Практические занятия и курсовое проектирование по дисциплине "Квантовые и оптоэлектронные приборы и устройства", страница 13

 

Рис.2.4. Распределение температуры при сварке: а -  стали, б - меди

(Pmin = 4 кВт, v = 0,2 см/с, h = 1 см)

          В заключение отметим, что при некоторых тепловых расчетах необходимо знать радиус сфокусированного пучка rmin. Если rmin не указан в задании, то его можно определить, исследуя процессы в фокусирующей линзе (или объективе). Радиус rmin определяется двумя процессами [5]: дифракционной расходимостью и аберрационными явлениями. Будем считать, что в линзе присутствуют только сферические аберрации и rmin ≈ rдиф + rаб. Тогда с учетом того, что rдиф ≈ Θf, a rаб ≈ аΘ3f2, где Θ - угол расходимости лазерного излучения, а - аберрационный коэффициент, имеем

                                      (2.5)

Из (2.5) следует, что с ростом f дифференциальная расходимость растет, а аберрация уменьшается и наоборот. Дифференцируя (2.5) по f, можно найти fmax и соответствующее ему значение rmin:

                                                   (2.6)

          Как видно из выражения (2.6), для уменьшения этого "оптимального" значения rmin следует уменьшать D, Θ и a. Для уменьшения Θ можно использовать коллиматор, однако увеличение числа линз может привести к росту потери мощности в объективе (см.2.2), а - зависит от показателя преломления и формы поверхности линзы, значение ее имеется в задании или может быть найдено в литературе.

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ АКТИВНОЙ СРЕДЫ,

ОПТИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА И ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА

3.1. Расчет параметров активной среды

          Первым шагом в определении параметров АС является нахождение ее геометрических размеров: протяженности LAC и диаметра dAC, которые зависят от требуемого уровня генерации лазера Pл (Wл). Строгая зависимость  Pл от LAC и dAC достаточно сложна. C ростом LAC экспоненциально увеличивается усиление АС, но одновременно возрастают дифракционные потери внеосевого излучения. На практике для оценки  Pл (Wл), которую можно получить от лазера определенной протяженности АС, пользуются понятием удельной мощности  P1, Вт·м-1 (энергии  W1, Дж·м-1) - мощности (энергии), излучаемой АС протяженностью 1 м.  P1 (W1) зависит как от типа АС, так и от мощности лазера в целом. Возрастание dAC сопровождается увеличением объема АС и, как следствие, повышением Pл (Wл). Но одновременно с ростом dAC падает усиление АС, например в He-Ne лазерах ухудшаются условия охлаждения центральных областей АС, что замедляет нарастание уровня генерации.

          Анализ характеристик серийных лазеров и дополнительные экспериментальные данные показали, что в первом приближении с достаточной для инженерных расчетов точностью зависимости Pл (Wл) от  P1 (W1) и dAC можно аппроксимировать линейной функцией. Для определения P1 и dAC методом линейной аппроксимации следует воспользоваться сводкой данных из табл.3.1. Граничные значения диапазонов изменения указанных параметров Пi (P1, W1, dAC) и мощности Pл (энергии Wл) излучения выбранного типа лазера, приведенные в сводке, можно использовать для графического нахождения искомого параметра Пx (рис.3.1) по рассчитанному

ранее значению необходимой мощности (энергии) излучения проектируемого лазера. Далее находится протяженность активной среды лазера как LAC = Pлрасч (Wлрасч)/P1 (W1). Искомый параметр Пx может быть определен и алгебраически с помощью выражения типа Пx = a + bx, где: а = Пxmin, b - наклон зависимости Пi = f(Pл).

Рис.3.1. Определение параметров лазеров методом линейной аппроксимации