Лабораторная работа № 7.  Изучение основных характеристик лазеров

Цель работы: Определение угловой расходимости пучка и мощности излучения газового лазера непрерывного действия ЛГН-107

Краткая теория

Основными характеристиками лазеров являются: режим работы (непрерывный или импульсный), активная среда (газ, жидкость, твердое тело), рабочая длина волны (для перестраиваемых лазеров – все возможные длины волн), мощность или энергия излучения (отдельно в многомодовом и в одномодовом режимах) и угловая расходимость луча лазера. Для импульсных лазеров сюда следует добавить минимальное значение продолжительности импульса и частоту повторения импульса. В паспорте лазера, как правило, указаны также потребляемая мощность, энергия накачки и рабочая температура активной среды. Для эффективного использования лазера необходимо уметь измерять значения его основных характеристик и управлять ими.

Для основной моды излучения лазера распределение интенсивности по сечению пучка имеет гауссов профиль и определяется соотношением

,                                    (1)

где I ₀ – интенсивность излучения на оси пучка; r – расстояние от оси пучка; r _п - радиус пучка. Как видно из соотношения (1), радиусом лазерного пучка считается радиус его поперечного сечения на уровне 0,37 от максимальной интенсивности. Изменение радиуса пучка вдоль направления распространения излучения для основной моды излучения описывается соотношением

                            ,                                  (2)

где r ₀ – радиус излучающей апертуры; z - расстояние от излучающей апертуры. Радиус пучка на расстоянии z от плоскости излучателя можно определить, зная зависимость мощности лазерного излучения, проходящего через осесимметричную диафрагму, от радиуса R этой диафрагмы:

                         ,                                   (3)

где – полная выходная мощность лазера. Из формулы (3) следует, что при R = r _пмощность излучения, прошедшего через диафрагму P (r _п) = 0,63 P ₀. Следовательно, радиус пучка равен радиусу диафрагмы, через которую проходит 63% полной мощности излучения лазера.

Измерение угловой расходимости лазерного пучка q требует анализа распределения интенсивности излучения по осевому сечению лазерного пучка. Это сечение (рис. 1) представляет собой две симметричные гиперболы, асимптоты которых наклонены к оси пучка под углом . Однако, уже на расстоянии в несколько метров от излучателя луч лазера с высокой степенью точности можно считать конусом с основанием в виде круга, диаметр которого равно диаметру лазерного пучка в данном сечении. Тогда плоский угол при вершине этого конуса определит искомую угловую расходимость пучка.

Методика выполнения работы

Структурная схема лабораторной установки изображена на рис. 2. Установка содержит: СО₂  лазер ЛГН-107, состоящий из источника питания ИП  и излучателя ЛГН-215; оптическую линию задержки ОЛЗ; измеритель средней мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н, состоящий из измерительной головки 1, калиброванной диафрагмы Д, укрепленной на корпусе измерительной головки перед ее входным отверстием и блока регистрации 2.

ЛГН-107 является газовым лазером непрерывного действия, активной средой в котором служит смесь. Его рабочая длина волны – 632,8 нм, максимальная мощность – 100 Вт.

Калиброванная диафрагма Д дает возможность плавно изменять радиус лазерного пучка, который подается на вход измерительной головки ИМО-2. Шкала лимба диафрагмы проградуирована в миллиметрах.

Для определения выходной мощности лазера Р ₀ нужно измерить мощность излучения на нескольких расстояниях от излучающей апертуры (порядка нескольких) метров. В лабораторной установке для дискретного изменения расстояния между излучателем лазера и измерителем ИМО-2Н используется многократное отражение лазерного пучка от плоскопараллельных зеркал оптической линии задержки (ОЛЗ), устройство которой показано на рис. 3. Расстояние между зеркалами ОЛЗ равно L = 1,2 м. Излучение выводится из ОЛЗ с помощью подвижного зеркала, которое располагается в универсальном держателе, позволяющем управлять выходящим лучом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Если лазерный луч совершит N отражений от зеркал ОЛЗ, то расстояние от плоскости поперечного сечения луча, в котором измеряется мощность, до излучающей апертуры составит z = NL и мощность излучения в плоскости диафрагмы будет равна

, (4)

где a – коэффициент отражения от одного зеркала. При этом, как следует из формулы (2), радиус пучка будет равен .

На рис. 4 показан график зависимости lg Р от числа отражений пучка от зеркал N. При малых N (N < N _max) радиус лазерного пучка остается значительно меньшим радиуса диафрагмы (r _п << R) и указанная зависимость носит линейный характер. Таким образом, если измерить мощность излучения, прошедшего через диафрагму при нескольких значениях N < N _max, то линейно продолжив график lg Р (N) до пересечения с осью ординат можно найти lg Р ₀, а значит и выходную мощность излучения лазера Р ₀.

