосного лазера на уровне 0,5 | Δλ |
Содержание отчета
1. Схема установки с пояснениями устройства (см. рис. 11).
2. Основные расчетные формулы.
3. Результаты измерений и расчетов по формам 1 и 2.
4. Графики приведенных спектров Iλ= f (λ) и = f (λ).
5. Выводы по результатам выполненной работы.
Литература: [7], [8], [9].
Вопросы для самопроверки:
1. Сформулируйте физическую сущность метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии.
2. В чем заключается основное отличие классического метода ВЛРС от модифицированного?
3. Каким образом рассчитывается приведенный спектр генерации широкополосного лазера на красителях?
4. С позиций каких критериев выбирается когерентный источник накачки лазера на красителях?
5. Какие размерности имеют спектральный коэффициент поглощения и коэффициент пропускания?
6. При использовании метода ВЛРС какие физические величины несут информацию о типе вещества и его концентрации?
Лабораторная работа № 4
Цель работы
Приобретение практических навыков при работе с жидкостными лазерами на красителях.
Порядок выполнения работы
Измерительная часть
1. Ознакомиться с описанием установки и принципами ее работы.
2. Установить в ультратермостат (позиция 14) исследуемую активную среду.
3. Включить блок охлаждения ртутной лампы, открутив вентиль водопровода.
4. Включить блок питания ртутной лампы ДРШ-250 (позиция 1) и блок питания ФЭУ (позиция 19).
5. Включить нагреватель и термостат (позиция 15).
6. Изменяя положение цветных фильтров (позиция 8), выделить линию ртути с длиной волны λ = 546 нм (зеленая область излучения).
7. С помощью фотообъектива (позиция 7) сфокусировать излучение ртутной лампы в виде полоски на кювете с исследуемым образцом.
8. Установить призму Франка-Риттера (позиция 10) в положение, соответствующее естественно-полярному свету.
9. В поток излучения ртутной лампы ввести нейтральный фильтр, указанный преподавателем.
10. Вращая дифракционную решетку монохроматора (позиция 20), установить длину волны по шкале λ = 560 нм. Изменяя длину волны с шагом 5 нм, снять показания вольтметра в пределах длин волн от 560 нм до 600 нм, при температуре 20°С.
11. Вращая дифракционную решетку монохроматора (позиция 20) установить на шкале длину волны λ = 575 нм (наблюдая визуально через щель желтое свечение).
12. Снять показания вольтметра (позиция 17) при различных температурах люминесцирующей активной среды (позиция 14).
13. Значения температуры снимать с индикатора от 30 до 100°С. Результаты измерений занести в таблицу по форме 4.
Расчетная часть
Форма 4
Измеряемые величины и их оценки
| Испытуемый образец | Например, родамин 6 Ж + этанол | ||||
| № п/п | λ, нм | U, мВ | U, пр. | U, мВ, при λmax=const | T, °С |
Содержание отчета
1. Схема установки с пояснением устройства (см. рис. 15)
2. Результаты измерений и расчетов по форме 4.
3. Графики зависимости Uпр ~ f(λ) и 
.
4. Выводы по результатам выполненной работы.
Литература: [10], [11], [12].
Вопросы для самопроверки:
1. Какие активные среды для жидкостных лазеров на красителях Вам известны?
2. Объясните физический смысл механизма спонтанного излучения.
3. Как объяснить механизм температурного тушения люминесценции в растворах органических красителей для квантовой электроники?
4. Каким образом обеспечивается стабилизация температуры в жидкостных лазерах на красителях?
Лабораторная работа № 5
Цель работы
Приобретение практических навыков и умений при работе с оптическими квантовыми генераторами (лазерами) в дифракционной области излучения.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с конструкцией установки и принципом ее работы.
2. Включить лазерную установку (после разрешения преподавателя).
Рис. 18. Схема лабораторной установки
1 – He-Ne-лазер; 2 – оптическая скамья с масштабной линейкой;
3 – экран со щелью; 4-5 экраны
3. Поставить в непосредственной близости от апертуры лазера экран 3 со щелью и экран 4 для наблюдения. Плавно удаляя последний, наблюдать на нем постепенное увеличение интенсивности и последующий спад. Зафиксировать положение наименьшей интенсивности в центре картины, расстояние измерить. Опыт повторить пять раз, результаты измерений занести в таблицу по форме 5.
4. Снять экран 4 со скамьи и перейти к измерениям на экране.
5. Варьируя положение экрана 3 со щелью, добиться четкого изображения дифракционной картины. Измерить расстояние L и D (см. формулу (5.2)). Опят повторить пять раз, результаты измерений занести в таблицу по форме 5.
Расчетная часть
Форма 5
Измеряемые величины и их оценки