Порядок выполнения работы.
Изучить устройство твердотельного лазера, особенности основных элементов, определяющих временные и энергетические характеристики генератора.
Собрать излучатель и оптическую схему генератора на рубине для реализации режима свободной генерации.
Провести юстировку полуконфокального резонатора лазера.
Определить пороговое значение энергии накачки.
Составить отчет о проделанной работе
Контрольные вопросы.
Устройство и принцип работы твердотельного лазера на рубине.
31
2. Кинетические (балансные) уравнения для трехуровневой модели.
Режим свободной генерации твердотельного лазера.
Пороговое значение энергии накачки.
Литература.
Б.Р. Белостоцкий, Ю.В. Любавский, В.М. Овчинников Основы лазерной техники. М., “Советское радио”, 1972.
А.С. Батраков. Квантовые приборы. Л., “Энергия”, 1972.
3.С.Г. Рябов , Г.Н. Тропкин , И.Ф. Усольцев. Приборы квантовой электроники. М., “Советское радио”, 1976.
О. Звелто. Физика лазеров. М., ‘Мир’, 1979.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№3
ЮСТИРОВКА ОПТИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ
ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ И ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение методов юстировки резонаторов твердотельных и газовых лазеров.
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: излучатель твердотельного лазера, набор резонаторных зеркал, гелий- неоновый лазер ЛГН- 109, диоптрийная трубка, автоколлиматор типа АКТ- 400, светофильтры, гелий- неоновый лазер ЛГН- 208А.
Теоретическое введение.
Под юстировкой резонатора следует понимать точное выставление и ориентировку зеркал, активного тела и других элементов внутри резонатора. В общем случае оптический
32
резонатор считается отьюстированным, если выполнены такие условия:
1) центры зеркал и их центры кривизны находятся на одной линии- оси резонатора;
2) ось активного элемента и ось резонатора совпадают.
От точности юстировки оптических элементов лазера в значительной степени зависят выходные параметры генерации. Как показывают опыты, энергетические, спектральные и другие характеристики лазерного излучения очень чувствительны к разьюстировке зеркал резонатора. Изменяется также модовая структура и пространственная индикатрисы излучения в ближней зоне.
Методы юстировки оптических резонаторов. Главная цель юстировки- добиться генерации. Дальнейшие коррективы производятся легко- по максимуму энергии генерации или по картине распределения поля излучения.
Рассмотрим наиболее распространенные методы юстировки /1-3/.
Автоколлимационный метод. При использовании автоколлиматора совмещают изображения автоколлимационной метки от заднего («глухого») зеркала при последовательной установке активного тела и других элементов резонатора (так называемый метод на просвет) и, наконец, выходного зеркала.
В случае газовых лазеров активный элемент (трубка с газом) должен быть центрован, ориентирован по оси резонатора. В случае твердотельных лазеров из-за неоднородности кристалла изображение метки размывается, и активный стержень приходится ориентировать совмещением автоколлимационных меток от заднего зеркала, от торца стержня и от выходного зеркала (так называемый метод трех меток). Этот способ имеет недостатки: не учитывая реальное смещение луча из-за градиента коэффициента преломления (после прохождения через кристалл
33
луч может отклоняться на несколько угловых минут); кроме того, невозможно избежать клинообразности стержня. Очевидно, при юстировке методом трех меток порог генерации будет выше.
В
автоколлимационном методе точность
установки определяется увеличением
автоколлиматора. Если две удаленные
точки видны из центра зрачка объектива
автоколлиматора под углом пр,
то со стороны окуляра видимый угол будет
(рис. 1).
Рис. 1. Ход лучей в автоколлиматоре.
пр (1)
где
-
угловое увеличение системы. Так как
разрешающая способность глаза пр
=60,
то
=
60
(2)
Метод оптического рычага предусматривает применение для юстировочных целей маломощного газового лазера типа ЛГН-208А (рис. 2).
34
Рис. 2. Юстировка резонатора методом оптического рычага.
