ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ. В учебной вычислительной лаборатории кафедры 26 имеется пакет прикладных программ, разработанных на языке Delfi 4[1]

В учебной вычислительной лаборатории кафедры 26 имеется пакет прикладных программ, разработанных на языке Delfi 4 [1]. Программа «rubin_energy.exe» позволяет осуществить расчет основных энергетических характеристик излучения ОКГ на рубине.

После запуска программы «rubin_energy.exe» на экране компьютера появляется окно. В нем предлагается выбрать энергетический параметр излучения (интенсивность, мощность, пороговый уровень накачки и эффективность активного вещества лазера) для дальнейшего исследования в ходе лабораторной работы. Выбор осуществляется посредством установления отметки «точка» непосредственно напротив выбранного варианта. Для перехода к следующему окну необходимо нажать кнопку «ОК». Если в процессе выбора была допущена ошибка, необходимо нажать в рабочем окне кнопку «Cancel», после чего введенные данные будут уничтожены.

После того, как был сделан выбор, на экране компьютера должно появиться еще одно окно, где перечислены параметры, от которых зависит выбранная для исследования энергетическая характеристика. В этом окне напротив каждого из указанных параметров необходимо ввести его начальную величину, выбрать тот параметр, который должен изменяться, задать его конечное значение и шаг.

Например, в первом окне был выбран вариант, связанный с исследованием мощности излучения ОКГ на рубине. Тогда в следующем рабочем окне должны появиться параметры, от которых зависит мощность излучения рубинового лазера: напряжение накачки U _нак, длина рубинового стержня l, площадь торцевой поверхности рубинового стержня S _т,коэффициент потерь b. Слева напротив каждого из перечисленных параметров необходимо ввести его характерное значение (для изменяемой величины - начальное), а справа - установить отметку «точка» напротив того параметра, который в дальнейшем будет изменяться, т.е. служить аргументом для функции мощности. Кроме того, в этом окне нужно задать конечное значение изменяемого параметра и шаг, с которым он должен меняться. Ввод всех величин осуществляется в предложенном порядке, причем в цифровых значениях, содержащих дробную часть, последняя должна отделяется от целой части «^, ».

После ввода исходных данных необходимо нажать в рабочем окне кнопку «ОК», и программа выполнит расчет указанной энергетической характеристики в зависимости от указанного параметра. Если в процессе ввода исходных данных была допущена ошибка, необходимо нажать в рабочем окне кнопку «Cancel», после чего все введенные данные будут уничтожены, и можно начать ввод исходных данных заново.

Исходные данные для выполнения лабораторной работы:

- концентрация ионов хрома в единице объема n = 1,6×10¹⁹ 1/см³ = 1,6×10²⁵ 1/м³;

- относительная диэлектрическая проницаемость рубина e = 1,327;

- длина волны излучения l₂₁ = 0,6943 мкм;

- сечение индуцированного перехода с рабочего уровня на основной s₂₁ = 2.8×10^-24 м²;

- время жизни на рабочем уровне t₂₁ = 4×10^-3 с;

- коэффициенты отражения зеркал резонатора r ₁ = 1,0 и r ₂ = 0,5;

- длина рубинового стержня l = 0,1 м;

- площадь торцевой поверхности рубинового стержня S _т» 3×10^-5 м²;

- коэффициент потерь b = 5 м^-1;

- длительность импульса накачки t_нак = 10^-3 с;

- напряжение накачки U _нак = 1000 В;

- емкость конденсатора блока питания системы накачки С = 1500 мкФ.

В процессе выполнения лабораторной работы предлагается выполнить следующие исследования:

1. Исследование зависимости интенсивности излучения рубинового лазера от напряжения накачки J _изл(U _нак). При этом предлагается U _нак изменять в пределах от 1000 В до 1500 В с шагом 50 В.

2. Исследование зависимости мощности индуцированного излучения рубинового лазера от напряжения накачки и параметров активного вещества.

1) исследование зависимости мощности индуцированного излучения рубинового лазера от напряжения накачки Р _изл(U _нак); пределы изменения напряжения накачки U _нак и шаг выбираются аналогичными предыдущему пункту.

2) исследование зависимости мощности индуцированного излучения рубинового лазера Р _изл(l) от длины рубинового стержня l, при изменении величины l в пределах от 0,05 м до 0,15 м с шагом 0,01 м.

