litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 3 ... 7 8

Т а б л и ц а 1


Биологические эффекты, возникающие при облучении кожи лазерным излучением.





Наибольшую опасность для внутренних органов представляет сфокусированное лазерное излучение.


14

Однако необходимо учитывать, что и несфокусированное излучение может фокусироваться в глубине ткани тела человека. Степень повреждения внутрен­них органов в значительной мере определяется интенсивностью потока излучения и цветом окраски органа. Так, печень является одним из наиболее уязвимых внутренних органов. Тяжесть повреж­дения внутренних органов также зависит от длины волны падаю­щего излучения. Наибольшую опасность представляют излучения с длинами волн, близкими к спектру поглощения химических свя­зей органических молекул, входящих в состав биологических тканей.

Воздействие лазерного излучения на организм в целом. В опы­тах на животных и при клиническом обследовании лиц, работаю­щих с лазерами и подвергающихся воздействию малых доз излу­чения, показана возможность неблагоприятного действия лазерного излучения и на организм в целом.

У части работающих наблюдаются патологические изменения, проявляющиеся в виде функциональных расстройств в деятельно­сти центральной нервной системы, что выражается в повышенной возбудимости нервных процессов, наличие сдвигов в стволовых структурах мозга и т. п.

Имеют место также явления вегетативно-сосудистой дисфункции, нарушения сердечно-сосудистой регуляции. Это проявляется в неустойчивости артериального давления крови, повышенной потливости, склонности пульса к замед­лению.

У операторов лазерных установок иногда наблюдают повышенные раздражительность, утомляемость глаз и всего организма. Имеются данные об определенных изменениях в показателях пери­ферической крови, выражающихся в общем уменьшении клеточных элементов и в первую очередь гемоглобина, тромбоцитов, эритроцитов и лейкоцитов.


Экспериментальные данные показывают, что с помощью микровоздействия низкоэнергетического

излучения газовых лазеров ока­зывается возможным направленно изменить внутриклеточные био­химические процессы; в одних случаях стимулировать эти процес­сы, в других - вызывать их торможение.


15

Так, замечено, что в опре­деленных дозах красное монохроматическое излучение гелий-нео­нового лазера действует как биологической стимулятор, вызывая повышение регенеративной способности тканей.

Облучение глаз лазерным излучением сопровождается развитием дистрофических изменений в коре головного мозга.

Все это свидетельствует о том, что у людей, работающих с лазерными установками, могут возникать как патологические изменения, обусловленные тепловым механизмом действия излучения, так и различного характера функциональные изменения, обусловленные скрытыми биологическими эффектами. Чаще жалуются специалисты, работающие с излучением видимого диапазона в условиях малой освещенности, при сравнительно продолжительных воздействиях излучений на глаза, в тесных, мало приспособленных для проведения соответствующих работ помещениях.

В ряде случаев функциональные нарушения самостоятельно не проходят и требуют медицинского вмешательства. Несомненно большое значение в уменьшении неблагоприятного действия лазерного излучения на организм имеет строгое соблюдение соответствующих инструкций, правил и рекомендаций по технике безопасности при работе с лазерами. Меры безопасности при работе с лазерами складываются из использования общих (коллективных) и индивидуальных средств защиты и выполнения общих и индивидуальных мер предосторожности.

Общие меры предосторожности. Запрещается прямо смотреть на луч лазера или на его зеркальное отраже­ние, если плотность энергии превышает допустимые для глаза уровни облучения.

Не следует наводить луч лазера, глядя на него не­вооруженным глазом, так как необходимость наблюде­ния вдоль оси лазерного луча значительно увеличивает опасность поражения органа зрения в результате отра­жения.


Необходимо принимать меры, исключающие возмож­ность приближения персонала к предполагаемой траек­тории пучка с любой стороны.

16

Точки фокусировки пучка при работе ОКГ должны быть защищены диафрагмами; в конце пучка устанавливается ловушка для поглощения излучения и защиты от брызг, испарений и аэрозолей, выделяемых исследуемым веществом. Для уменьшения рассеяния света линзы, кюветы, призмы и другие уст­ройства, стоящие на пути распространения светового пучка, должны снабжаться блендами. На конечном уча­стке лазерного луча рекомендуется устанавливать ми­шень.

Все автоколлимационные оптические устройства и другие приспособления для визуальной юстировки ОКГ должны быть снабжены постоянно вмонтированными за­щитными фильтрами с полосой поглощения, включаю­щей как основную частоту лазера, так и ее наиболее интенсивные гармоники. Защитные стекла фильтров не­обходимо периодически проверять, чтобы гарантировать их оптическую плотность. Эти проверки необходимы, так как в процессе работы с мощными световыми потоками защитные стекла (очки) могут изменить свои первона­чальные оптические характеристики.

