Проектирование гелий-неонового лазера

Курсовой проект

по дисциплине:

«Квантовые и оптоэлектронные приборы и устройства»

на тему:

«Расчет и проектирование Не-Ne лазера»

1. Введение

2.Расчет и проектирование гелий-неонового лазера

2.1 Исходные данные

2.2 Расчет коэффициента усиления активной среды

2.3 Расчет резонатора

2.4 Определение паразитных потерь

2.5 Расчет выходного зеркала

2.6 Определение оптимального коэффициента пропускания выходного зеркала

2.7 Расчет мощности излучения

2.8 Расчет напряжения источника накачки КПД лазера Заключение Список литературы

1. Введение

В данной контрольной работе нам необходимо рассчитать и спроектировать Не-Ne лазер со следующими параметрами:

— выходная мощность излучения P=10 мВт ;

— длина волны излучения =0,63 мкм ;

— диаметр разрядного капилляра — 4 мм;

— соотношение парциальных давлений гелия и неона PHe: PNe при полном давлении газовой смеси P = 10 мм. рт. ст.

— режим генерации излучения — одномодовый.

2.Расчет и проектирование He-Ne лазера

2.1 Исходные данные

Так как максимальная мощность излучения достигается при p*d=3 мм рт.ст.*мм, то можно определить давление:

Определим процентное содержание неона:

l=0,63 мкмдлина волны излучения

2.2 Расчет коэффициента усиления активной среды

Р=10мВт — мощность излучения.

Dт=4 ммдиаметр разрядного капилляра.

Диаметр трубки dт несколько больше диаметра пучка на выходном зеркале резонатора, при этом учитывается, что увеличение диаметра трубки приводит к уменьшению коэффициента усиления:

Оптимальный ток оценивается по формуле:

мм рт. ст.

Излучение одномодовое.

Величина столкновительного уширения определяется как:

мм рт. ст.

следовательно,

Величина доплеровского уширения оценивается по формуле:

Для условий разряда в He-Ne лазерах температуру газовой смеси можно ориентировочно принять:

К

м/с — скорость света.

— длина волны, соответствующая центру линии.

— частота, соответствующая центру линии.

— постоянная Больцмана.

— масса излучающей частицы (Ne).

Получим:

Параметр насыщения Js определяется по формуле:

2.3 Расчет резонатора

В конструкции использован резонатор с круглыми зеркалами симметричной (R1=R2) конфигурации. Длина резонатора L несклько превышает длину разрядной трубки и выбирается из конструктивных соображений. Возьмем ее на 10 см больше длины трубки:

Длина разрядной трубки определяется исходя из мощности излучения и диаметра разрядной трубки по формуле:

см

Радиусы кривизны зеркал выбираем, ориентируясь на условие устойчивости резонатора. Для симметричного резонатора они не должны быть меньше половины его длины:

Радиус пучка в перетяжке определяется по формуле:

см

Радиус пучка на зеркалах определяется по формуле:

,

Угол расходимости можно оценить по формуле:

Расстояния от перетяжки до краёв активной среды можно определить как:

см

Эффективная (усреднённая) площадь сечения пучка определяется по формуле:

Расстояние от перетяжки до зеркал :

2.4 Определение паразитных потерь

Резонатор является устойчивым т. к. значение больше 0 и меньше 1.

Апертура определяется как радиус разрядной трубки:

Число Френеля :

Т.к. апертура определяется размерами диафрагмы, то вместо N следует использовать эквивалентное число Френеля :

где

Выберем расстояние от зеркала до диафрагмы

Выберем расстояние от зеркала до диафрагмы

По результатам видно, что число Френеля мало отличается от эквивалентного числа Френеля Величину дифракционных потерь для колебаний можно оценить:

2.5 Расчет выходного зеркала

Для зеркал будем использовать: в качестве материала с высоким показателем преломления используем (=1.97); с низким коэффициэнтом преломления (=1.45); материал подложки кварцевое стекло (=1.5)

Для числа слоев (М=27) :

Таким образом, энергетический коэффициент отражения такого зеркала будет определятся как:

Общие энергетические потери определяем по таблице Коэффициент пропускания

2.6 Определение оптимального коэффициента пропускания выходного зеркала

Определим оптимальное пропускание, при котором достигает максимального значения.

Сумма всех вредных потерь за полный проход волны резонатора, с учетом того, что общие потери у обоих зеркал одинаковы:

— потери, связанные с несовершенством поверхности полупрозрачного зеркала.

Определяем Y

Получим:

Параметры интерференционного зеркала с близким коэффициентом пропускания: кварцевое стекло, и

Общие энергетические потери определяем по таблице

Коэффициент пропускания

Проверим условие возникновения моды TEM01

Величину дифракционных потерь для колебаний можно оценить:

2.7 Расчет мощности излучения

Параметр возбуждения h :

Зависимость интенсивности излучения от параметра возбуждения h :

Целая часть от произведения

равна 1

Т.к.

то, условие перекрытия провалов выполняется.

Выходная мощность лазерного излучения определяется по формуле:

Полученная выходная мощность незначительно отличается от заданной:

Из графика зависимости отношения ширины частотного диапазона контура усиления

к доплеровской ширине линии от параметров h и определяем отношение

/, которое равно 1.5

2.8 Расчет напряжения источника накачки КПД лазера

Для оценки КПД активного элемента и мощности накачки Pн при оптимальном значении тока разряда I рассчитывается падение напряжения на разрядной трубке U.

Последнее определяется падением напряжения в положительном столбе и величиной катодного падения. Напряженность электрического поля в столбе определяется по формуле:

В условиях нормального тлеющего разряда катодное падение напаряжения Uк в He-Ne лазерах находится в пределах 150−200 В. Зададимся значением 165 В:

Зная E можно определить:

Коэффициент полезного действия определяется выражением:

Заключение

В результате расчета He-Ne лазера были получены следующие его параметры:

— коэффициент усиления активной среды

— оптимальный ток I = 36 мА

— длина резонатора L = 30 см

— длина разрядной трубки l = 25 см

— радиус пучка в перетяжке ro = 0.125 см

— эффективная площадь сечения пучка Sср = 0.049

— Выходная мощность лазерного излучения Рвых = 9.513 мВт

— Напряжение на разрядной трубке U = 614 B

— Мощность накачки Р = 22 Вт

— Коэффициент полезного действия КПД= 0.043%

гелий неоновый лазер пучок

1. Расчет и проектирование квантовых генераторов: Методические указания к курсовому проектированию/ РГРТИ; Сост.

Э. И. Соколовкий, В. И. Соловьев. Рязань, 2009. 32с.

2. Карлов Н. В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1988.

3. Квантовая электроника и оптоэлектроника, Смирнов А. Г., Учеб. пособие для ВУЗов — М.: Высш. школа, 2007 г.

4. Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1983.