Káblové rozhranie je pripojené. Káblové rozhrania Definícia Rozhranie rozhrania. Rýchle vyhľadávanie podľa problému

Úvod

Jedným z najpozoruhodnejších úspechov fyziky v druhej polovici dvadsiateho storočia bol objav fyzikálnych javov, ktoré slúžili ako základ pre vytvorenie úžasného zariadenia, optického kvantového generátora alebo lasera.

Laser je monochromatický koherentný svetelný zdroj s vysokou smerovosťou svetelného lúča.

Kvantové generátory sú špeciálnou triedou elektronických zariadení, ktoré zahŕňajú najmodernejšie výdobytky rôznych oblastí vedy a techniky.

Plynové lasery sa nazývajú lasery, v ktorých je aktívnym médiom plyn, zmes niekoľkých plynov alebo zmes plynov s parami kovov.

Plynové lasery sú v súčasnosti najpoužívanejším typom lasera. Medzi rôznymi typmi plynových laserov vždy nájdete laser, ktorý uspokojí takmer akúkoľvek požiadavku na laser, s výnimkou veľmi vysokého výkonu vo viditeľnej oblasti spektra v pulznom režime.

Na mnohé experimenty pri štúdiu nelineárnych optických vlastností materiálov sú potrebné vysoké výkony. V súčasnosti sa v plynových laseroch nedosahujú vysoké výkony, pretože atómová hustota v nich nie je dostatočne vysoká. Takmer na všetky ostatné účely sa však dá nájsť špecifický typ plynového lasera, ktorý prekoná ako opticky čerpané lasery v pevnej fáze, tak aj polovodičové lasery.

Veľkú skupinu plynových laserov tvoria lasery s plynovým výbojom, v ktorých je aktívnym médiom riedky plyn (tlak 1-10 mm Hg) a čerpanie sa uskutočňuje elektrickým výbojom, ktorý môže byť žiarový alebo oblúkový a je vytvorený jednosmerným alebo vysokofrekvenčným striedavým prúdom (10 – 50 MHz).

Existuje niekoľko typov plynových výbojových laserov. V iónových laseroch sa žiarenie získava v dôsledku prechodov elektrónov medzi energetickými hladinami iónov. Príkladom je argónový laser, ktorý využíva jednosmerný oblúkový výboj.

Atómové prechodové lasery generujú v dôsledku elektrónových prechodov medzi energetickými hladinami atómov. Tieto lasery vyžarujú žiarenie s vlnovou dĺžkou 0,4–100 µm. Príkladom je héliovo-neónový laser pracujúci na zmesi hélia a neónu pod tlakom asi 1 mm Hg. čl. Na čerpanie slúži žeravý výboj generovaný konštantným napätím cca 1000 V.

Medzi lasery s plynovým výbojom patria aj molekulárne lasery, v ktorých žiarenie vzniká prechodmi elektrónov medzi energetickými hladinami molekúl. Tieto lasery majú široký frekvenčný rozsah, ktorý zodpovedá vlnovým dĺžkam od 0,2 do 50 µm.

Najbežnejší z molekulárnych laserov na oxid uhličitý (CO 2 laser). Môže poskytnúť výkon až 10 kW a má pomerne vysokú účinnosť - asi 40%. Do hlavného oxidu uhličitého sa zvyčajne pridávajú nečistoty dusíka, hélia a iných plynov. Na čerpanie sa používa jednosmerný prúd alebo vysokofrekvenčný žeravý výboj. Laser s oxidom uhličitým vytvára žiarenie s vlnovou dĺžkou asi 10 mikrónov.

Navrhovanie kvantových generátorov je veľmi namáhavé kvôli širokej škále procesov, ktoré určujú ich výkon, no napriek tomu sa lasery na oxid uhličitý používajú v mnohých oblastiach.

Na báze CO 2 laserov boli vyvinuté a vyvíjané laserové navádzacie systémy, radarové monitorovacie systémy prostredia (lidar), technologické zariadenia na laserové zváranie, rezanie kovov a dielektrických materiálov, ryhovacie zariadenia na sklenené povrchy a povrchové kalenie oceľových výrobkov. úspešne operovaný. Vo vesmírnych komunikačných systémoch sú široko používané aj CO2 lasery.

Hlavnou úlohou odboru "optoelektronické kvantové zariadenia a zariadenia" je štúdium fyzikálnych základov, zariadení, princípov činnosti, charakteristík a parametrov najdôležitejších zariadení a zariadení používaných v optických komunikačných systémoch. Patria sem kvantové generátory a zosilňovače, optické modulátory, fotodetektory, nelineárne optické prvky a zariadenia, holografické a integrované optické komponenty. Z toho vyplýva relevantnosť témy tohto projektu kurzu.

Cieľom tohto projektu je popísať plynové lasery a vypočítať hélium-neónový laser.

