Северо-Западный государственный заочный

Северо-Западный государственный заочный

технический университет

Поляков В.Е., Парахуда С.Е., Потапов А.И.

ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ

Учебно-методическое пособие
для выполнения лабораторных работ

Санкт-Петербург
2004

Утверждено редакционно-издательским советом университета.

УДК 621.375.826:621+681.2

Поляков В.Е., Парахуда С.Е., Потапов А.И. Лазерная техника и технология. Учебно-методическое пособие к выполнению лабораторных работ. – СПб.: СЗТУ, 2004. – 105 с.

Учебно-методическое пособие разработано в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 653700 – «Приборостроение» (специальность 190100 – «Приборостроение») и направлению подготовки бакалавра 551500 – «Приборостроение». В учебно-методическом пособии приводится описание и порядок выполнения лабораторных работ, относящихся к основным разделам дисциплины, выбор которых был сделан с учетом практической деятельности инженера.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов
5 курса, изучающих дисциплину «Лазерная техника и технология», специализация 190105 «Контрольно-измерительные приборы и системы» – 12 часов, и студентов 4 курса, специализация 190120 «Приборы и системы таможенного экспортного и импортного контроля» – 8 часов, изучающих дисциплину «Лазерные и оптические методы в таможенном контроле».

Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного издания для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 190100 – «Приборостроение» направления подготовки дипломированных специалистов 653700 – «Приборостроение» и специальности 190700 – «Оптико-электронные приборы и системы» направления подготовки дипломированных специалистов 6540000 – «Оптотехника».

Рецензенты:

Тарлыков В.А., д-р техн. наук, профессор кафедры квантовой электроники и биомедицинской оптики Санкт-Петербургского государственного университета информацион­ных технологий, механики и оптики;

В.Ю. Храмов, д-р техн. наук, директор ФГУП НИИ лазерной физики, Санкт-Петербург;

Сарвин А.А., д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой автоматизации производственных процессов Северо-Западного государственного заочного технического университета.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004.

© В. Е. Поляков, С. Е. Парахуда, А. И. Потапов, 2004.

Охрана труда и техника безопасности
при проведении лабораторных работ

 

Организация безопасной работы при выполнении лабораторных работ на кафедре приборов контроля и систем экологической безопасности производится в соответствии с требованиями следующих государственных стандартов и систем ССБТ:

1. ГОСТ 12.1.019-79. Электробезопасность. Общие требования.

2. ГОСТ 12.1.040-83. Лазерная безопасность.

3. ГОСТ 15.1.040-83. Лазерная безопасность.

4. ГОСТ 2398-81. Санитарные нормы и правила устройства лазеров.

5. ГОСТ 25.917-83. Лазеры измерительные. Типы, основные параметры, требования.

Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров (утв. 22.04.81; №2392-81).

К работе на оборудовании и лабораторных установках допускаются студенты, имеющие теоретическую подготовку по дисциплинам «Лазерная техника и технологии» и «Лазерные и оптические методы в таможенном деле», прошедшие инструктаж по технике безопасности, изучившие инструкцию и расписавшиеся в журнале учета прохождения студентами инструктажа по технике безопасности.

 

 

Общие указания

 

При проведении лабораторных работ студенты получают возможность приобрести практические навыки использования лазеров в измерительных схемах и установках, изучить свойства лазерного излучения, устройство лазеров различных типов, а также освоить целый ряд современных лазерных технологий.

При подготовке к лабораторным работам студентам необходимо повторить раздел лекционного курса, по материалу которого производится данная лабораторная работа.

Необходимо внимательно изучить описание лабораторной работы и четко представлять последовательность выполняемых операций, особенности методики и техники экспериментальных исследований. Для выполнения лабораторной работы рекомендуется составить таблицы результатов расчетов и измерений, а также начертить функциональную схему установки. В пособии приведены основные теоретические положения, содержание лабораторных работ, описание лабораторных установок и измерительных приборов.

