Войти в мой кабинет
Регистрация
ГОТОВЫЕ РАБОТЫ / КУРСОВАЯ РАБОТА, ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА

Численное моделирование параметров оптических резонаторов двухволновых лазеров.

cool_lady 396 руб. КУПИТЬ ЭТУ РАБОТУ
Страниц: 33 Заказ написания работы может стоить дешевле
Оригинальность: неизвестно После покупки вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100% с помощью сервиса
Размещено: 09.04.2021
Американские исследователи А. Фокс и Т. Ли первыми взялись за исследование оптического резонатора. Они отлично понимали, что расчёты оптического интерферометра Фабри - Перо, по существу не отличающегося от резонатора лазера, здесь непригодны. Дело в том, что применение интерферометра Фабри - Перо в классической оптике предусматривает освещение его извне световыми волнами, плоские фронты которых падают на интерферометр параллельно его зеркалам. В интерферометре возникает система стоячих плоских волн. Кроме того, в оптических интерферометрах поперечные размеры зеркал обычно превосходят расстояние между ними. В лазере ситуация полностью меняется. Энергия не поступает в его резонатор-интерферометр извне. Она выделяется внутри его. Причем процесс самовозбуждения лазера состоит в том, что случайно возникшая в нем слабая волна постепенно усиливается внутри резонатора в результате многочисленных пробегов от одного зеркала к другому и обратно. А расстояние между зеркалами много больше, чем их размеры.[1]
Введение

Численное моделирование пространственного распределения электромагнитных волн в заданных конфигурациях оптических резонаторов с учетом оптимизации модуляции добротности и нелинейного преобразования для двухволновых лазеров на длине волны 1,064 нм остается актуальной в настоящее время. Развитие в технологии изготовления активных сред для улучшения теплофизических и механических их свойств, а также создание новых кристаллов с нелинейно-оптическими свойствами, требует модернизации вычислительных сред для инженерного проектирования и оптимизации параметров оптических генераторов. Учитывая развитие микропроцессорной техники и вычислительных мощностей современной электронной аппаратуры, с разработанным программным обеспечением для методов численного моделирования сложных и многодиапазонных дискретных систем,можно констатировать, что значительно сократилось вычислительное время таких вычислений. При создании источников когерентного излучения необходимо исследовать параметры оптического резонатора в диапазоне от 300 до 6000 нм. Наиболее проработанным численным методом для оптического диапазона является теория Фокса-Ли, которая позволяет многократными простыми вычислительными операциями достаточно точно смоделировать пространсвенное распределение, это метод относится к «группе» -«brutalforce».
Список литературы

1)Теория Фокса и Ли [Электронный ресурс]. URL: https://studbooks.net/1924985/matematika_himiya_fizika/teoriya_foksa (дата обращения: 19.05.2019) 2)Устройство лазера [Электронный ресурс]. URL: https://studfiles.net/preview/4614799/page:3/(дата обращения: 12.05.2019) 3) Физика: Механика. Механические колебания и волны. Молекулярная физика. Термоденамика [Электронный ресурс]. URL:https://studref.com/375051/matematika_himiya_fizik/barometricheskaya_ formula(дата обращения: 10.05.2019) 4) Электронная библиотека - Квантовые генераторы и усилители - (Рус.). - URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/6609(дата обращения: 16.05.2019) 5) Менушенков А. П. Физические основы лазерной технологии / А. П. Менушенков, В. Н. Неволин, В. Н. Петровский. - М.: Лань - 2010. - С. 116-117. 6) Ананьев Ю. А. Оптические резонаторы и лазерные пучки / Ю. А. Анапньев. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. - 264 с. 7) Пашковский С.. Вычислительные применения многочленов и рядов Чебышева / С. Пашковский. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1983. - 384 с. 8) Гуртов В. А. Оптоэлектроника и волоконная оптика / В. А. Гуртов: ПетрГУ, 2005. - С. 146-147.
Отрывок из работы

