Лазерная техника

МИНИСТЕРСТВО  ОБЩЕГО  И  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ   РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

 

          СЕВЕРО - ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

 

 

 

            КАФЕДРА ПРИБОРОВ   КОНТРОЛЯ  И СИСТЕМ

            ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

 

 

 

 

 

 

 

 

   ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ

 

Рабочая программа

Методические указания  к изучению курса

    Задания на  контрольную работу

 

 

Факультет  машиностроительный

Специальность  190100 - Приборостроение

Специализация: 190105 - Контрольно-измерительные  приборы и системы

                           190120 - Приборы и системы таможенного, экспортного и                      импортного контроля

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   САНКТ-ПЕТЕРБУРГ  

1999

 

 

 

 

 

       Утверждено редакционно-издательским советом института

       УДК  621.378.001

 

  Поляков В.Е. Лазерная техника и технология. Рабочая программа,  методические указания, задания на контрольную работу.- СПб.: СЗПИ, 1999. -  стр. 23

 

 

Курс  охватывает основные разделы лазерной техники, включающие: свойства лазерного излучения, основные принципы работы лазеров, характеристики лазерного излучения, управление характеристиками лазерного излучения, типы лазеров и применение лазеров в технологии, голографии и спектроскопии.

Приведена рабочая программа  курса, даны методические указания к  его изучению, представлены варианты заданий на контрольную работу.

 

 

 

       Рассмотрено  на  заседании кафедры приборов  контроля и систем экологической  безопасности 24 декабря  1998 года  и одобрено методической комиссией  машиностроительного факультета 28 декабря 1998   года.

 

 

 

       Р  е ц е н з е н т ы:  кафедра приборов контроля и  систем экологической    безопасности  ( зав.каф.  Потапов    А.И., д-р  техн. наук, проф., Курчавова Т.П., канд. техн. наук., доц.), Воробьев Е.А., д-р.техн. наук., проф. член-корр. РИА.

 

 

 

 

 

     Составитель: Поляков В.Е., д-р техн. наук., проф.

 

 

 

 

                ã Северо-Западный заочный политехнический институт,1999

 

 

1. Рабочая программа (98 часов)

        Введение (2 часа)

 

Использование лазерных источников света в контрольно-измерительных  приборах, в различных областях научной и технической оптики. Исторический анализ развития и создания лазеров. Уникальность свойств лазерного излучения. Типы лазеров на органических и неорганических веществах. Настоящее и будущее лазеров. Общие задачи курса по изучению лазерной техники и лазерной технологии.

 

1.1.  ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ  (8 часов).

 

Свойства лазерного  излучения. Световые волны. Оптические единицы. Электромагнитный спектр. Плоские  и сферические волны. Принцип  суперпозиции. Монохроматичность лазерного излучения. Направленность (высоколимированное излучение) лазерного источника. Принципы Гюйгенса и дифракция. Яркость лазерного излучения. Радио и фотометрические величины. Интерференция света. Пятнистая структура лазерного излучения. Когерентность лазерного излучения. Измерение когерентности. Опыт Юнга, интерферометр Фабри-Перо, интерферометр Майкельсона.

Поляризация, виды поляризации, преобразователи поляризации, поляризация  лазерного излучения.

 

1.2. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ  ЛАЗЕРА. АКТИВНАЯ СРЕДА 

   (6 часов).

 

Дискретные энергетические состояния атома и перехода между  ними. Квантовые числа. Правила отбора и время жизни атома в возбужденном состоянии. Излучение и поглощение света, происходящее между атомами  и молекулами на примере двухуровневой  энергетической системы. Закон Бэра. Спонтанное излучение, вынужденное поглощение, вынужденное излучение. Соотношения Эйнштейна. Поглощение и коэффициенты усиления слабого сигнала. Инверсная населенность.

 

1.3.ЛАЗЕРНАЯ НАКАЧКА  (6 часов).

 

Оптические резонаторы. Закон Больцмана и населенность энергетических уровней. Создание инверсной населенности: двухуровневая накачка. Оптическая накачка трех- и четырехуровневых систем. Оптическая обратная связь. Лазерный резонатор. Коэффициент усиления при двухкратном прохождении резонатора. Пороговые условия стимулированной генерации. Формирование пучка в резонаторе. Условие устойчивости. Типы лазерных резонаторов.

 

 

1.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНОГО  ИЗЛУЧЕНИЯ (6 часов).

 

Уширение линий поглощения и излучения. Доплеровское уширение. Столкновительное уширение. Естественное (радиационное) уширение. Однородное и неоднородное уширение. Лазерные моды. Продольные моды лазера. Коэффициент добротности. Продольно-поперечные моды лазера Скорость накачки. Колебания значения коэффициента усиления. Выходная мощность. Пичковый режим генерации. Насыщение усиления в лазерах с неоднородным и однородным уширением линии излучения.