 

 

Тематика лабораторных работ

Тематика лабораторных работ охватывает наиболее важные разделы курсов и включает семь лабораторных работ:

1. Измерение параметров излучения твердотельного ИАГ: Nd³⁺ – лазера с ламповой накачкой.

2. Определение спектральной эффективности излучения импульсной лампы для оптической накачки твердотельного ИАГ: Nd³⁺ – лазера с использованием теории свечения черного тела.

3. Определение элементного состава неизвестного вещества с использованием метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии.

4. Изучение температурного тушения люминесценции в активных средах жидкостных лазеров на красителях.

5. Определение длины волны лазерного излучения методом совмещенной дифракции.

6. Определение элементного состава и концентрации вещества с использованием методов калориметрии.

7. Исследование деформационных свойств лазерных элементов (при их нагревании) методами голографической интерферометрии.

Все перечисленные работы содержат элементы научных исследований. Перечень лабораторных работ, выполняемых студентами, указывается преподавателем. При составлении отчета о проделанной работе у студентов воспитывается умение критически анализировать результаты измерений, т.е. качество, необходимое будущему инженеру или научному сотруднику. Отчет является зеркалом научной подготовки студента, стиля его работы.

Достоинством отчета является его краткость и аккуратное оформление.

При составлении отчета следует:

· сделать критические замечания и предложения по совершенствованию методик и техник излучений;

· сосредоточить основное внимание на анализе полученных зависимостей и сопоставлении данных расчета и эксперимента;

· не включать в отчет взятые из книг элементы теории исследуемых явлений, а указать лишь предмет, метод и результаты исследований.

 

Лабораторная работа № 1

Измерение параметров излучения твердотельного
ИАГ: Nd³⁺ - лазера с ламповой накачкой

Цель работы

 

Изучение конструкции твердотельного ИАГ: Nd³⁺-лазера с ламповой накачкой, приобретение навыков измерения некоторых параметров генерации: средней энергии, средней мощности и расходимости лазерного излучения.

Порядок выполнения работы

 

Измерительная часть

1. Необходимо ознакомиться с конструкцией установки и принципом ее работы.

2. Включить твердотельный ИАГ: Nd³⁺-лазер (после разрешения преподавателя).

3. Плавно перемещая преобразующий элемент (болометр) измерителя ИМО-3М в двух плоскостях, обеспечить попадание лазерного излучения в окно болометра. С помощью линзы, расположенной перед окном болометра, обеспечить полное заполнение области «видения» болометра. В этом случае излучение, достигающее болометра, не зависит от его расстояния до лазера.

4. Произвести измерение значений энергии и мощности лазерного излучения, используя две шкалы прибора ИМО-3М. Опыт повторить три раза и вычислить средние значения. Полученные значения P _ср и E _ср занести в таблицу по форме 1.

5. Перейти к работе с экраном. Разместить экран на оптической скамье на расстоянии ≥3м. Направить лазерное излучение на экран. С помощью миллиметровой бумаги измерить диаметр пятна d ₁лазерного излучения на выходе полупрозрачного зеркала 2 (рис. 2). Затем измерить диаметр пятна на экране d ₂.

Расчетная часть

6. Построить график распространения лазерного излучения к экрану и рассмотреть треугольник abc, у которого: ap = d ₁/2;
bd = d ₂/2; ac = l; bc = (d ₂/2 – d ₁/2).

7. Рассчитать расходимость лазерного излучения из уравнения

 

.

 

d

b

c

a

p

 

Рис. 3. Схема по расчету расходимости лазерного излучения

 

Полная расходимость β = 2α.

8. Сравнить экспериментально полученный результат с полной расходимостью, рассчитанной из уравнения

где длина волны лазерного излучения λ = 1064·10^-9 м; ω₀ – шейка гауссова пучка.

Принять ω₀ = 0,25·10^-3 м.