1 ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ РЕЗОНАТОР Лазер состоит из трех основных частей: активная среда, устройство накачки и оптический резонатор. Иногда добавляют и устройство термостабилизации. Рисунок 1 - Блок-схема лазера Активная среда. Рабочей средой лазера для создания двухволновых лазеров типично выступает твердое тело (кристалл, стекло, керамика). В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана: [2] N=N_0 exp((-E)/kT) ,(1) гдеN - число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E; N0 - число атомов, находящихся в основном состоянии; k - постоянная Больцмана; T - температурасреды. Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, чтофотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтомуэлектромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов.Интенсивностьизлучения при этом падает позакону Бугера:[3] I_l=I_0 exp?(-a_1 l) , (2) где I0 - начальная интенсивность; Il - интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе; a1 - показатель поглощениявещества. Поскольку зависимостьэкспоненциальная, то при увеличении интенсивности излучения, показатель поглощения также будет расти. В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Интенсивность вынужденного излучения преобладает над поглощением, и излучение усиливается по закону: I_l=I_0 exp?(a_2 l) ,(3) где a2 - коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе. Эти потери связаны с насыщениеметастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощениепримесями, неидеальность отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и прочее). Для резонансного поглощения и усиления за счет вынужденного излучения необходимо, чтобы волна проходила сквозь материал, атомы или системы атомов которого "настроены" на нужную частоту. Разность энергетических уровней (E2 – E1), для атомов материала, должна быть равна частоте электромагнитной волны умноженной на постоянную Планка: E_2-E_1=hn.(4) Для того чтобы вынужденное излучение превышало поглощение, необходимо чтобы атомов на верхнем энергетическом уровне было больше, чем на нижнем. Обычно этого не бывает. Более того, всякая система атомов, на достаточно длительное время предоставленная самой себе,при низкой температуре приходит в равновесие со своим окружением, т.е. достигает состояния наинизшей энергии. При повышенных температурах часть атомов системы возбуждается тепловым движением. Квантовые состояния одинаково заполненыпри бесконечно высокой температуре. Но так как температура всегда конечна, большенство атомов находится в низшем состоянии, и чем выше состояния, тем менее они заполнены. Если при абсолютной температуре T в низшем состоянии находится n0 атомов, то число атомов в возбужденном состоянии, энергия которого превышает энергию низшего состоянияна величину E, описывается распределением Больцмана: n=n0e-E/kT, где k - постоянная Больцмана. Поскольку атомов, находящихся в низших состояниях, в условиях равновесия всегда больше, чем в высших, в таких условиях всегда преобладает поглощение, а не усиление за счет вынужденного излучения. Избыток атомов в определенном возбужденном состоянии можно создавать и поддерживать, только искусственно переводя их в это состояние, причем быстрее, чем они возвращаются к тепловому равновесию. Система, в которой имеется избыток возбужденных атомов, стремится к тепловому равновесию, и ее необходимо поддерживать в неравновесном состоянии, создавая в ней такие атомы. Резонатор. Оптический резонатор представляет собой систему из двух зеркал, подобранных таким образом, чтобы возникающее в резонаторе вынужденное излучение многократно усиливалось, проходя через активную среду, помещенную между зеркалами. В рассматриваемой лазерной системе будут монтироваться дополнительные устройства, такие как модуляторы,нелинейные криссталы, специализированные зеркала (с заданным коэффициентом пропускания, дихроичные), многослойные фильтрующие покрытия и объемные насыщающиеся поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длительность импульсов, длину волны, и другое. Твёрдые тела, обычно активируется добавкой небольшого количества ионов неодима, хрома, эрбия или титана. В основном используются кристаллы: литиево-иттриевый фторид (YLF), алюминиевый гранат (YAG), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, хром-сапфир (известный также как рубин), титан-сапфир, легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются полупроводниковы лазером (источноком накачки). Энергию от источника накачки(импульсная лампа, дуговая лампа,электрический разрядник, другой лазер, химическая реакция или даже взрывчатое вещество) преобразует активнная среда. Тип используемого устройства накачки определяет способ подвода энергии к системе, а также напрямую зависит от используемого рабочего тела. Например,лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG лазеры) - сфокусированный свет полупроводникого лазера, а гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси. Целью