Нужно всегда помнить, что защитные очки с фильт­рами, задерживающими излучение на частоте, генери­руемой данной установкой, обеспечивают лишь частич­ную защиту. Необходимо использовать только те очки, которые рассчитаны на защиту от излучения данного лазера, при этом должна быть исключена возможность ошибочного применения очков, рассчитанных на другую длину волны. С этой целью рекомендуется применять оп­равы различного цвета, а на светофильтре указывать его оптическую плотность. Защитные очки, подвергшиеся воздействию излучения с высокой плотностью потока, могут частично утратить свои защитные свойства, и по­тому должны изыматься из употребления.

В процессе работы с лазерным излучением может появиться необходимость прерывания лазерного луча ог­нестойкой мишенью. И в этом случае обслуживающий персонал должен находиться на достаточно большом расстоянии от лучепроводящего тракта . В некото­рых случаях целесообразно даже ограждать весь тракт, используя для этой цели волноводы (световоды) .


17

Работы с лазерами должны проводиться при ярком общем освещении. В этом случае размеры зрачка наи­меньшие, что способствует уменьшению энергии излуче­ния, которая может случайно попасть в глаз.

Если работу с мощным лазером проводятся на от­крытом пространстве, то в этом случае запрещается пе­редвижение людей и транспорта, в том числе и воздуш­ного, в пределах потенциально опасных зон.

На лазерных установках средней мощности необхо­димо использовать блокировки и автоматические затворы для защиты глаз операторов. При работе с откры­тыми установками ОКГ запрещается вносить в зону луча блестящие предметы.

При проведении работ с импульсными ОКГ работаю­щих в импульсном режиме с очень малой частотой сле­дования импульсов (менее 0,1 Гц) должна быть уста­новлена сигнализация: световая - во время заряда кон­денсаторной батареи и звуковая - за 2-3 с перед излучением мощного импульса. На дверях помещения, в котором расположены особо мощные ОКГ, устанавли­вается предупредительная сигнализация в виде свето­вых табло, включающихся автоматически с началом за­ряда батарей конденсаторов. Световые сигналы должны быть хорошо различимы через защитные очки.

При использовании батарей конденсаторов с энер­гией полного заряда менее 15000 Дж они могут распо­лагаться в одном помещении с пультом управления. Ба­тареи большей энергии заряда следует располагать в соседнем блокируемом помещении или вне помещения, так как они могут при заряде разрушаться.

Ограждения, препятствующие проходу людей в зону с повышенной интенсивностью облучения, должны быть изготовлены из непрозрачного теплостойкого материала и могут представлять собой экраны, щиты, шторы, за­навески и т. п.

Мишень-устройство, ограничивающее распростра­нение лазерного луча, должна быть изготовлена из не­сгораемого и неплавящегося материала. Для создания рассеянного отражения поверхность мишени должна быть матового цвета, с возможно меньшим коэффициен­том отражения света на частоте излучения лазера.


18

Ок­ружающие мишень поверхности рекомендуется окраши­вать в светлый цвет для создания более благоприятных условий адаптации глаз. Широкое распространение по­лучили мишени, выполненные из асбоцемента. Еще луч­ше полностью исключить необходимость непосредствен­ного наблюдения воздействия лазерного луча на ми­шень. Для этой цели удобны устройства, включающие в себя отражающие фокусирующие приспособления с диффузионными экранами и телевизионной системой. Детектор света, размещенный в лаборатории, может дать необходимое представление об опасности отраженных лазерных лучей.

Химические и жидкостные лазеры могут быть опасны для здоровья людей (например, жидкостный лазер на оксигидрохлориде селения с длиной волны излучения 1,06 мкм).

При работе с лазерами следует всегда соблюдать правила пожарной безопасности. Даже при работе с ма­ломощными лазерами существует опасность возникнове­ния пожара и взрывов от взаимодействия лазерного из­лучения с некоторыми растворителями. Для уменьше­ния вредных последствий от взрывов рекомендуется ставить ловушки, укрепляемые над лазерной установкой.

Меры предосторожности при работе с электричеством. При использовании лазерных си­стем необходимо соблюдать общие меры предосторож­ности, принятые при работе с электричеством. Прежде всего необходимо следить за правильным размещением кабелей и другой электропроводки между источником питания и лазером, а также обеспечивать надежную за­щиту системы электропитания зарядки конденсаторов. Для предотвращения случайного или непреднамеренно­го срабатывания лазера следует очень тщательно проду­мать расположение кнопок пуска. Большое значение при этом приобретает также размещение регистрирующих и измерительных приборов. Кабели, различные соедине­ния, шкафы и переключатели должны содержаться в образцовом порядке.