9. Полученные результаты представить в виде таблицы по форме 1:

Форма 1

ИАГ: Nd⁺³-лазер с ламповой накачкой

Параметры излучения
E, Дж	P, Вт	βэксп, мрад	βтеор, мрад

 

Содержание отчета

1. Схема установки с пояснением устройства (рис.2).

2. Схема эксперимента по расчету расходимости (рис.3).

3. Результаты измерения, сведенные в таблицу по форме 1.

Литература: [1], [2], [3].

 

Вопросы для самопроверки

1. Из каких основных узлов состоит твердотельный лазер? Объясните назначение каждого узла твердотельного лазера.

2. Какие активные среды используются в твердотельных лазерах?

3. Какие типы ламп накачки используются в твердотельных лазерах?

4. Перечислите свойства лазерного излучения.

Лабораторная работа № 2

Определение спектральной эффективности излучения импульсной лампы для оптической накачки твердотельного ИАГ: Nd³⁺-лазера

Цель работы

 

Приобретение навыков и умения рассчитывать основные параметры оптической накачки твердотельных лазеров, в частности спектральной эффективности накачки в полосы поглощения активной лазерной среды с использованием компьютера и программного обеспечения.

Порядок выполнения работы

 

1. Ознакомиться с теоретическими положениями, описывающими механизмы оптической накачки импульсными лампами твердотельных лазеров.

2. Ознакомиться с алгоритмом вычисления интеграла Планка.

3. Включить компьютер и открыть программу «Plank».

4. Раскрыть табл. 1 и получить у преподавателя пределы изменения температур, ввести их в программу. Изменяя длину волны с шагом 0,1 мкм в пределах от 0,2 до 5,0 мкм, произвести расчет мощности излучения черного тела путем расчета интеграла Планка.

5. Раскрыть табл. 2 и получить у преподавателя пределы изменения полос поглощения стекла, активированного ионами Nd3+, и ввести их в программу. Дополнительно ввести значения температур, как в п. 4, а также константы. Произвести расчет излучения черного тела по отдельным полосам поглощения активной среды и результаты суммировать по всем полосам.

6. Табл. 1 и 2, а также графики распечатать и включить в отчет по лабораторной работе.

7. Рассчитать собственным калькулятором значение максимума излучения черного тела, используя уравнение Вина (2.14) для температуры, указанной преподавателем, и сравнить его со значением, полученным путем расчета уравнения Планка.

8. Произвести расчет спектрального КПД накачки с использованием уравнения Стефана-Больцмана и уравнения Планка. Распечатать зависимости КПД накачки и полученные численные значения представить в виде табл. 3. Распечатать логарифмические зависимости интенсивности излучения черного тела в полосах поглощения Nd3+-стекла от температуры и зависимости спектрального КПД накачки от температуры.

Содержание отчета

 

1. Название и цель работы.

2. Уравнения интеграла и дифференциала Планка.

3. Окно программы для вычисления интеграла Планка (рис.4).

4. Табл. 1 с расчетом интеграла Планка для мощности излучения черного тела при разных температурах.

5. Табл. 2 с расчетом мощности излучения черного тела в отдельные полосы поглощения и суммарное излучение во всех полосах.

6. Графики зависимости мощности излучения черного тела при разных температурах от длины волны с нанесенными полосами поглощения активной среды (рис. 5-7).

7. Логарифмическую зависимость излучения черного тела в полосах поглощения Nd3+-стекла (рис. 8).

8. Зависимость КПД накачки Nd³⁺-стекла (рис. 9).

 

Литература: [4], [5], [6].

 

Вопросы для самопроверки

1. Какое тело называется абсолютно черным телом с позиций поглощения и испускания излучения?

2. Сформулируйте закон Кирхгофа, описывающий излучательную способность любого тела.

3. В чем отличие уравнения Стефана – Больцмана от уравнения Планка при расчете мощности излучения черного тела?

4. Какую физическую величину описывает закон Вина? В какую область длин волн происходит смещение максимума излучения черного тела при увеличении температуры?