 

1.5. УПРАВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ  ЛАЗЕРНОГО     ИЗЛУЧЕНИЯ ( 6часов).

 

Управление лазерным излучением с помощью элементов  прикладной оптики (линзы, зеркала отражательные, светоделительные и т.п.). Внутрирезонаторные элементы. Селекция линии излучения лазера. Одномодовый режим работы лазера. Модуляция добротности. Электрооптические и акустооптические затворы. Пассивная модуляция добротности. Синхронизация мод.

 

1.6.ТИПЫ ЛАЗЕРОВ. ГАЗОВЫЕ  ЛАЗЕРЫ. (10 часов).

 

Схема энергетических уровней  Не-Nе-лазера. Электрическая схема  источника питания лазера. Характеристики Не-Nе-лазера. Лазеры на ионах инертных газов. Аргоновый лазер. Ионные лазеры на парах твердых веществ. Не-Cd-лазер. Молекулярные лазеры. СО₂ - лазер. Схемы энергетических уровней СО₂ -лазера. Лазер с поперечной накачкой и газодинамические лазеры. Лазер на азоте, или N₂-лазер. Химические лазеры. Эксимерные лазеры.

 

1.7. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ. (10 часов).

 

Активные среды твердотельных  лазеров. Рубиновый лазер. Схема энергетических уровней. Характеристики лазера. Гранатовый (ИАГ: Nd³⁺) лазер. Схема энергетических уровней. Характеристика неодимового лазера. Лазер на александрите. Накачка твердотельных лазеров импульсными лампами. Оптический резонатор твердотельных лазеров.

Полупроводниковые лазеры. Принцип работы. Диаграмма энергетических зон. Излучение p-n-перехода. Полупроводниковый лазер на основе GaAs.

 

1.8. ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ. (10 часов).

 

Жидкостные лазеры на красителях. Активные среды. Спектральные характеристики поглощения и люминесценции  этанольных растворов органических красителей. Характеристики красителей ряда кумаринов, оксазинов и родаминов. Энергетическая диаграмма лазера на красителях. Продольная и поперечная накачка жидкостного лазера, ламповая и когерентная накачки. Твердотельные лазеры на красителях на основе активированного полиметилметакрилата и эпоксидиановых полимеров. Характеристики жидкостных и твердотельных лазеров на красителях. Лазер с распределенной обратной связью на основе “ активной призмы” и “активного катета”. Свипирование линии генерации РОС-лазера.

 

 

1.9. ЛАЗЕРЫ С НЕТРАДИЦИОННЫМИ  СПОСОБАМИ     НАКАЧКИ. 

(10 часов).

 

Твердотельные лазеры с  оптическим источником накачки, использующие излучательные способности ударных волн, процессы горения пиротехнических смесей и оптическую составляющую процесса взрыва. Свечение абсолютно черного тела. Температура горения пиротехнических смесей. Гипотетический лазер, использующий в качестве активной среды атмосферу Венеры, а как источник накачки- излучение Солнца. Матричные лазеры в виде цилиндрических и сферических оболочек секционированных модулями. Гипотетический лазер на парах стронция. Инжекторы лазерной плазмы - плазменные и плазмодинамические лазеры.

 

1.10. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРЫ. (4 часа).

 

Мощность, как основное требование, предъявляемое к технологическим  лазерам. Мощные однокаскадные лазеры. Двух-и многокаскадные твердотельные  лазеры. Технологический СО₂ - лазер. Фокусировка лазерных пучков.

 

1.11. ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. (8 часов).

 

Некоторые свойства материалов. Термообработка стали  и чугуна с  целью закалки или отжига. Очистка  поверхности перед нанесением лакокрасочных  покрытий. Активизация поверхностей полимерных материалов перед склеиванием с металлическими материалами. Лазерная пайка. Скрайбирование сапфировых и кремниевых подложек в  электронной промышленности. Микрообработка и подготовка резисторов. Лазерная сварка. Лазерная резка материалов. Лазерные голография и спектроскопия. Прошивание отверстий с помощью лазерного излучения. Лазерный термоядерный синтез.

 

ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ. (12 часов)

1. Измерение спектров  поглощения и люминесценции активной  среды для лазеров на красителях (4 часа).

2. Изучение твердотельного лазера на ИАГ: Nd³⁺   и его характеристики (2 часа).

3. Измерение характеристик  твердотельного лазера на красителях  с поперечной (квазипродольной) накачкой (2 часа).

4. Измерение характеристик  и свойств стимулированного излучения  He-Ne-лазера (2 часа).

5. Изучение характеристик  лазера с распределенной обратной  связью с когерентной накачкой (2 часа).

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА.

 

Основная.