Луч от лазера 1 через отверстие в зеркале 2 попадает в резонатор (А- активный элемент) отражается от его зеркал 4 и 5, отражается от зеркала 2 и попадает на экран 3, где наблюдается ряд светлых точек. Если точки исчезли, т. е. совместились с отверстием диафрагмы, то резонатор отьюстирован. Очевидно, точность юстировки зависит от L («плечо оптического рычага»).
Интенрференционный метод (рис. 3) заключается в том, что луч от газового лазера 1 проходит через отверстие экрана 2 и слаборассеивающую линзу 3, отражается от зеркал резонатора 4 и 5, давая на экране интерференционную картину в виде концентрических колец.
Если картина четкая и центрирована относительно источника света, то зеркала параллельны, и резонатор отьюстирован. Данный метод, как и предыдущие, пригоден прежде всего для плоских резонаторов. В случае сферических зеркал их следует диафрагмировать и работать лишь с параксиальными лучами.
35
Р
ис.
3. Интерференционный метод юстировки
резонатора.
Юстировка сферического резонатора осуществляется с помощью газового лазера 1 в такой последовательности. Снимают активный элемент. Вблизи зеркал 2 и 5 ставят диафрагмы 3 и 4 (рис. 4) и центрируют систему до тех пор, пока лучи не будут выходить за пределы отверстий диафрагмы. После этого устанавливают и центрируют систему до тех пор, пока лучи не будут выходить за пределы отверстий диафрагм. После этого устанавливают и центрируют активный элемент.
Юстировка с помощью диоптрийной трубки. Для маломощных гелий-неоновых лазеров с полуконфокальными резонаторами этот метод применяется наиболее часто. Наблюдения ведут при горении разряда через выходное зеркало с применением светофильтра. Опишем последовательность операций на примере лазера ЛГН-109.
1. Юстировка начинается с выставления и центрирования активного элемента ( перед юстировкой проверить заземление лазерной головки), чтобы со стороны переднего (плоского) зеркала он просматривался по всей длине.
2. Наблюдая со стороны переднего зеркала, совместить изображение зрачка глаза с центром (осью) трубки активного
36
Рис. 4. Юстировка резонатора со сферическими зеркалами.
элемента. Для этого, найдя изображение заднего конца трубки, юстировочными винтами плоского зеркала совмещают изображения зрачка и заднего конца трубки. (Как должен выглядеть задний конец трубки, легко понять, если посмотреть через какую-нибудь стеклянную трубку в сторону окна.)
3. Аналогичную операцию (п.3) произвести с задним зеркалом.
4. Прислонить диоптрийную трубку к лазерной головке со стороны выходного зеркала. Навести (сфокусировать) её на заднее зеркало. Юстировочными винтами заднего зеркала добиться того, что в центре было ярко светящееся пятно, окруженное темным кольцом, а далее - снова светлый фон. Яркость светящегося пятна должна легко изменяться юстировочными винтами. Если же этого не наблюдается, повторить более внимательно п.4.
5. Перевести фокусировку диоптрийной трубки на переднее зеркало. При этом одновременно будут видны интер-ференционные кольца, характерные для интерферометра Фабри-Перо, и изображение светящегося пятна от заднего зеркала.
37
Юстировочными винтами выставить переднее зеркало так, чтобы светящееся пятно вышло в центр концентрических колец. При этом должна возникнуть генерация. Следует помнить, что в момент возникновения генерации визуальные наблюдения с диоптрийной трубкой необходимо прекратить. Дальнейшие коррективы осуществляются при наблюдении за пучком на экране.
Если генерация не возникает, рекомендуется:
а) протереть торцы активного элемента ватным тампоном, смоченным в спирте, а затем протереть сухой чистой тканью и, наконец, снять ворсинки беличьей кисточкой;
б) снять пыль и ворсинки с зеркал беличьей кисточкой;
в) изменить (увеличить или уменьшить) разрядный ток. Для юстировки лазеров с неустойчивыми резонаторами применяют специальные методы /2/.