Оптические квантовые генераторы

Лазеры представляют собой генераторы оптического излучения. Основой работы ОКГ является генерирование монохроматических волн оптического диапазона под воздействием индуцированного излучения.

Принцип действия лазеров основан на использовании процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотона возбужденным атомом или молекулой под воздействием излучения, имеющею ту же частоту. Самое важное в этом процессе то, что фотон, возникший при вынужденном испускании, совершенно тождественен с вызвавшим его внешним фотоном по направлению, частоте, фазе и поляризации. На языке волновой оптики это означает, что вынужденное излучение когерентно со стимулирующим. Этот принцип справедлив для всего спектра электромагнитного излучения.

Вынужденное излучение в оптическом диапазоне спектра в обычных условиях значительно меньше спонтанного и поэтому практически не наблюдалось. В 1940 г. В.А. Фабрикант предложил метод прямого доказательства существования вынужденного излучения и при этом впервые обратил внимание на принципиальную возможность создания среды, не ослабляющей, а усиливающей проходящее через нее излучение. Для этого необходимо было создать такие искусственные условия, при которых концентрация возбужденных атомов или молекул на каком-либо верхнем энергетическом уровне была бы больше, чем их концентрация на каком-либо нижнем, соответствующем оптическому переходу между ними. Такая необычная «заселенность» энергетических уровней называется инверсной, так как в обычных условиях концентрации возбужденных атомов или молекул резко убывают с ростом энергии возбужденного уровня.

Среда с инверсной заселенностью называется активной. Излучение с частотой, соответствующей инверсному переходу, проходя через активную среду (АС), вызывает лавину вынужденных фотонов, «летящих» строго в одном направлении, и вместо обычного ослабления получается усиление излучения в направлении падающего луча.

Лазер состоит из трех основных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, а также вспомогательных устройств, обеспечивающих его нормальную работу и управление лазерным излучением.

Излучатель предназначен для преобразования энергии накачки в лазерное излучение. Он может содержать один или несколько лазерных элементов, помещенных в ОР.

Активный элемент (АЭ) является основной функциональной частью излучателя, содержащей лазерное вещество, в котором в процессе накачки может быть создана активная среда (АС). Лазерное вещество может находиться в плазменном, газообразном, жидком и твердом состояниях. Соответственно различают следующие типы лазеров: плазменные, газовые, жидкостные, твердотельные и полупроводниковые.

Оптический резонатор в общем случае представляет собой систему отражающих, преломляющих, фокусирующих и других оптических элементов, в пространстве между которыми могут возбуждаться определенные типы колебаний электромагнитного поля. Он должен иметь минимальные потери на поглощение в рабочей части спектра (коэффициент отражения одной из поверхностей часто бывает выше 0,99) и высокую оптическую точность узлов и их установки относительно друг друга.

Системы накачки - это совокупность элементов, предназначенных для преобразования энергии и передачи её от внешнего источника к АЭ. Накачка осуществляется несколькими способами: 1) электрическим разрядом (газовые лазеры), 2) оптическим излучением (твердотельные и жидкостные), 3) инжекцией - «впрыскиванием» электронов в р-n-переход (полупроводниковые). 4) пучком ускоренных электронов (все типы лазеров).

Принцип работы ОКГ с рубиновым стержнем:

Синтетический рубиновый стержень представляет собой плавленый оксид алюминия с добавкой атомов трехвалентного хрома. Атомы хрома, находящиеся в состоянии покоя на нижнем энергетическом уровне, под действием испускаемых фотонов (импульсной лампы) возбуждаются и переходят на высокий энергетический уровень. Длина волны излучаемого света при переходе из метастабильного состояния в основное равна длине волны света, благодаря которому этот переход стал возможен. В лазерах достаточно лишь одному атому перейти из метастабильного состояния в основное и испустить фотон, как это вызывает переход других атомов.

Если подействовать на атомы в метастабильном состоянии квантами световой энергии (частота которых равна частоте перехода из метастабильного состояния в основное), то атомы переходят в основное состояние, излучая световую энергию. Процесс перевода атомов в метастабильное состояние осуществляется с помощью подсветки разрядной трубки (процесс заселения метастабильного уровня).

Атомы хрома в возбужденном состоянии (черные точки) под действием фотонов (стрелки) переходят в возбужденное состояние (белые точки, рис. а). После поглощения импульса света возбужденные атомы хрома переходят на низкий уровень, излучая избыток энергии в виде электромагнитных колебаний. Одна часть излучаемой энергии рассеивается наружу через стенки стержня (б), другая в виде фотонов параллельно оси стержня (в, г) по пути движения вызывает цепную реакцию образования новых фотонов.

Возникший поток световой энергии отражается от зеркал на концах рубинового стержня, лавинообразно нарастает при каждом отражении и в конце в виде светового луча выходит из торца стержня в том месте, где находится полупрозрачное зеркало.

Твердотельные полупроводниковые лазеры отличаются от рубиновых тем, что в качестве излучающего вещества используют проводник.

Жидкостные лазеры – основное преимущество – возможность циркуляции жидкости с целью её охлаждения, что позволяет получать больше энергии в импульсном и непрерывном режимах (активная среда – раствор органических жидкостей).

Газовые лазеры – стеклянная трубка наполняется специальной газовой смесью. В её торцы впаивают два электрода и к ним подводят напряжение от источника питания.

Химические лазеры – инверсия и генерация излучения осуществляется или в результате химической реакции, или после реакции при обмене энергией между компонентами среды.

В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные указки и пр.). В промышленности лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру, керамику и металл). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике (так называемое лазерное скрайбирование).

Применение лазеров в метрологии и измерительной технике не ограничивается измерением расстояний. Лазеры находят здесь разнообразнейшее применение: для измерения времени, давления, температуры, скорости потоков жидкостей и газов, угловой скорости (лазерный гироскоп), концентрации веществ, оптической плотности, разнообразных оптических параметров и характеристик, в виброметрии и др.

В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.). Широкое применение получили также в косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен).

Также лазеры применяются для передачи информации.

20. Блок-схема комплекта “лампа-ПРА”. Основные параметры, характеризующие ПРА. Статистические и динамические вольт-амперные характеристики газоразрядных ламп (ГРЛ). Условия устойчивости работы ГРЛ в контуре.

21. Схемы зажигания и стабилизации работы ГРЛ. Схемы зажигания ГРЛ с холодными электродами. Схемы включения ламп с предварительным подогревом электрода. Схемы зажигания импульсом. Стартерные схемы; стартеры; схемы, обеспечивающие работу ламп в импульсном режиме. Принципы выбора типа схем для различных ГРЛ.

22. Методы электрического расчета. Методы расчета контуров “ГРЛ - линейный индуктивный балласт”, “ГРЛ – емкостно-индуктивный-линейный балласт”. Особенности работы ГРЛ с нейлоновыми балластами. Методы электротехнического расчета многоэлементных схем; согласование пускового и рабочего режимов. Метод расчета многофазных схем включения ГРЛ.

23. Расчет и конструирование индуктивного балласта (ИБ). Определение исходных данных. Конструктивный расчет дросселя. Метод расчета балласта на стандартный магнитопровод. Принципы оптимизации параметров ИБ. Метод конструктивного расчета трансформатора с большим внутренним сопротивлением. Компенсация реактивной мощности ПРА. Уменьшение пульсации светового потока.