 

1.Тарасов Л.В. Физика  процессов в генераторах когерентного  оптического излучения.-М.: Радио  и связь, 1981. - 439 с.

2.Привалов В.Е. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах.-Л.: Судостроение , 1989. - 260 с.

3.Справочник по лазерам.  В двух томах /Пер. с англ. с изменениями и дополнениями. Под ред. А.М.Прохорова.-М.: Сов.  радио , 1978. - 760 с.

4.Базаров В.К. Полупроводниковые лазеры и их применение.-М.:Энергия, 1969. -  56 c.

5.О.Звелто. Принципы лазеров.-М.:Мир,1984. - 395 с.

6.Д.О¢Шиа, Р.Коллен, У.Родс. Лазерная техника.-М.:Атомиздат, 1980. - 256 с.

7. Промышленное применение  лазеров/ Под ред. Г.Кебнера:  Пер. с англ.-М.: Машиностроение, 1988. - 278 с.

8.О.Звелто. Физика лазеров  /Под ред. Т.А.Шмаонова.-М.:Мир, 1979. - 373 с.

9. Лазерная техника  и технология. В 7 кн./ Под ред.  А.Г. Григорьянца. - М.: Выс. школа. 1988. - 364 с.

Дополнительная.

 

10. Алешкевич В.А., Кисилев Д.Ф., Корчажкин В.В. Лазеры в лекционном эксперименте.-М.: Изд-во МГУ, 1985.  - 135 с.

11.Мансуров А.Н. Лазеры  и их применение в преподавании  физики.-М.:Просвещение.1984. -33 с.

12.Н.Г.Басов, И.Г.Лебо, В.Б.Розанов.  Физика лазерного термоядерного  синтеза.-М.:  Знание , 1988. - 171с.

13. Ю.В.Троицкий. Одночастотная  генерация в газовых лазерах.-Новосибирск.:  Наука, 1975. - 158 с.

14.Б.А.Виноградов, В.Б.  Копылов  Лазерная резка неметаллических  материалов.-Л.: ЛДНТП, 1987. - 33 с.

15. В.Е.Поляков, А.И.Потапов.  Твердотельные лазеры на красителях: Уч. пособие.- Спб, Изд-во СЗПИ, 1993. - 129 с.

16.Космическое оружие: дилемма безопасности. /Под ред.  акад. Е.П.Велихова.- М.:Мир.1966. - 182 с.

17.Гончаренко А.Н. Звездные  войны в стратегии империализма  США. -Киев.: Изд-во политической литературы Украины. 1988. - 201 с.

18.Аналитическая лазерная  спектроскопия.   / Под ред. Н.Оменетто. -М.:Мир. 1982. - 606 с.

19.Голография методы  и аппаратура /Под ред. В.М.Гинзбург, Б.М.Степанова. -М.: Сов. радио. 1974. - 275 с.

20. Абельсиитов Г.А., Велихов Е.П.,Голубев В.С. и др. Мощные газоразрядные лазеры и их применение в технологии. -М.: Наука. 1984. - 103с. 

21.Виноградов Б.А., Копылов  В.Б. Лазерная резка неметаллических  материалов. -Л.: ЛДНТП. 1987.  - 29 с.

22.Потапов А.И.,Черкасов В.Н. Лазерные методы дистанционного контроля атмосферы: Учеб. пособие . -Спб, СЗПИ: 1992. -  77 с.

23. Потапов А.И.,Черкасов  В.Н. Лазерные методы дистанционного  контроля водной среды: Учеб. пособие.- СЗПИ:  Спб, 1993. - 63 с.

24.Миногин В.Г., Летохов В.С. Давление лазерного излучения на атомы. -М.: Наука, 1986. - 222 с.

 

Тематический  план лекций  для студентов очно-заочной  формы обучения.(16 часов)

1. Введение. Механизм  поглощения, люминесценции и стимулированного  излучения. Устройство лазера. Классификация лазеров. (2 часа).

2.Свойства лазерного  излучения. Управление лазерным  излучением. (2 часа).

3.Оптические резонаторы. Накачка активных сред для  лазеров. Источники накачки. (2 часа)

4.Типы лазеров. Газовые  лазеры. Твердотельные и жидкостные  лазеры. (4 часа)

5.Лазерные технологии. (4 часа)

 

2. Методические  указания к изучению курса

Цель преподавания дисциплины

В курсе излагаются вопросы, связанные с изучением и расчетами  различных типов лазеров, которые  нашли широкое применение в измерительных  системах, оптической связи, оптической голографии, в технологии.

Целью преподавания курса  является получение знаниий о  физических принципов лазеров, характеристик  лазерного излучения, устройстве лазеров, включающих оптические резонаторы и  источники накачки.

Большое внимание уделяется изучению различных типов лазеров, их энергетическим характеристикам, возможностям и способам управления лазерным излучением.