3) исследование зависимости мощности индуцированного излучения рубинового лазера Р _изл(S _т) от площади торцевой поверхности рубинового стержня S _т, при изменении ее величины в пределах от 2×10^-5 м² до 4×10^-5 м² с шагом 10^-6 м².

4) исследование зависимости мощности индуцированного излучения рубинового лазера Р _изл(b) от величины потерь в кристалле рубина b, при этом коэффициент b должен меняться в пределах от 5,0 м^-1 до 10,0 м^-1 с шагом 1,0 м^-1.

3. Исследование зависимости порогового уровня мощности накачки от свойств кристалла рубина.

1) исследование зависимости порогового уровня мощности накачки К _пор от длины рубинового стержня l, при этом l меняется в пределах от 0,05 м до 0,15 м с шагом 0,01 м.

2) исследование зависимости порогового уровня мощности накачки К _пор от величины потерь в кристалле рубина b; при исследовании этой зависимости коэффициент b должен меняться в пределах от 5,0 м^-1 до 10,0 м^-1 с шагом 1,0 м^-1.

4. Исследование эффективности преобразования энергии в активном веществе.

1) исследование зависимости эффективности рубинового стержня от напряжения накачки, т.е. h_эфф(U _нак);

2) исследование зависимости эффективности активного вещества рубинового лазера от длины рубинового стержня, т.е. h_эфф(l);

3) исследование зависимости эффективности активного вещества рубинового лазера от площади торца рубинового стержня, т.е. h_эфф(S _т);

4) исследование зависимости эффективности активного вещества от величины коэффициента внутренних потерь, т.е. h_эфф(b);

5) исследование зависимости h_эфф(К) от величины коэффициента К, определяющего превышение мощности накачки над ее пороговым значением.

При этом аргументы зависимостей h_эфф(U _нак), h_эфф(l), h_эфф(S) и h_эфф(b) должны изменяться в пределах, указанных в предыдущих разделах, К в пределах от 2 до 10.

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Цель работы.

2. Зависимость интенсивности излучения рубинового лазера от напряжения накачки J _изл(U _нак).

3. Зависимость мощности индуцированного излучения рубинового лазера от напряжения накачки Р _изл(U _нак).

4. Зависимость мощности индуцированного излучения рубинового лазера от длины рубинового стержня Р _изл(l).

5. Зависимость мощности индуцированного излучения рубинового лазера от площади торцевой поверхности рубинового стержня Р _изл(S _т).

6. Зависимость мощности индуцированного излучения рубинового лазера от величины потерь в кристалле рубина Р _изл(b).

7. Зависимость порогового уровня мощности накачки от длины рубинового стержня К _пор(l).

8. Зависимость порогового уровня мощности накачки от величины потерь в кристалле рубина К _пор (b).

9. Зависимость эффективности рубинового стержня от напряжения накачки h_эфф(U _нак).

10. Зависимость эффективности активного вещества рубинового лазера от длины рубинового стержня h_эфф(l).

11. Зависимость эффективности активного вещества рубинового лазера от площади торца рубинового стержня h_эфф(S _т).

12. Зависимость эффективности активного вещества от величины коэффициента внутренних потерь h_эфф(b).

13. Зависимость эффективности активного вещества от величины коэффициента К, т.е. h_эфф(К).

14. Анализ полученных зависимостей и выводы о проделанной лабораторной работе.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Нарисуйте структурную схему твердотельного лазера. Поясните принципы его работы.

2. Нарисуйте диаграмму энергетических уровней иона хрома в рубине.

3. Дайте определение интенсивности излучения. Запишите размерность этой величины.

4. Какой переход используется для генерации излучения в рубиновом лазере? На какой длине волны осуществляется излучение?

5. Какие энергетические уровни называются метастабильными?

6. Запишите кинетические уравнения для трехуровневой квантовой системы рубина.

7. Запишите уравнения баланса.

8. Запишите условие возникновения инверсии населенностей в рубине.

9. Определите теоретическую пороговую интенсивность накачки для рубина.

10. Определите теоретическую пороговую мощность и энергию накачки.

11. Запишите условие генерации с учетом коэффициентов отражения и потерь в кристалле.

12. Дайте определение эффективного коэффициента потерь b_эфф.

13. Запишите выражение для порогового уровня накачки К_пор через b_эфф.

14. Дайте определение параметра интенсивности накачки.

15. Из каких составляющих складывается КПД ОКГ на рубине?

16. Как определяется эффективность активного вещества?