Перед чисткой или ремонтом электрооборудования, связанного с зарядом конденсаторов, последние надо разрядить. Операторы не должны покидать помещение (оборудование) до



19

тех пор, пока с конденсаторов не будет снято напряжение (что проверяется вольтметром). Все схемы и цепи, находящиеся под напряжением, должны иметь кожухи, что устранит возможность случай­ного соприкосновения с этими элементами. Все кожухи и другие защитные устройства должны быть заземлены.

Индивидуальная защита. Ввиду того, что воздейст­вие лазерного излучения, особенно диффузно отражен­ного, на организм человека изучено недостаточно и пре­дельно допустимые гигиенические нормы' по монохрома­тическим излучениям в видимой и в соседних с ним об­ластях оптического диапазона пока еще твердо не уста­новлены, при решении вопросов защиты от излучений ОКГ следует стремиться к уменьшению плотностей по­токов энергии на рабочих местах.

Индивидуальная защита глаз достигается примене­нием специальных светофильтров, оптическая плотность которых на всех длинах волн, излучаемых ОКГ, должна быть достаточно большой для того, чтобы снизить интен­сивность облучения глаз до безопасной величины. В ка­честве светофильтров рекомендуется применять стекла с соответствующей оптической плотностью.

Цветные стеклянные фильтры обеспечивают ослабле­ние не более чем в 109 раз, очки с диэлектрическими по­крытиями —не более чем в 108.

Спектральная характеристика светофильтра очков должна обеспечивать не только достаточное подавление излучения ОКГ, но и пропускание большей части частот­ного спектра видимого света, с тем, чтобы работающий сохранил способность видеть достаточно хорошо пред­меты, за которыми он ведет наблюдение и которыми манипулирует, а также свет ламп, используемых в си­стеме световой сигнализации.

Форма оправы защитных очки) в должна быть такой, чтобы полностью исключить возможность попадания из­лучения ОКГ внутрь очков через щеки между оправой и лицом; оправа должна обеспечивать широкое поле зрения.

Во избежание утомления глаз из-за запотева­ния стекол оправа очков должна иметь светонепрони­цаемые щели для вентиляции.


20

Целесообразно иметь на­бор очков с коробчатой оправой, не препятствующей одновременному пользованию обычными коррегирующими очками. В паспорте на очки должен быть указан диапазон длин волн, на которые очки рассчитаны, а так­же указана величина оптической плотности светофильтров.

Для защиты глаз при работе с аргоновым лазером целесообразно использовать защитные очки и экраны из плексигласа янтарного цвета или из пластмассы рубино­вой окраски. Так, при работе с аргоновыми лазерами с мощностью излучения 3 -10 Вт можно использовать плексиглас типа «2442» янтарного цвета с оптической плотностью 2. Наряду с защитой от основного излуче­ния аргонового лазера необходима также защита от уль­трафиолетового излучения, исходящего от газоразряд­ных трубок лазерной установки.

Защита от ультрафиолетовых и инфракрасных лучей наиболее ответственна, так как глаз человека не вос­приимчив к ним.

При работе с такими лазерами (напри­мер, с лазерами на углекислом газе) мишень должна тщательно экранироваться, а руки и одежду следует держать как можно дальше от нее.

Надежную защиту глаз от невидимого инфракрасно­го излучения газового лазера на углекислом газе обес­печивает фильтр, выполненный из двух пластинок плав­леного кварца.

Излучение, газового лазера на гелий - неоне с ге­нерируемой длиной волны 0,63 мкм эффективно задер­живается фильтром из стекла Вg-18. Однако газовые и полупроводниковые лазеры могут генерировать помимо ультрафиолетового излучения и многие волны инфра­красной области, при этом инфракрасное излучение бла­годаря незначительной мощности какого-либо неблаго­приятного воздействия на глаз (при кратковременном действии) не оказывает. Однако облучение на протяже­нии длительного времени может* вызывать необратимые поражения глаз.

Лазеры на углекислом газе с длиной волны излуче­ния 10,6 мкм и мощностью свыше 100 кВт могут вы­звать ожоги поверхностных слоев роговицы, поскольку такое излучение почти полностью ею поглощается.



21


В соответствии с ГОСТ 9411—66 для применения в светофильтрах защитных очков реко­мендованы следующие марки стекол (табл.1).

