На рис.1.3.2 показаны в сечении поведение показателя преломления для обыкновенной и необыкновенной волн для некоторой частоты ν и 2 ν. Из-за электрической поляризации среды показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной волн возросли. Однако можно увидеть, что есть направление в кристалле, где показатели преломления равны между собой n0ν = ne2ν(θ) , а это и есть условие волнового синхронизма. Направление ОВ – направление синхронизма, а угол θ – угол синхронизма
.
рис 1.3.1 рис 1.3.2
На рисунке 1.3.3 показан разрез нелинейного кристалла, который обеспечивает получение второй гармоники.
Кристалл вырезан так, что направление синхронизма ОВ совпадает с длиной кристалла, а оптическая ось кристалла ОА расположена к направлению синхронизма (к направлению распространения луча) под углом синхронизма
Θ. Излучение частоты ע , преимущественно поляризованное перпендикулярно плоскости чертежа ( обыкновенная волна), вызывает в кристалле электрическую поляризацию и порождает волну частотой 2ע, поляризация которой лежит в плоскости чертежа. Из-за двойного лучепреломления происходит отклонение необыкновенной волны на угол β
От оси распространения. Отклонение отсутствует, если угол синхронизма θ=900
Рис.1.3.3
1.4 Пробой в воздухе.
С помощью ГИ можно наблюдать пробой в воздухе. Для этого на пути луча ставится линза с фокусным расстоянием 5-10 см. Именно с помощью линзы интенсивный пучок лазерного излучения фокусируется. Область фокуса имеет объем порядка 10-8 см3 , который зависит от начальной расходимости пучка, а также процессов дифракции.
При нормальном давлении число атомов в области фокуса равно ≈1012. При столь большом числе атомов трудно точно учесть роль различных механизмов в пробое. Атомы и электроны часто сталкиваются друг с другом и могут эффективно обмениваться энергией. Если главную роль в пробое играет лавинная ионизация, порог пробоя должен заметно зависеть от давления газа. Если же давление газа снизить до сотых долей мм рт. ст., число атомов в области фокуса снижается настолько, что соударениями между атомами за время пикосекундного светового импульса можно пренебречь. Следовательно, пробой вызывается многофотонной ионизацией или, проще говоря, отрывом электрона от атома в сильном электрическом поле световой волны (туннельный эффект)
Время туннельного перехода: t = (h*1.414)/(Ej*2π) , где h – постоянная Планка, Еj –энергия ионизации. Энергия светового поля лазера переходит в энергию излучения плазмы малого объема пространства по схеме:
Второе уравнение характеризует собственно пробой, когда разноименно заряженные частицы рекомбинируют с выделением световой энергии.
1.5 Расходимость лазерного светового пучка
Расходимость зависит от оптического качества неодимового стекла или рубина.
Обычно она составляет несколько миллирадиан. Расходимость пучка твердотельного лазера можно уменьшить в несколько раз, увеличив длину оптического резонатора до нескольких метров. Однако это увеличивает пороговую энергию возбуждения и снижает энергию генерируемого светового импульса. На рис.1.5.1 представлена схема расходимости лазерного излучения. В ближней зоне расходимость пучка мала . Это условие сохраняется на расстоянии порядка 0.1D, где D≈ d2(2λ0). На больших расстояниях угловая расходимость θ увеличивается вследствие дифракции, заметно возрастая в дальней зоне (≈ 10D).
Рис.1.5.1
2. Экспериментальная часть.
2.1 Получение измерений энергии ГИ.
На рис 2.1.1 представлена схема, поясняющая получение ГИ.
Рис.2.1.1
Обозначения:
1,2 – зеркала резонатора; 3 – пассивный затвор LiF/F2; 4 – активный кристалл; 7 – приемная головка; 8 – измеритель энергии импульсов типа ИКТ -1Н; 9 – блок питания БПЛ – 75; 10 – устройство охлаждения; 11- квантрон (резонатор лазера).
Наблюдения: Мы убедились в получении гигантских импульсов на длине волны 1.064мкм (невидимый диапазон спектра) с помощью засвеченной рентгеновской пленки.
Энергия ГИ измеряется блоком 8 рис.2.1.1 Е = 100 мДж
2.2 Получение второй гармоники
На рис.2.2.1
представлена схема генерации второй гармоники:
Рис.2.2.1
Обозначения:
1,2 – зеркала резонатора; 3 – пассивный затвор LiF/F2; 4 – активный кристалл; 5-нелинейный кристалл; 7 – приемная головка; 8 – измеритель энергии импульсов типа ИКТ -1Н; 9 – блок питания БПЛ – 75; 10 – устройство охлаждения; 11- квантрон .
Наблюдения: Мы визуально наблюдали пучок зеленого света (длина волны 0.532мкм – это видимый диапазон спектра) - вторую гармонику лазера YAG/Nd3+.
2.3 Получение пробоя.
На рис.2.3.1 представлена схема получения пробоя в воздухе:
Рис.2.3.1
Обозначения:
1,2 – зеркала резонатора; 3 – пассивный затвор LiF/F2; 4 – активный кристалл; 6-линза; 5-твердая мишень;7 – приемная головка; 8 – измеритель энергии импульсов типа ИКТ -1Н; 9 – блок питания БПЛ – 75; 10 – устройство охлаждения; 11- квантрон .
Наблюдения: Мы наблюдали яркое свечение (вспышку) в центре мишени с характерным звуком (щелчком). При этом на рентгеновской мишени проявлялось чёрное пятно.
2.4 Измерение расходимости лазерного пучка
На рис.2.4.1 представлена схема, поясняющая экспериментальное измерение расходимости пучка.
Расходимость вычисляется по формуле:
Рис.2.4.1
3. Расчетная часть
3.1. Длительность импульса
Длительность импульса может быть рассчитана по формуле
Исходные
данные:
м 1/м 1/м
м
м 1/м
м/с
Расчет длительности импульса: timp =1.415*10-9 с
3.2Расходимость:
L1 = 0.5 м; L2 = 0.035 м; D1 = 0.008 м; D2 = 0.006 м
Расходимость ψ = 0.0043 рад
илиΨ=0.2450
3.3 Мощность ГИ:
P = E/timp;
P1 = 100 мДж/1.415*10-9 с = 7.0761*107 Вт;
Врежиме свободной генерации
Р2 = 110 мДж/1.425*10-9 с = 7.7739*107 Вт
3.4 Напряженности электромагнитного поля светового импульса
E0≈27.5*I1/2
H0≈E0*(μ/ε0)1/2
м2
I = 3.604*1016 Вт/м2
E0 = 5.221*109 Вт/м
(μ/ε0)1/2 =377 Ом
H0=1.969*1012 А/м
3.5 КПД преобразования энергии накачки в энергию ГИ
(считая энергию накачки 75 Дж)
η = Е/Ен;
η = 100 мДж/75 Дж = 0.13%
Вывод:
В ходе работы мы познакомились с работой лазера на YAG/Nd и рубиновым лазером, получили гигантские импульсы – расчетная длительность импульсов 1.829 нс (что характерно лишь для ГИ), получили вторую гармонику 0.532 мкм в нелинейном кристалле, наблюдали пробой в воздухе, экспериментально установили, что энергия импульса равна 100 мДж и 110 мДж в свободном режиме; также была оценена расходимость лазерного пучка – она составила 0.245 градусов, Расчетная пиковая мощность ГИ равна 70.761 МВт.
Расчетный КПД составил 0.13%. Все рассчитанные и экспериментально полученные величины согласуются по порядку с теоретическими значениями.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.