Расчет энергетических и электрических параметров лазеров. Элементы конструирования лазеров

5. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРОВ

5.1. Расчет мощности (энергии) накачки

На основании структурных схем трансформации мощности (энергии) накачки в ТТЛ (рис.4. 1) и ГРЛ (рис.4.5) с учетом пороговых условий генерации можно записать выражения, по которым рассчитываются энергия накачки импульсного лазера

;                                                 (5.1)

мощность накачки лазера непрерывного режима

;                                                 (5.2)

где Р_{пор АС}, (W_порАС) – пороговая  мощность (энергия) возбуждения активной среды лазера.

Пороговая энергия возбуждения АС определяется минимально возможным количеством частиц, которые необходимо возбудить на верхний лазерный уровень для выполнения условия возникновения генерации

W_порАС  = A nV W_возб,

где A – минимальная от общего числа доля возбуждения частиц (табл.3.1); п – концентрация частиц в АС; V - объем активной среды.

 Типичные значения концентрации частиц для АС ТТЛ приведены в табл.3.1. Для ГРЛ значения n рассчитываются, исходя из ранее найденного давления активной газовой среды: р = nkT_АС.

.                                                (5.3)

После определения W_H по (5.1) для ТТЛ из справочной литературы [11, 17, 20] и приложений необходимо выбрать лампы накачки, подходящие по энергии и размерам светящейся части. В мощных лазерах могут использоваться многоламповые системы накачки. При этом произведение числа ламп на их предельно допустимую энергию должно быть не менее рассчитанного значения W_H импульсного лазера. Кроме того, скорость подведения энергии накачки к АС для выбранной лампы должна превышать пороговое значение, определяемое (5.3):

,

где t_и – длительность импульса излучения лампы накачки.

Для импульсных ламп накачки, работающих в режиме периодической последовательности импульсов с частотой F, выше десятых долей герца, недопустимым является превышение паспортных значений предельно-допустимой средней потребляемой мощности P_{пред.доп} ≤ Wн F.

5.2. Расчет электрических параметров

газоразрядных лазеров и ламп накачки

Для газоразрядных приборов постоянного тока, к которым относится большинство ГРЛ и лампы накачки ТТЛ непрерывного режима, электрическая мощность Р_эл, потребляемая от источника накачки и называемая мощностью накачки P_н  (5.2), может быть определена как

,                                 (5.4)

где U – падение напряжения на приборе; I – разрядный ток; Е_z и L_пс – продольный градиент потенциала и протяженность положительного столба (см. 4.2); U_K – катодное падения потенциала.

Для газоразрядных лазеров L_пс = L_АС / η_геом. Определив в ходе предыдущих этапов расчета L_АС, Е_z, U_K, η_геом, следует вычислить значения падения напряжения на приборе U и, используя (5.4), рассчитать разрядный ток I.

Падение напряжения на лампах накачки ТТЛ непрерывного режима находится с учетом протяженности ее светящейся части, равной L_ПС, катодного падения потенциала в дуговом разряде (см.4.2) и продольного градиента потенциала Е_z в ПС (см. разд. 4 [1]). Значение Е_{z z} для криптоновых ламп непрерывного режима рассчитывается по эмпирической формуле