Таблица 1

Некоторые параметры стекол, используемых для светофильтров






При работе с лазерами персонал должен быть одет в халаты, пользоваться защитными перчатками, специ­альными экранами для защиты кожи и защитными оч­ками. В первую очередь следует обеспечить надежную защиту от прямого излучения.

Таковы общие и индивидуальные меры по обеспече­нию требований по технике безопасности.

Порядок выполнения работы




  1. Включить твердотельный лазер согласно инструкции по эксплуатации.Получить устойчивую генерацию излучения лазера.

  2. Провести измерения энергии излучения с помощью измерителя ИКТ-1Н.

  3. Определить предельно допустимые уровни облучения сетчатки глаза для расстояний до источника излучения от 0, 5-3 (м) и диаметров зрачка адаптированного к темноте и дневному освещениюю.

  4. Составить отчёт о проделанной работе.


22

Контрольные вопросы.





  1. Основные, опасные и вредные производственные факторы при эксплуатации лазерного оборудования.

  2. Особенности воздействия лазерного излучения на биологические структуры.

  3. Воздействие лазерного излучения на глаза.

  4. Воздействие лазерного излучения на кожу и внутренние органы человеческого организма.

  5. Патологические изменения в организме человека при воздействии лазерного излучения.

  6. Общие правила безопасности при работе с лазерным излучением.



Литература.




  1. Средства и методы квантовой электроники в медицине. Саратов: Изд-во Саратовского университета,1976.


  2. Б. Н.Рахманов, Е. Д Чистов. Безопасность при эксплуатации лазерных установок. М.: Машиностроение, 1981.

  3. Лазерное излучение/ Под редакцией В. Я. Гранкина. М.: Изд. Министерства обороны СССР, 1977.



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2.


УСТРОЙСТВО И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОКГ.


ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение устройства и назначения основных элементов твердотельного лазера, сборка излучателя на рубине, юстировка и определение порогового значения энергии накачки рубинового лазера в режиме свободной генерации.


ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: кристалл синтетического рубина Al2O3 c примесью 3-х валентных ионов

23

Cr+ (активный элемент), отражатель, лампа накачки, зеркала резонатора, корпус излучателя, блок питания лампы накачки, система охлаждения, измеритель энергии ИКТ–1Н.


Теоретическое введение.


Для получения генерации света в твердотельных ОКГ используются переходы между энергетическими уровнями примесных ионов редкоземельных элементов, металлов и актинидов, вводимых в небольших количествах в кристаллы и аморфные тела (корунд, стекло и др.). Примесные ионы в этих веществах выполняют роль активного вещества (активатора), в котором при воздействии на него энергии накачки создается инверсная населенность, приводящая в определенных условиях к появлению стимулированного излучения.

Из большого количества твердых тел, обладающих способностью к излучению с различными длинами волн, практическое применение в квантовых генераторах нашли рубин (λ=0,69 мкм), стекло, активированное неодимом (λ=1,06 мкм) и иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ).

Квантовые генераторы на указанных выше активных элементах работают, как правило, с оптической накачкой, в качестве которой используется световая энергия импульсных или


Рис. 1 Схема устройства твердотельного ОКГ.


24

непрерывных ламп со спектром излучения, перекрывающим спектр поглощения активных элементов. Сравнительные характеристики некоторых типов лазерных материалов, приведены в таблице 1. ОКГ, в котором в качестве активного (излучающего) вещества используется твердое тело, состоит из активного элемента 1 (рис. 1), источника накачки 2, отражателя 3, зеркал резонатора 4, блока питания 5, системы охлаждения 6,7 и элементов управления излучением 8.

В оптических квантовых генераторах на твердом теле широкое применение в качестве активных элементов нашли кристаллы синтетического рубина Al2O3 с примесью 3–х валентных ионов хрома Cr3+ , иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12 , активированного неодимом, и различные сорта стекл с примесью неодима. Из теории лазерного излучения известно, что генерационные возможности материалов, используемых в качестве активных тел, в большей степени зависят от способности этих материалов поглощать подводимую энергию накачки. Чем больше поглощается энергия накачки в нужной полосе спектра, тем большую энергию излучения можно получить, и тем более высоким будет и к.п.д. активного тела.

Анализ спектров поглощения рубина, граната и стекла показывает, что введение в гранат ионов хрома существенно расширяет спектр поглощения этого материала. Бариевое стекло с неодимом имеет более широкие полосы поглощения, чем рубин и гранат с неодимом Это обстоятельство дает возможность при одинаковых источниках накачки получить со стекла большую энергию излучения и более высокий к.п.д. генераторов на стекле.