резонатора в лазере является создание положительной оптической обратной связи, то есть условий для преобразования оптического квантового усилителя в оптический квантовый генератор. Рисунок 2 - Типы оптических резонаторов Открытые оптические резонаторы «Открытый оптический резонатор представляет собой систему двух отражающих поверхностей, обращенных друг к другу. Между ними находится активное (рабочее) вещество лазера. Отражающие поверхности могут быть зеркалами различной формы (сферической, плоской, параболической), интерфейсами между средами с различными показателями преломления или гранями призм полного внутреннего отражения. Расстояние между отражающими поверхностями определяется усиливающими свойствами используемой среды и может варьироваться от долей миллиметра в полупроводниковых лазерах до нескольких метров, например, в газовых лазерах». Рисунок 3 - Структурная схема открытого резонатора «Наиболее распространенным видом открытого резонатора считается система из двух плоских зеркал, обращенных друг другом к отражающим поверхностям. Чтобы вывести излучение из резонатора, отражающие плоскости выполнены либо частично отражающими, либо 1 полностью, а вторая частично отражающими. Как правило, отражающие плоскости зеркал формируются с помощью опор покрытий, состоящих из нескольких слоев диэлектрических материалов, количество которых может быть более 10. С опорой нескольких слоев диэлектрических покрытий можно получить отражение коэффициент больше 99% на рабочей длине волны. Однако для полупроводниковых лазеров коэффициент отражения зеркал резонатора менее важен (для GaAs, когда излучение покидает невесомую среду, он оставляет ~ 32%) и обеспечивается френелевским отражением границы раздела полупроводник-воздух». Добротность резонатора Колебательные системы как правило характеризуются добротностью Q. Под добротностью оптического резонатора знают значение: Q=2? E_полн/(E_потерь (T)) , (5) где Eполн - полная энергия, запасенная в резонаторе; Eпотерь(T) - энергия, потерянная за период T. Из (5) следует, что изменение энергии E?, сохраняемой в режиме с частотой ? во времени dt. dE_?=-E_? ?/Q dt.(6) Значит, запасенная в резонаторе энергия вследствие утратстанет уменьшаться по экспоненциальному закону: E_? (t)=E_? (0)e^(-(?/Q)t). (7) То есть подобно изменению во времени мощности излучения традиционного осциллятора. «Для вывода излучения наружу одно из зеркал резонатора должно быть частично пропускающим (полупрозрачным). Это определяет необходимые необходимые затраты на резонатор, называемые потерями на излучение». Пусть коэффициент отражения зеркала, через которое излучается излучение, равен R. За это время коэффициент пропускания этого зеркала составляет T = (1-R). Если длина резонатора L???, то энергия, потерянная за единицу времени, равна: ? E?_? (1-R)c/2L. (8) Из (6) получаем добротность резонатора: Q=2?L/(1-R)c=2kL/((1-R)) , (9) где k=2?/?. Потери в открытом оптическом резонаторе: Неустранимые: затраты на выход излучения через зеркала, геометрические затраты и расходы на дифракцию. Из-за несовершенства системы: затраты на поглощение и рассеяние в материале зеркал расходы из-за смещения. рассеяние на неоднородностях интенсивной среды. нерезонансное поглощение. 2УСТОЙЧИВЫЕ И НЕУСТОЙЧИВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ «Резонатор называется несбалансированным, если случайный луч света, попеременно отражаемый от двух зеркал, удаляется на неограниченно большое расстояние от оси резонатора. Резонатор, в котором пучок повторяющихся отражений остается в пределах ограниченной области, называется постоянным». Рисунок 4 - Схемы неустойчивого резонатора Несбалансированные резонаторы. «Игнорируя широкую область применения стойких резонаторов, они имеют один довольно серьезный недостаток. Это было произведено в очень маленьких поперечных объемах ведущей моды, которая фактически связана с эффектом фокусировки лазерных зеркал. Таким образом, при длине резонатора около 1 м и длине волны, лежащей в видимом спектре, радиус луча режима возбуждения составляет порядка 1 мм. В неуравновешенных резонаторах, g-факторы которых изменяются в областях g1g2> 1 и g1g2> 0, фон не фокусируется близко к оси, и, с хорошим приближением, распределение его амплитуды можно считать однородным, и волна фронт сферический. Однако в случае неуравновешенных резонаторов возникает другая проблема, связанная с тем, что сами лучи хотят покинуть резонатор, увеличивая затраты энергии. Не в последнюю очередь, этот прецедент может применяться, помимо прочего, как выдающиеся качества, в случае, если эти лучи, выходящие из резонатора, подключены к желаемому выходному лазерному излучению». Рисунок 5 - Симметричный двухторцовый неустойчивый резонатор Для описания полей в неуравновешенных резонаторах, в мощности более неторопливых, чем в устойчивых резонаторах, поперечная конфигурация амплитуды и фазы является абсолютно подходящим