Измерения радиуса пучка в нескольких поперечных сечениях, которые отстоят от излучающей апертуры на несколько метров, позволяют определить угловую расходимость лазерного излучения. Эти измерения легко осуществить путем подбора таких радиусов диафрагмы, при которых, мощность, измеряемая ИМО-2Н, удовлетворяет равенству P (r _п) = 0,63 P ₀ при каждом выбранном значении числа отражений луча N в ОЛЗ. Далее следует построить график зависимости r _п(z) = r _п(N × l) и провести к нему асимптоту. Удвоенный угол наклона этой асимптоты к оси абсцисс равен искомой угловой расходимости пучка q.

Порядок выполнения работы

1. Используя технические описания, ознакомиться с устройством лазера ЛГН-215 и измерителя мощности ИМО-2.

2. Подготовить к работе ИМО-2

2.1.  Поставить тумблер «Сеть» в нижнее положение, переключатель рода работ – в положение «Арретир». Включить вилку прибора в сеть. Выключатель сети поставить в положение «Сеть”. При этом должна загореться сигнальная лампочка.

2.2. Прогреть прибор в течение 30 мин.

3. Подготовить к работе и включить лазер

3.1. Установить тумблер «Сеть» на передней панели блока питание в нижнее положение, переключатель «Ток» – в положение 3, регулятор «Ток» - в положение «Макс».

3.2. Присоединить источник питания к сети с помощью сетевого кабеля. Установить тумблер «Сеть» в верхнее положение. При этом должна загореться сигнальная лампочка «Сеть» и через 0,5...2 мин - лампочка «Высокое»; при этом миллиамперметр, установленный на передней панели источника питания, покажет ток разряда. На выходе излучателя появиться видимый луч лазерного излучения.

4. Произвести калибровку измерителя мощности ИМО-2Н

4.1. Перевести переключатель рода работ ИМО-2Н в положение “Измерение мощности», а переключатель пределов измерения мощности – в положение «0,01». Ручкой «Установка нуля» выставить нуль прибора на передней панели блока регистрации.

4.2. Перевести переключатель рода работ в положение «Калибровка». Через 5 мин на приборе блока регистрации должно установиться отклонение стрелки 100 ± 5 делений. В противном случае добиться этого, вращая ручку регулировки «Усиление».

5. Определение мощности излучения лазера

5.1. Полностью открыть диафрагму на входе измерительной головки
ИМО-2Н. Установить выходное зеркало ОЛЗ так, чтобы луч лазера трижды отразился от зеркал ОЛЗ (N = 3). С помощью регулировочных винтов универсального держателя направить луч лазера во входное отверстие измерительной головки так, чтобы угол между осями лазерного пучка и измерительной головки не превышал 20^0. Выбрать диапазон измерения мощности так, чтобы прибор не зашкаливал, измерить и записать мощность излучения на выходе ОЛЗ.

5.2. Повторить измерения мощности для значений N = 5, 7, 9, 11, 13.

5.3. Построить график зависимостиlg Р от N и по нему определить выходную мощность излучения лазера Р ₀ и максимально допустимое число отражений от зеркал N _max, до которого этот график имеет линейный характер.

6. Определение угловой расходимости пучка лазерного излучения

6.1. Вновь установить выходное зеркало ОЛЗ таким образом, чтобы число отражений N было равно 3. Установить минимальный радиус диафрагмы. После установления показаний прибора постепенно открывать диафрагму до тех пор, пока мощность излучения, которое прошло через ее, не будет составлять 63% от мощности излучения на выходе ОЛЗ. По показанием лимба диафрагмы определить радиус лазерного пучка.

6.2. Повторить измерения радиуса пучка при тех N, которые меньше N _max.

6.3. Построить график зависимости радиуса лазерного пучка от N. На графике провести асимптоту и определить угловую расходимость лазерного излучения как удвоенный угол наклона этой асимптоты к оси абсцисс.

7. Выключить лазер ЛГН-215 и прибор ИМО-2

7.1. Установить тумблер «Сеть» на передней панели ИП-17 в нижнее положение. Отключить кабель источника питания от сети.

7.2. Установить переключатели режимов работы и пределов измерения на передней панели ИМО-2Н соответственно в положения «Арретир» и «10 Дж», выключатель сети блока регистрации установить в нижнее положение, отсоединить прибор от сети.

8. Сопоставить результаты измерения мощности лазерного излучения и угловой расходимости пучка с паспортными данными лазера.

Контрольные вопросы:

1. Чем отличается основная мода лазерного излучения от других мод?

2. Чем ограничивается максимальное число отражений лазерного излучения от зеркал ОЛЗ при расчете параметров излучения?

3. Как изменится максимально допустимое число отражений от зеркал ОЛЗ при увеличении коэффициента отражения зеркал?

4. Чем ограничивается максимальная мощность излучения гелий-неонового лазера?

5. Чему равна мощность лазера ЛГН-? Расходимость пучка? Длина волны излучения? КПД?

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

7. Какова система охлаждения в данном лазере? Почему?