В качестве источников возбуждения (накачки) в твердотельных ОКГ используются, в основном, ксеноновые лампы. Спектр излучения ксеноновых ламп накач­ки существенно зависит от энергии, выделяющейся за время вспышки. Чем больше энергия (зависящая от температуры плазмы в лампе), выделяемая за время импульса (вспышки), тем выше доля световой энергии, приходящейся на более коротковолновую часть спектра. Если графики спектров поглощения активных тел сравнить с графиком



25


Таблица 1.

Характеристики некоторых лазерных материалов,

п
рименяемых в твердотельных ОКГ.



спектра излучения ксеноновой лампы, то можно заметить, что на спектр поглощения рубина приходится менее 30% полной световой энергии излучения лампы накачки.

Остальная энергия является бесполезной и даже вред­ной, поскольку она затрачивается на нагревание актив­ного элемента, оболочки лампы накачки и осветителя.

Отсюда вытекает важность соответствия спектра излучения источника накачки спектру поглощения активного тела.

Важными параметрами ламп накачки являются: предельная энергия вспышки, которую лампа может выдержать без разрушения оболочки, и постоянная величина, определяемая эмпирическим соотношением:



где C–емкость конденсатора, разряжающегося через лампу; U0–рабочее напряжение лампы накачки; l–длина разрядной трубки лампы накачки; k– постоянная, зависящая от конструктивных особенностей лампы накачки.

26

У
казанное соотношение показывает, что для каждой лампы накачки существует отдельный режим питания, характеризуемый произведением CU40, которое не должно превышать некоторой критической величины. При этих условиях увеличить предельную энергию вспышки лампы можно за счет увеличения длины лампы l или последовательного включения нескольких ламп. При этом придельная энергия возрастает значительно быстрее, чем увеличивается длина лампы. Предельная энергия может быть вычислена также из соотношения:


где d – внутренний диаметр лампы;

–длительность приложенного импульса,



определяемая индуктивностью L и емкостью C разрядного контура.

От отношения рабочей энергии Е вспышки к Епред существенно зависит срок службы ламп накачки. Так, при Е/Епред=1 число вспышек не превышает 10, при Е/Епред=0,5 это число увеличивается до 102... 103, а при Е/Епред=0,3 составляет уже 104... 105.

Из-за относительно малого коэффициента использо­вания световой энергии ксеноновых и криптоновых ламп накачки в настоящее время ведутся работы по созданию источников накачки другого типа, спектр излучения которых более, полно совпадает с полосами поглощения активных элементов.

Так, показано, что для увеличения эффективности ОКГ на рубине целесообразно использовать импульсные ртутные лампы.

При средней подводимой мощности 5... 6 кВт для ламп с размером разрядного промежут­ка 6x80 мм мощность излучения этих источников в об­ласти поглощения рубина в 1,5... 2 раза превышает мощность излучения ксеноновых ламп. Соответственно увеличивается и энергия излучения ОКГ.

Несмот­ря на разнообразие известных способов накачки, наибольшее практическое применение нашли системы накачки на 27

основе ламп импульсного и непрерывного действия.

Сопоставление спектров поглощения активных эле­ментов и спектральных характеристик излучения ламп накачки показывает, что коэффициент использования излучения импульсных ламп в ОКГ очень мал. Посколь­ку интенсивность возбуждения активаторов (хрома, нео­дима) зависит от плотности излучения источника накач­ки, необходимо обеспечить эффективную передачу энер­гии вспышки лампы накачки активному элементу ОКГ. Это достигается применением специальных осветителей или, как их в практике называют, отражателей. Основ­ное назначение этого элемента ОКГ состоит в фокуси­ровке излучения лампы на активном элементе. Для это­го внутренняя поверхность отражателя полируется и по­крывается отражающим материалом (серебром, золо­том). В прозрачных (кварцевых) отражателях исполь­зуются интерференционные покрытия, обеспечивающие селективное отражение только той доли света, которая находится в спектре поглощения активного элемента. Остальная часть света проходит через стенки отражате­ля, не отражаясь от них. Это позволяет уменьшить на­грев активного элемента и улучшить его генерационные характеристики. Лампа накачки и активный эле­мент помещаются в отражатель. В момент вспышки лам­пы накачки не поглощенная активным элементом часть света отражается стенками отражателя и снова направ­ляется на активный элемент. Таким образом за счет мно­гократного прохождения света через активный элемент интенсивность возбуждения активных частиц увеличива­ется.


При создании квантовых генераторов наиболее широ­кое применение находят отражатели (рис.2) цилиндрический, эллиптический и полиэллиптический. Цилиндри­ческий отражатель используется в случае, когда источни­ком возбуждения служат лампы накачки 2 в виде спира­ли (рис.2,а). Если в качестве источника используются стержневые лампы, то наиболее эффективным является применение отражателей с эллиптическим и полиэллипти­ческим сечением. В эллиптическом отражателе (рис.2,6)активный элемент располагается по одной

фокальной оси, а лампа накачки - по другой.