геометрическо-оптическим приближением. Рассмотрим симметричный двухсторонний неуравновешенный резонатор. «Как и прежде, будем надеяться, что сама мода формируется суперпозицией двух или двух сферических волн постоянной интенсивности. Центры P1 и P2, из которых исходят эти волны, не совпадают с центрами кривизны зеркал 1 и 2, но их координаты легко определить, используя следующий принцип самосогласования: сферическая волна, исходящая из точки P1, впоследствии отражение от зеркала 2 требуется, чтобы дать сферическую волну, выходящую из P2, и наоборот». Чисто геометрическое обсуждение приводит к следующему выражению для величины r, показанной на рисунке 5: r={[g^2 (g^2-1)]^(1/2)+g^2-g}^(-1). (10) Легко видеть, что когда, пучок излучения перетекает из одного зеркала в другое, размер пятна от любой сферической волны увеличивается в М раз, а размер М ориентируется выражением: M=g+(g^2-1)^(1/2). (11) Значение М именуют однопроходным коэффициентом наращивания. Предполагая, что поперечное рассредотачивание освещенности является однородным, издержки за одинпроход,возможно, записать в виде: ?=(S_2-S_2)/S_2 =(M^2-1)/M^2 , (12) где S1 и S2 - площади поперечного сечения луча, выходящего из точки P1 соответственно на зеркалах 1 и 2. «Резонатор, показанный на рисунке 5, редко используется на практике. Асимметричные конфокальные резонаторы используются гораздо шире. 1 из возможных конфигураций такого резонатора показан на рисунке 6». Рисунок 6 - Конфокальный неустойчивый резонатор «Неуравновешенная мода конфокального резонатора обеспечивает суперпозицию сферической волны, исходящей из совместного фокуса и плоской волны. Пучки последних, покидая резонатор, создают узкий пучок на выходе. Таким образом, помимо хорошего заполнения интенсивными препаратами излучения, неуравновешенные резонаторы обеспечивают небольшую угловую расходимость выходного излучения, приближающуюся к дифракционному пределу». Плюсы стойких резонаторов: Небольшие геометрические затраты (небольшой порог генерации); Неплохое качество луча (максимальная интенсивность в центре, небольшая расходимость излучения). Устойчивые к дефектам резонаторы: фон концентрируется близко к оси и не охватывает весь размер интенсивного вещества; невозможность использования полностью отражающей оптики. В лазерах с наибольшим усилением интенсивной среды и в тех случаях, когда необходимо получить световые лучи с наибольшей мощностью или энергией, небалансные оптические резонаторы находят практическое применение. «Преимущества неуравновешенных резонаторов: фон не стремится концентрироваться близко к оси и, как следствие, в режиме одной поперечной моды можно получить потрясающий объем моды; обеспечить вероятность хорошего выбора поперечных мод; вполне возможно ввести полностью отражающую оптику (используется в сильных лазерах и инфракрасном излучении) . Дефекты в несбалансированных резонаторах: поперечное сечение балки имеет форму кольца (в центре балки есть черное пятно; распределение интенсивности в пучке неоднородно и содержит изображение нескольких дифракционных колец; По сравнению со стабильным, неуравновешенным резонатором более чувствителен к перекосу зеркала». Конфокальный резонатор «Простым случаем такового резонатора считается резонатор, состоящий из двух схожих сферических вогнутых зеркал, фокусы коих связаны в одной точке. Эта система считается обычным случаем резонатора раскрытого на подобии». Рисунок 7 - Структурная схема открытого конфокального резонатора «На практике лазерный резонатор изготавливается в большинстве случаев из двух параллельных зеркал. Эти зеркала имеют все шансы быть с плоскими или изогнутыми поверхностями. В соответствии с этим радиусом кривизны и расстоянием различают различные типы резонаторов. Наиболее распространенное изображение резонатора - конфокальный резонатор. Конфокальный резонатор отличается от всех других конфигураций резонаторов с наименьшими дифракционными потерями. Эта полость использует 2 вогнутых зеркала с одинаковыми радиусами кривизны b. Длина полости L соответствует радиусу кривизны (L = b). Например, поскольку в вогнутых зеркалах фокусное расстояние f соответствует половине радиуса кривизны (f = b/2), то фокусы обоих резонаторных зеркал одинаковы».
Не смогли найти подходящую работу?
Вы можете заказать учебную работу от 100 рублей у наших авторов.
Оформите заказ и авторы начнут откликаться уже через 5 мин!
Похожие работы
Курсовая работа, Теплоэнергетика и теплотехника, 29 страниц
400 руб.
Курсовая работа, Теплоэнергетика и теплотехника, 31 страница
450 руб.
Курсовая работа, Теплоэнергетика и теплотехника, 12 страниц
500 руб.
Курсовая работа, Теплоэнергетика и теплотехника, 22 страницы
2000 руб.
Курсовая работа, Теплоэнергетика и теплотехника, 25 страниц
2000 руб.
Служба поддержки сервиса
+7(499)346-70-08
Принимаем к оплате
Способы оплаты
© «Препод24»

Все права защищены

Разработка движка сайта

/slider/1.jpg /slider/2.jpg /slider/3.jpg /slider/4.jpg /slider/5.jpg