V súlade s cieľom sa riešia tieto úlohy:

Štúdium princípu činnosti kvantového generátora;

Štúdium zariadenia a princíp činnosti CO 2 lasera;

Štúdium bezpečnostnej dokumentácie pri práci s lasermi;

Výpočet CO 2 lasera.

1 Princíp činnosti kvantového generátora

Princíp činnosti kvantových generátorov je založený na zosilňovaní elektromagnetických vĺn pomocou efektu stimulovaného (indukovaného) žiarenia. Zosilnenie je zabezpečené uvoľnením vnútornej energie pri prechodoch atómov, molekúl, iónov, stimulovaných vonkajším žiarením, z určitej excitovanej hornej energetickej hladiny na nižšiu (umiestnenú pod ňou). Tieto nútené prechody sú spôsobené fotónmi. Energiu fotónu možno vypočítať podľa vzorca:

hν = E 2 - E 1,

kde E2 a E1 sú energie hornej a dolnej úrovne;

h = 6,626 ∙ 10-34 J ∙ s - Planckova konštanta;

ν = c / λ je frekvencia žiarenia, c je rýchlosť svetla, λ je vlnová dĺžka.

Excitácia, alebo, ako sa bežne nazýva, čerpanie, sa vykonáva buď priamo zo zdroja elektrickej energie, alebo v dôsledku toku optického žiarenia, chemickej reakcie a množstva iných zdrojov energie.

V podmienkach termodynamickej rovnováhy je rozloženie energie častíc jednoznačne určené teplotou telesa a popisuje ho Boltzmannov zákon, podľa ktorého platí, že čím vyššia hladina energie, tým nižšia je koncentrácia častíc v danom stave. inými slovami, čím nižší je počet obyvateľov.

Pri pôsobení čerpania, ktoré porušuje termodynamickú rovnováhu, môže nastať opačná situácia, keď populácia hornej úrovne prevyšuje populáciu spodnej. Vzniká stav, ktorý sa nazýva populačná inverzia. V tomto prípade počet vynútených prechodov z hornej energetickej hladiny na nižšiu, pri ktorých vzniká indukované žiarenie, prevýši počet spätných prechodov sprevádzaných absorpciou počiatočného žiarenia. Keďže smer šírenia, fázy a polarizácie indukovaného žiarenia sa zhoduje so smerom, fázou a polarizáciou dopadajúceho žiarenia, vzniká efekt jeho zosilnenia.

Prostredie, v ktorom je možné zosilnenie žiarenia v dôsledku indukovaných prechodov, sa nazýva aktívne prostredie. Hlavným parametrom charakterizujúcim jeho zosilňujúce vlastnosti je koeficient, alebo koeficient zosilnenia kν - parameter, ktorý určuje zmenu toku žiarenia pri frekvencii ν na jednotku dĺžky interakčného priestoru.

Zosilňovacie vlastnosti aktívneho média je možné výrazne zlepšiť uplatnením princípu pozitívnej spätnej väzby známeho z rádiovej fyziky, kedy sa časť zosilneného signálu vracia späť do aktívneho média a je opätovne zosilnená. Ak v tomto prípade zisk prekročí všetky straty, vrátane tých, ktoré sa používajú ako užitočný signál (užitočné straty), dôjde k režimu autogenerácie.

Autogenerácia začína objavením sa spontánnych prechodov a vyvíja sa do určitej stacionárnej úrovne, určenej rovnováhou medzi ziskom a stratou.

V kvantovej elektronike sa na vytvorenie pozitívnej spätnej väzby pri danej vlnovej dĺžke používajú hlavne otvorené rezonátory - systém dvoch zrkadiel, z ktorých jedno (hluché) môže byť úplne nepriehľadné, druhé (výstup) je polopriehľadné.

Generačná oblasť laserov zodpovedá optickému rozsahu elektromagnetických vĺn, preto sa laserové rezonátory nazývajú aj optické rezonátory.

Typický funkčný diagram lasera s vyššie uvedenými prvkami je znázornený na obrázku 1.

Povinným prvkom konštrukcie plynového lasera by mala byť škrupina (plynová výbojka), v objeme ktorej je pri danom tlaku plyn určitého zloženia. Na čelných stranách je plášť uzavretý okienkami z materiálu priehľadného pre laserové žiarenie. Táto funkčná časť zariadenia sa nazýva aktívny prvok. Na zníženie strát pri odraze od ich povrchu sú okná inštalované pod Brewsterovým uhlom. Laserové žiarenie v takýchto zariadeniach je vždy polarizované.

Aktívny prvok spolu so zrkadlami rezonátora namontovanými mimo aktívneho prvku sa nazýva emitor. Je možný variant, keď sú dutinové zrkadlá upevnené priamo na koncoch plášťa aktívneho prvku, pričom súčasne plnia funkciu okienok na utesnenie objemu plynu (laser s vnútornými zrkadlami).