28


При та­ком расположении лампы и элемента большая часть све­тового потока лампы, отражаясь от эллиптической по­верхности отражателя, собирается в окрестности другой фокальной оси, где расположен активный элемент. Еще большая концентрация энергии на элементе получается в полиэллиптическом отражателе.


Рис. 2 Отражатели цилиндрические(а), эллиптические(б), полиэллиптические(в): 1 - активный элемент; 2 – лампа накачки;

3 – отражатель.


Многообразие оптических схем лазеров предусматривает применение различных оптических элементов, на которые в зависимости от их функционального назначения наносятся отражающие или просветляющие пленочные покрытия для различных длин волн (для создания таких применяются тонкие диэлектрические пленки). Достижения в области вакуумной техники и тонкопленочной технологии позволяют наносить на различные материалы однородные пленки заданной толщины.

Синтез сложных пленочных систем с заданными параметрами проводится с использованием вычислительных машин.

Критериями качества оптических пленочных материалов

29

являются: отсутствие потерь на рабочей длине волны; однородность на апертуре элемента; высокая адгезия и твердость и минимальные механические напряжения; химическая инвертность; устойчивость к воздействию лазерного излучения; отсутствие пористой структуры. Последнее требование связано с тем, что выделение паров воды из пор пленки в процессе нагрева или их поглощение при охлаждении приводит к обратимым изменениям оптической толщины покрытия, что в свою очередь сдвигает спектральные характеристики покрытий.


В настоящее время широкое распространение для создания диэлектрических пленок получили окислы SiO2, Si2O3, Al2O3, MgO, ZrO2, TiO2, фториды MgF2, ThF4 и сульфид цинка ZnS отражающие покрытия образуются нечетным числом четвертьволновых пленок попеременно с высоким и низким показателями преломления.

Причем крайние пленки имеют большой показатель преломления. В видимой и ближней инфракрасной областях спектра используются следующие комбинации пленок: ZnS - ThF2; TiO2 - SiO2; ZrO2 - SiO2.

Суммарные потери в диэлектрических отражающих покрытиях на поглощение и рассеяние составляют 0,1-0,2%.Наибольшей лучевой стойкостью к импульсному лазерному излучению обладают зеркала на основе Zr02 и SiO2 (50-70 Дж/см2 при Δt=10-15 нс), а наименьшей - покрытия на основе TiO2 и SiO2 (5-8Дж/см2). Причем во втором случае разброс по порогам разрушения для различных технологий и длин волн более значителен. Низкие пороги разрушения покрытий на основе слоев ТiO2 и SiO2 наблюдаются в области длин волн вблизи 0,532 мкм.

В основе действия просветляющих покрытий лежит принцип согласования по отражению, в силу которого с помощью промежуточного слоя с показателем преломления n3= можно свести к минимуму потери на отражение от двух границ с показателями преломления п1 и n2.


При отклонении согласующего показателя преломления от идеального (п3) коэффициент отражения приблизительно

30

равен (n3—n3)2. Для двухслойного просветляющего покрытия минимальный коэффициент отражения.

[ (n2n23—n24n1)/( n2n23+n24n1) ],

где n1показатель преломления воздуха; n3,n4 - показатели преломления для диэлектрических слоев в порядке нанесения их на подложку. Зависимость минимального коэффициента отражения от длины волны излучения имеет U-образный вид и подобные просветления называются U-покрытиями. В ультрафиолетовой области спектра используются однослойные покрытия из MgF2 или двухслойные U-покрытия из Аl2O3 и MgF2.Что касается видимой и ближней инфракрасной областей спектра, то здесь применяются диэлектрические пленки из всех ранее перечисленных соединений. Так для просветления кристаллов LiNbO3 и ВaNaNb5O15 используются диэлектрические пленки из ZnS и МgF2 для λ≈1 мкм и четырехслойные покрытия из МgF2, ZnO и SiO2.Диэлектрические покрытия из SiO2 являются одним из наиболее прочных покрытий, предохраняющих от механических воздействий. Однако покрытия из SiO2 позволяют получать просветление не меньше 0,2%.



Порядок выполнения работы.


  1. Изучить устройство твердотельного лазера, особенности основных элементов, определяющих временные и энергетические характеристики генератора.

  2. Собрать излучатель и оптическую схему генератора на рубине для реализации режима свободной генерации.

  3. Провести юстировку полуконфокального резонатора лазера.