5. С какой целью производят оптическую накачку активной среды в твердотельных лазерах? Что такое инверсная населенность возбужденного уровня? Какой знак имеет коэффициент поглощения активной среды при достижении инверсной населенности?

 

Таблица 2

Мощность излучения черного тела

 

Dl i, мкм	R l, мощность излучения черного тела, Вт/м3
Т 1=1000 К	T 2=2000 K	Т 3=2600 К	T 4=3000 К	Т 5=3600 К	Т 6=4000 К	Т 7=4300 K
0.0-0.2	0.0000	0.0000	0.0091	0.4269	28.6089	238.5989	911.3689
0.2-0.3	0.0000	0.0843	28.8407	399.3286	7137.5215	30744.2830	77518.4030
0.3-0.4	0.0000	14.8281	1267.6924	9403.4198	84362.3870	255280.8700	513578.2800
0.4-0.5	0.0001	276.1353	9889.1741	49221.0120	283188.6300	682447.2200	1187607.1000
0.5-0.6	0.0052	1645.3824	32203.4570	121684.3500	516649.9700	1067377.0000	1685252.9000
0.6-0.7	0.0990	5131.9500	64777.3210	200774.2700	686477.1500	1272124.5000	1875974.8000
0.7-0.8	0.8278	10823.1040	98263.7400	262748.0900	765372.4300	1309504.7000	1837164.9000
0.8-0.9	4.0032	17804.0170	125268.4400	299013.0600	770711.8000	1241181.4000	1676977.2000
0.9-1.0	13.2552	24848.9350	142827.7300	311746.4000	730095.0700	1121634.1000	1471841.0000
1.0-1.1	33.4841	30993.0720	151239.2200	307171.1400	666272.1100	985891.5600	1264083.3000
1.1-1.2	69.3523	35717.9910	152307.9600	291630.8700	594257.9100	852981.5700	1073362.1000
1.2-1.3	123.7499	38889.3680	148161.2700	270130.1000	522730.1700	731737.7900	906709.1700
1.3-1.4	196.9969	40618.4140	140682.9400	246140.4300	456126.5000	625269.8200	764883.5500
1.4-1.5	286.9199	41136.0500	131331.1400	221863.7400	396322.4600	533750.2900	645874.0900
1.5-1.6	389.5241	40707.9950	121146.3000	198588.4100	343766.3600	456011.8200	546707.8200
1.6-1.7	499.8711	39586.3420	110824.7200	176991.6200	298167.6900	390387.9400	464299.5900
1.7-1.8	612.8799	37987.4960	100804.7700	157364.3800	258897.9800	335136.6500	395819.6500
1.8-1.9	723.9181	36086.0320	91342.9150	139766.4800	225213.2700	288636.0900	338821.5900
1.9-2.0	829.1403	34016.0960	82571.2250	124125.2200	196366.5200	249455.1600	291250.8600
2.0-2.5	5365.8750	138687.6400	306735.5400	443585.8200	674374.6800	840587.1300	970119.6200
2.5-3.0	6343.8059	94414.2950	185657.9100	255479.0000	368866.0300	448500.5600	509783.2100
3.0-3.5	6219.4032	63768.2260	116106.1400	154682.0200	215954.7600	258362.5400	290760.3500
3.5-4.0	5554.5944	43708.5030	75417.0460	98229.4920	133957.8900	158458.2600	177089.9400
4.0-4.5	4731.3885	30610.1500	50773.8230	65043.6730	87182.1800	102269.4100	113707.6100
4.5-5.0	3936.5893	21926.5450	35293.0620	44642.7390	59051.5440	68828.2410	76224.3960
0-100	56705.0770	907281.3500	2591286.3000	4593111.9000	9524276.8000	14516502.0000	19386340.0000

 

Окончание табл. 1

 