Frekvenčná závislosť zosilnenia aktívneho prostredia (kontúra zosilnenia) je určená tvarom spektrálnej čiary prechodu pracovného kvanta. K lasovaniu dochádza len pri takých frekvenciách v rámci tohto obrysu, pri ktorých sa do priestoru medzi zrkadlami zmestí celé číslo polvln. V tomto prípade v dôsledku interferencie dopredného a spätného vlnenia vznikajú v rezonátore takzvané stojaté vlny s energetickými uzlami na zrkadlách.

Štruktúra elektromagnetického poľa stojatých vĺn v rezonátore môže byť veľmi rôznorodá. Jeho špecifické konfigurácie sa nazývajú mody. Oscilácie s rôznymi frekvenciami, ale rovnakým rozložením poľa v priečnom smere sa nazývajú pozdĺžne (alebo axiálne) režimy. Sú spojené s vlnami šíriacimi sa striktne pozdĺž osi rezonátora. Oscilácie, ktoré sa navzájom líšia v rozložení poľa v priečnom smere, respektíve v priečnych (alebo neaxiálnych) režimoch. Sú spojené s vlnami šíriacimi sa pod rôznymi malými uhlami k osi a majúce priečnu zložku vlnového vektora. Na označenie rôznych režimov sa používa nasledujúca skratka: TEMmn. V tomto označení sú m a n indexy ukazujúce frekvenciu zmien poľa na zrkadlách v rôznych súradniciach v priečnom smere. Ak sa pri laserovej prevádzke generuje iba základný (najnižší) režim, hovorí sa o jednorežimovej prevádzke. Ak existuje niekoľko priečnych režimov, režim sa nazýva multimódový. Pri prevádzke v jednorežimovom režime je možné generovať na viacerých frekvenciách s rôznym počtom pozdĺžnych režimov. Ak generovanie prebieha len v jednom pozdĺžnom režime, hovorí sa o jednofrekvenčnom režime.

Obrázok 1 - Schéma plynového lasera.

Obrázok používa nasledujúce označenia:

1. Zrkadlá s optickým rezonátorom;
2. Okná optického rezonátora;
3. Elektródy;
4. Plynová výbojka.

2 Konštrukcia a princíp činnosti CO 2 lasera

Schéma CO 2 laserového zariadenia je znázornená na obrázku 2.

Obrázok 2 - Princíp CO2 laserového zariadenia.

Plynovo-dynamické lasery sú jedným z najrozšírenejších typov CO 2 laserov. V nich sa inverzia populácie potrebná pre laserové žiarenie dosahuje vďaka tomu, že plyn sa predhreje na 1500 K pri tlaku 20–30 atm. , vstupuje do pracovnej komory, kde expanduje a jej teplota a tlak prudko klesajú. Takéto lasery môžu vyžarovať nepretržité žiarenie až do 100 kW.

Na vytvorenie aktívneho média (ako sa hovorí „pumpa“) CO 2 lasery najčastejšie využívajú jednosmerný žeravý výboj. V poslednej dobe sa stále viac používa vysokofrekvenčný výboj. Ale toto je špeciálna téma. Vysokofrekvenčný výboj a najdôležitejšie aplikácie, ktoré v našej dobe našiel (nielen v laserovej technike), sú témou samostatného článku. O všeobecných princípoch fungovania elektro-výbojových CO 2 laserov, problémoch, ktoré v tomto prípade vznikajú, a niektorých konštrukciách založených na použití jednosmerného výboja.

Na samom začiatku 70. rokov, v priebehu vývoja výkonných CO 2 laserov, sa ukázalo, že výboj má dosiaľ neznáme vlastnosti a nestability, ktoré sú pre lasery deštruktívne. Predstavujú takmer neprekonateľné prekážky pri pokusoch naplniť veľký objem plazmou pri zvýšenom tlaku, čo je presne to, čo je potrebné na získanie vysokých výkonov lasera. Snáď žiadny z problémov aplikovaného charakteru neposlúžil v posledných desaťročiach pokroku vedy o elektrickom výboji v plynoch tak, ako problém vytvorenia výkonných kontinuálnych CO 2 laserov.

Uvažujme o princípe fungovania CO 2 lasera.

Aktívnym médiom takmer každého lasera je látka, v určitých molekulách alebo atómoch, z ktorých môže byť v určitej dvojici úrovní vytvorená prevrátená populácia. To znamená, že počet molekúl v hornom kvantovom stave zodpovedajúci radiačnému laserovému prechodu prevyšuje počet molekúl v dolnom. Na rozdiel od bežnej situácie sa lúč svetla prechádzajúci takýmto prostredím neabsorbuje, ale zosilňuje, čím sa otvára možnosť generovania žiarenia.