  4. Определить пороговое значение энергии накачки.

  5. Составить отчет о проделанной работе


Контрольные вопросы.


  1. Устройство и принцип работы твердотельного лазера на рубине.

31


2. Кинетические (балансные) уравнения для трехуровневой модели.

  1. Режим свободной генерации твердотельного лазера.

  2. Пороговое значение энергии накачки.


Литература.


  1. Б.Р. Белостоцкий, Ю.В. Любавский, В.М. Овчинников Основы лазерной техники. М., “Советское радио”, 1972.

  2. А.С. Батраков. Квантовые приборы. Л., “Энергия”, 1972.

  3. 3.С.Г. Рябов , Г.Н. Тропкин , И.Ф. Усольцев. Приборы квантовой электроники. М., “Советское радио”, 1976.

  4. О. Звелто. Физика лазеров. М., ‘Мир’, 1979.



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№3

ЮСТИРОВКА ОПТИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ И ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ.


ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение методов юстировки резонаторов твердотельных и газовых лазеров.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: излучатель твердотельного лазера, набор резонаторных зеркал, гелий- неоновый лазер ЛГН- 109, диоптрийная трубка, автоколлиматор типа АКТ- 400, светофильтры, гелий- неоновый лазер ЛГН- 208А.


Теоретическое введение.

Под юстировкой резонатора следует понимать точное выставление и ориентировку зеркал, активного тела и других элементов внутри резонатора. В общем случае оптический


32

резонатор считается отьюстированным, если выполнены такие условия:

1) центры зеркал и их центры кривизны находятся на одной линии- оси резонатора;

2) ось активного элемента и ось резонатора совпадают.

От точности юстировки оптических элементов лазера в значительной степени зависят выходные параметры генерации. Как показывают опыты, энергетические, спектральные и другие характеристики лазерного излучения очень чувствительны к разьюстировке зеркал резонатора. Изменяется также модовая структура и пространственная индикатрисы излучения в ближней зоне.

Методы юстировки оптических резонаторов. Главная цель юстировки- добиться генерации. Дальнейшие коррективы производятся легко- по максимуму энергии генерации или по картине распределения поля излучения.

Рассмотрим наиболее распространенные методы юстировки /1-3/.

Автоколлимационный метод. При использовании автоколлиматора совмещают изображения автоколлимационной метки от заднего («глухого») зеркала при последовательной установке активного тела и других элементов резонатора (так называемый метод на просвет) и, наконец, выходного зеркала.

В случае газовых лазеров активный элемент (трубка с газом) должен быть центрован, ориентирован по оси резонатора. В случае твердотельных лазеров из-за неоднородности кристалла изображение метки размывается, и активный стержень приходится ориентировать совмещением автоколлимационных меток от заднего зеркала, от торца стержня и от выходного зеркала (так называемый метод трех меток). Этот способ имеет недостатки: не учитывая реальное смещение луча из-за градиента коэффициента преломления (после прохождения через кристалл


33

луч может отклоняться на несколько угловых минут); кроме того, невозможно избежать клинообразности стержня. Очевидно, при юстировке методом трех меток порог генерации будет выше.

В автоколлимационном методе точность установки определяется увеличением автоколлиматора. Если две удаленные точки видны из центра зрачка объектива автоколлиматора под углом пр, то со стороны окуляра видимый угол будет (рис. 1).


Рис. 1. Ход лучей в автоколлиматоре.


пр (1)

где - угловое увеличение системы. Так как разрешающая способность глаза пр =60, то

= 60 (2)

Метод оптического рычага предусматривает применение для юстировочных целей маломощного газового лазера типа ЛГН-208А (рис. 2).

34






Рис. 2. Юстировка резонатора методом оптического рычага.


Луч от лазера 1 через отверстие в зеркале 2 попадает в резонатор (А- активный элемент) отражается от его зеркал 4 и 5, отражается от зеркала 2 и попадает на экран 3, где наблюдается ряд светлых точек. Если точки исчезли, т. е. совместились с отверстием диафрагмы, то резонатор отьюстирован. Очевидно, точность юстировки зависит от L («плечо оптического рычага»).

Интенрференционный метод (рис. 3) заключается в том, что луч от газового лазера 1 проходит через отверстие экрана 2 и слаборассеивающую линзу 3, отражается от зеркал резонатора 4 и 5, давая на экране интерференционную картину в виде концентрических колец.

Если картина четкая и центрирована относительно источника света, то зеркала параллельны, и резонатор отьюстирован. Данный метод, как и предыдущие, пригоден прежде всего для плоских резонаторов. В случае сферических зеркал их следует диафрагмировать и работать лишь с параксиальными лучами.