Dl i, мкм	R l, мощность излучения черного тела, Вт/м3
Т 8=5000 К	Т 9=5200 К	Т 10=5500 К	T 11=6000 К	Т 12=7000 К	T 13=8000 K	Т 14=9000 К	T 15=10000 К
0.0-0.2	11369.0540	20744.6750	47285.5030	156850.8000	1060699.1000	4580220.1000	14637390.0000	37840275.0000
0.2-0.3	444064.6200	673482.1000	1191780.1000	2734485.8000	10247208.0000	27997188.0000	61765386.0000	1.1709682.0000
0.3-0.4	1909583.5000	2608657.0000	3996093.0000	7416357.8000	19719511.0000	41306068.0000	73754399.0000	1.1773997.0000
0.4-0.5	3353671.7000	4289538.8000	6003944.3000	9772151.2000	21105763.0000	37805048.0000	59788883.0000	86679772.0000
0.5-0.6	3964879.6000	4856754.9000	6408742.2000	9580832.1000	18120171.0000	29421970.0000	43168511.0000	59008946.0000
0.6-0.7	3887125.6000	4621507.5000	5856074.0000	8260328.5000	14280160.0000	21712122.0000	30309552.0000	39855126.0000
0.7-0.8	3471622.4000	4039639.2000	4971768.4000	6727234.3000	10910118.0000	15836194.0000	21347153.0000	27317821.0000
0.8-0.9	2957116.8000	3386071.8000	4077838.3000	5349695.9000	8275515.2000	11608393.0000	15251026.0000	19131337.0000
0.9-1.0	2460369.0000	2782626.2000	3295643.6000	422267.2000	6299695.9000	8609460.1000	11091733.0000	13704095.0000
1.0-1.1	2025663.4000	2268737.2000	2651911.1000	3334772.4000	4836331.7000	6475777.4000	8215735.5000	10030516.0000
1.1-1.2	1662395.7000	1847305.3000	2136574.4000	2646757.6000	3752015.9000	4942080.1000	6193096.3000	7489040.1000
1.2-1.3	1365541.8000	1507688.4000	1728722.9000	2115382.8000	2943302.7000	3825087.3000	4745159.4000	5693236.9000
1.3-1.4	1125403.6000	1235907.3000	1406908.1000	1704088.5000	2334503.4000	3000131.6000	3690570.2000	4399045.8000
1.4-1.5	931784.0200	1018656.9000	1152561.2000	1384036.0000	1871369.8000	2382326.5000	2909898.9000	3449246.4000
1.5-1.6	775579.7900	844621.0200	950694.9000	1133258.9000	1515240.8000	1913441.6000	2322922.4000	2740530.7000
1.6-1.7	649197.2200	704637.0500	789583.8500	935253.9500	1238475.1000	1553066.4000	1875527.3000	2203639.3000
1.7-1.8	546511.3500	591464.8700	660187.5400	777675.2800	1021177.6000	1272802.1000	1530025.5000	1791258.2000
1.8-1.9	462666.8100	499451.4600	555577.3800	651280.7100	848907.6400	1052436.4000	1260019.4000	1470498.8000
1.9-2.0	393839.1100	424196.6000	470439.4100	549115.3900	711073.1200	877386.1400	1046682.2000	1218105.1000
2.0-2.5	1284675.0000	1377070.2000	1517353.7000	1754982.6000	2241147.7000	2737562.4000	3240959.1000	3749315.3000
2.5-3.0	656642.8400	699385.6400	764019.6600	872911.6000	1094002.6000	1318175.4000	1544432.1000	1772161.7000
3.0-3.5	367811.3000	390118.6900	423773.1800	480297.2800	594566.1400	709967.070	826130.3600	942830.9600
3.5-4.0	221190.7200	233916.4800	253087.7600	285224.6300	350017.3600	415289.9800	480884.9500	546706.7100
4.0-4.5	140695.6400	148466.2100	160161.2600	179740.5500	219144.5700	258775.0800	298557.4700	338446.6100
4.5-5.0	93636.5640	98642.2630	106171.0000	118763.9300	144075.8900	169504.070	195010.0900	220570.7500
0-100	35440678.0000	41460581.0000	51888697.0000	73489791.0000	136148.9000	2.3226.4030	372042.0700	567050.8500