35

Р

ис. 3. Интерференционный метод юстировки резонатора.

Юстировка сферического резонатора осуществляется с помощью газового лазера 1 в такой последовательности. Снимают активный элемент. Вблизи зеркал 2 и 5 ставят диафрагмы 3 и 4 (рис. 4) и центрируют систему до тех пор, пока лучи не будут выходить за пределы отверстий диафрагмы. После этого устанавливают и центрируют систему до тех пор, пока лучи не будут выходить за пределы отверстий диафрагм. После этого устанавливают и центрируют активный элемент.

Юстировка с помощью диоптрийной трубки. Для маломощных гелий-неоновых лазеров с полуконфокальными резонаторами этот метод применяется наиболее часто. Наблюдения ведут при горении разряда через выходное зеркало с применением светофильтра. Опишем последовательность операций на примере лазера ЛГН­­-109.

1. Юстировка начинается с выставления и центрирования активного элемента ( перед юстировкой проверить заземление лазерной головки), чтобы со стороны переднего (плоского) зеркала он просматривался по всей длине.

2. Наблюдая со стороны переднего зеркала, совместить изображение зрачка глаза с центром (осью) трубки активного

36




Рис. 4. Юстировка резонатора со сферическими зеркалами.


элемента. Для этого, найдя изображение заднего конца трубки, юстировочными винтами плоского зеркала совмещают изображения зрачка и заднего конца трубки. (Как должен выглядеть задний конец трубки, легко понять, если посмотреть через какую-нибудь стеклянную трубку в сторону окна.)

3. Аналогичную операцию (п.3) произвести с задним зеркалом.

4. Прислонить диоптрийную трубку к лазерной головке со стороны выходного зеркала. Навести (сфокусировать) её на заднее зеркало. Юстировочными винтами заднего зеркала добиться того, что в центре было ярко светящееся пятно, окруженное темным кольцом, а далее - снова светлый фон. Яркость светящегося пятна должна легко изменяться юстировочными винтами. Если же этого не наблюдается, повторить более внимательно п.4.


5. Перевести фокусировку диоптрийной трубки на переднее зеркало. При этом одновременно будут видны интер-ференционные кольца, характерные для интерферометра Фабри-Перо, и изображение светящегося пятна от заднего зеркала.


37


Юстировочными винтами выставить переднее зеркало так, чтобы светящееся пятно вышло в центр концентрических колец. При этом должна возникнуть генерация. Следует помнить, что в момент возникновения генерации визуальные наблюдения с диоптрийной трубкой необходимо прекратить. Дальнейшие коррективы осуществляются при наблюдении за пучком на экране.

Если генерация не возникает, рекомендуется:

а) протереть торцы активного элемента ватным тампоном, смоченным в спирте, а затем протереть сухой чистой тканью и, наконец, снять ворсинки беличьей кисточкой;

б) снять пыль и ворсинки с зеркал беличьей кисточкой;

в) изменить (увеличить или уменьшить) разрядный ток. Для юстировки лазеров с неустойчивыми резонаторами применяют специальные методы /2/.

Порядок выполнения работы.


1. Изучить технические описания и условия эксплуатации лазеров ЛГН-109 и твердотельного лазера, а также работу автоколлиматора АКТ-400 , диоптрийной трубки.

2. Провести юстировку резонатора лазера ЛГН-109 с помощью диоптрийной трубки; при этом необходимо получить устойчивую генерацию лазера.

3. Выполнить юстировку плоскопараллельного резонатора лазера автоколлимационным методом

4. Провести юстировку конфокального резонатора, образованного сферическими зеркалами, твердотельного лазера.

5. Составить отчёт о проделанной работе.


38


Контрольные вопросы.

1. Принцип работы и устройство He-Ne лазеров.

2.Методы юстировки оптических резонаторов: автоколлимационный метод, метод оптического рычага, интерференционный метод.

3.Юстировка оптического резонатора, He-Ne лазеров с помощью диоптрийной трубки.


4.Влияние разъюстировки зеркал резонатора на генерационные характеристики излучения лазера.

Литература.


1. Б.Р. Белостоцкий, Ю.В. Любавский, В.М. Овчинников Основы лазерной техники. М., «Советское радио», 1972.

2. Л.В. Ковальчук, Н.А. Свеницкая Методы юстировки лазеров с неустойчивыми резонаторами./Квантовая электроника, 1972,№11, с.80.

3. П.Н. Эверетт Способ юстировки зеркал лазеров на твердом теле с помощью газового лазера./Приборы для научных исследований, 1966, т.37, с.128.



<< предыдущая страница   следующая страница >>