 

 

Рис. 5. Мощность излучения черного тела при температурах:

1 – 1000 К; 2 – 2000 К; 3 – 2600 К; 4 – 3000 К; 5 – 3600 К;

А, Б, В, Г – полосы поглощения лазерного элемента на основе Nd-стекла:
Dl_Г = 0,57…0,60 мкм; Dl_А = 0,72…0,74 мкм; Dl_Б = 0,77…0,82 мкм; Dl_В =0,85…0,88 мкм

 

Рис. 6. Мощность излучения черного тела при температурах:

1 – 4000 К; 2 – 4300 К; 3 – 5000 К; 4 – 5200 К; 5 – 5500 К;

А, Б, В, Г – полосы поглощения лазерного элемента на основе Nd-стекла

 

Рис. 7. Мощность излучения черного тела при температурах:

1 – 6000 К; 2 – 7000 К; 3 – 8000 К; 4 – 900 К; 5 – 10000 К;

А, Б, В, Г – полосы поглощения лазерного элемента на основе Nd-стекла

 

Таблица 2

Мощность излучения черного тела в полосах поглощения Nd-стекла

 

Т, К   R λ, Вт/м2
	0,0035	750,6327	12781,7530	45091,0860	176865,750
	0,1001	1896,0358	18429,8490	506769,594	151907,670
	0,8326	6928,3599	55884,1550	141553,080	388556,320
	1,3924	5667,1583	38669,9700	90949,0460	530541,260
	2,3286	15242,187	125765,730	328272,800	947871,000
	56705,085	907281,37	2591286,30	4593111,90	9524276,90
	35935,684	829398,66	2474922,40	4450425,10	9341503,00

 

Продолжение табл. 2

 

Т, К   R λ, Вт/м2
	350568,130	538981,40	1205433,40	145891,9	1893247,3
	263446,250	372649,74	714606,190	834310,54	1031423,5
	645272,410	888531,95	1621917,80	1872074,2	227809,2
	368114,330	494685,29	863543,080	986457,60	1184153,3
	1627401,10	2294848,40	4405500,50	5151634,20	6387733,4
	14516502,0	19386340,0	35440678,0	41460581,0	51888697,0
	14306559,0	19155411,0	35151668,0	41148543,0	51529611,0

 

Окончание табл. 2

 

Т, К   R λ, Вт/м2
	2762962,30	5031231,70	7941981,70	11403064,0	15324112,0
	1404386,10	2299090,20	3359377,10	4550691,20	5845387,20
	3035604,40	4805846,10	6854515,80	9118367,10	11549156,0
	1546295,10	2374880,70	3313885,10	4336438,70	5422841,10
	8749247,90	14511049,0	21469760,0	29408561,0	38141497,0
	73489791,0
	72986895,0

 

Таблица 3

Спектральный КПД накачки Nd-стекла при разных температурах

 

Т, К η i , %
η1		1,68	4,85	7,15	9,95	11,21	11,84	12,43
η2	0,01	1,84	5,08	7,38	10,15	11,38	11,98	12,53

 

Окончание табл. 3

Т, К η i , %
η1	12,43	12,31	11,91	10,66	9,24	7,90	6,73
η2	12,52	12,40	11,99	10,77	9,45	8,24	7,22

 

 

 

Рис. 8. Логарифмическая зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела в полосах поглощения Nd-стекла от температуры:

1 – Dl_Г = 0,57…0,60 мкм; 2 – Dl_А = 0,72…0,74 мкм; 3 – Dl_Б = 0,77…0,82 мкм; 4 – Dl_В = 0,85…0,88 мкм; 5 – 6 – R _э= s T ⁴.

 

 

Рис. 9. Эффективность излучения черного тела в полосы поглощения
Nd-стекла,

где: 1 – 2 –

 

Лабораторная работа № 3

Цель работы

 

Изучение физической сущности метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, его модификаций, экспериментальных установок и приобретение навыков измерения узкополосных спектров поглощения вещества.

Порядок выполнения работы

 

1. Ознакомиться с экспериментальной установкой и принципами ее работы.

2. Убрать из оптического резонатора широкополосного лазера спектроскопическую кювету (позиция 3, рис. 11) с неизвестным веществом.

3. Установить на вал двигателя активный лазерный элемент, предложенный преподавателем.

4. Включить ИАГ: Nd³⁺-лазер и установить частоту следования импульсов накачки, равную 5 Гц.

5. Снять приведенный спектр излучения широкополосного лазера с использованием монохроматора (позиция 7), фотоумножителя и цифрового вольтметра (позиции 8 и 10) путем вращения дифракционной решетки монохроматора в диапазоне длин волн, указанном преподавателем. Определить ширину спектра излучения на уровне 0,5.

6. Изучить спектр генерации широкополосного лазера на мониторе компьютера.

7. Установить спектроскопическую кювету с неизвестным веществом (позиция 3, рис. 11) в резонатор широкополосного лазера.

8. Снять спектр излучения широкополосного лазера с неизвестным веществом в оптическом резонаторе. Определить спектральную составляющую, поглощенную неизвестным веществом. Определить амплитуду частотной составляющей, поглощенной неизвестным веществом, и сравнить ее с амплитудой, аналогичной частотной составляющей широкополосного лазера.

9. Результаты измерений внести в таблицы по формам 1 и 2.

 

Расчетная часть

 

10. Рассчитать приведенные к единице спектры излучения широкополосного лазера и определить ширину спектра излучения на уровне 0,5.

11. Рассчитать приведенный к единице спектр излучения широкополосного лазера, в резонаторе которого находится спектроскопическая кювета с неизвестным веществом.

12. Рассчитать спектральный коэффициент пропускания, используя зависимость где I ₀ – интенсивность спектральной составляющей, поглощенной неизвестным веществом в спектре широкополосного лазера; I – интенсивность спектральной составляющей поглощенной неизвестным веществом; τ – коэффициент пропускания вещества толщиной h (мм) для монохроматического света длиной волны λ.

13. Рассчитать коэффициент поглощения вещества, используя уравнение

α = – lg τ.

 

Форма 2

Спектральные характеристики широкополосного твердотельного лазера

 

Активная среда широкополосного твердотельного лазера на красителях, например Р6Ж + полиметилметакрилат
Спектр генерации широкополосного лазера	Спектр генерации широкополосного лазера с внесенными в резонатор узкополосными потерями
№ опыта	I λ, мВ	λ, нм	Iпр	, мВ	λ, нм

 

 

Форма 3

Оптические спектральные характеристики исследуемого вещества

 

Физическая величина	Обозначение	Численное значение
Спектральный коэффициент пропускания	τλ
Спектральный коэффициент поглощения	αλ
Ширина спектра широкополосного лазера на уровне 0,5	Δλ

 

Содержание отчета

1. Схема установки с пояснениями устройства (см. рис. 11).

2. Основные расчетные формулы.

3. Результаты измерений и расчетов по формам 1 и 2.

4. Графики приведенных спектров I _λ= f (λ) и = f (λ).

5. Выводы по результатам выполненной работы.

 

Литература: [7], [8], [9].

Вопросы для самопроверки:

 

1. Сформулируйте физическую сущность метода внутрирезо­наторной лазерной спектроскопии.

2. В чем заключается основное отличие классического метода ВЛРС от модифицированного?

3. Каким образом рассчитывается приведенный спектр генерации широкополосного лазера на красителях?

4. С позиций каких критериев выбирается когерентный источник накачки лазера на красителях?

5. Какие размерности имеют спектральный коэффициент поглощения и коэффициент пропускания?

6. При использовании метода ВЛРС какие физические величины несут информацию о типе вещества и его концентрации?

 

Лабораторная работа № 4

Цель работы

 

Приобретение практических навыков при работе с жидкостными лазерами на красителях.

Порядок выполнения работы

 

Измерительная часть

1. Ознакомиться с описанием установки и принципами ее работы.

2. Установить в ультратермостат (позиция 14) исследуемую активную среду.

3. Включить блок охлаждения ртутной лампы, открутив вентиль водопровода.

4. Включить блок питания ртутной лампы ДРШ-250 (позиция 1) и блок питания ФЭУ (позиция 19).

5. Включить нагреватель и термостат (позиция 15).

6. Изменяя положение цветных фильтров (позиция 8), выделить линию ртути с длиной волны λ = 546 нм (зеленая область излучения).

7. С помощью фотообъектива (позиция 7) сфокусировать излучение ртутной лампы в виде полоски на кювете с исследуемым образцом.

8. Установить призму Франка-Риттера (позиция 10) в положение, соответствующее естественно-полярному свету.

9. В поток излучения ртутной лампы ввести нейтральный фильтр, указанный преподавателем.

10. Вращая дифракционную решетку монохроматора (позиция 20), установить длину волны по шкале λ = 560 нм. Изменяя длину волны с шагом 5 нм, снять показания вольтметра в пределах длин волн от 560 нм до 600 нм, при температуре 20°С.

11. Вращая дифракционную решетку монохроматора (позиция 20) установить на шкале длину волны λ = 575 нм (наблюдая визуально через щель желтое свечение).

12. Снять показания вольтметра (позиция 17) при различных температурах люминесцирующей активной среды (позиция 14).

13. Значения температуры снимать с индикатора от 30 до 100°С. Результаты измерений занести в таблицу по форме 4.

Расчетная часть

 

Форма 4

Измеряемые величины и их оценки

 

Испытуемый образец	Например, родамин 6 Ж + этанол
№ п/п	λ, нм	U, мВ	U, пр.	U, мВ, при λmax= const	T, °С

 

Содержание отчета

1. Схема установки с пояснением устройства (см. рис. 15)

2. Результаты измерений и расчетов по форме 4.

3. Графики зависимости U _пр ~ f (λ) и .

4. Выводы по результатам выполненной работы.

 

Литература: [10], [11], [12].

 

Вопросы для самопроверки:

1. Какие активные среды для жидкостных лазеров на красителях Вам известны?

2. Объясните физический смысл механизма спонтанного излучения.

3. Как объяснить механизм температурного тушения люминесценции в растворах органических красителей для квантовой электроники?

4. Каким образом обеспечивается стабилизация температуры в жидкостных лазерах на красителях?

 

 

Лабораторная работа № 5

Цель работы

 

Приобретение практических навыков и умений при работе с оптическими квантовыми генераторами (лазерами) в дифракционной области излучения.

Порядок выполнения работы

 

1. Ознакомиться с конструкцией установки и принципом ее работы.

2. Включить лазерную установку (после разрешения преподавателя).

 

Рис. 18. Схема лабораторной установки

1 – He-Ne-лазер; 2 – оптическая скамья с масштабной линейкой;
3 – экран со щелью; 4-5 экраны

 

3. Поставить в непосредственной близости от апертуры лазера экран 3 со щелью и экран 4 для наблюдения. Плавно удаляя последний, наблюдать на нем постепенное увеличение интенсивности и последующий спад. Зафиксировать положение наименьшей интенсивности в центре картины, расстояние измерить. Опыт повторить пять раз, результаты измерений занести в таблицу по форме 5.

4. Снять экран 4 со скамьи и перейти к измерениям на экране.

5. Варьируя положение экрана 3 со щелью, добиться четкого изображения дифракционной картины. Измерить расстояние L и D (см. формулу (5.2)). Опят повторить пять раз, результаты измерений занести в таблицу по форме 5.

 

Расчетная часть

Форма 5

Измеряемые величины и их оценки