Экспериментальная лазерная установка

Лабораторная лазерная установка создана на базе квантрона QF.203.12000. Квантрон QF.203.12000 является наиболее мощной модификации излучателей на ИАГ, использующих метод накачки дуговыми лампами. В квантроне используются кристалл ИАГ 8/130. Конструктивное выполнение квантрона представлено на рисунке 2.1.1.

Рис. 2.1.1. Конструктивное выполнение квантрона QF.203.12000

Конструкция квантрона допускает использование различных ламп накачки – как типа ДНП, так типа ИНП.

Импульсные лампы накачки с ксеноновым наполнением и жидкостным охлаждением предназначены для импульсного режима работы активных элементов твердотельных лазеров. Технические характеристики импульсных ламп накачки представлены в таблице 2.1.1

Таблица 2.1.1

Накачка ИАГ кристалла лазерной установки МГИУ 1 осуществляется с помощью импульсных газоразрядных ламп ИНП-6/120 способом стабилизации напряжения на накопительных конденсаторах и разряда накопительных конденсаторов на лампу в режиме «частичного» разряда. Блок питания непрерывной дуговой лампы накачки твердотельного лазера БНП – 6/60.

· Вес _____________________________________ 10 кг

Рис.2.1.2. Источник питания ламп накачки

Рис. 2.1.2 Источник питания ИПИ-650/600

Настоящая работа выполнялась при средней мощности генерации излучения 300Вт. Мощность лазерного луча определялась с помощью калориметрического измерителя мощности Comet 1K с диапазоном измерения 0.02 – 1 КВ и погрешностью 5%. Длительность генерируемого импульса составляла 1мс, а мощность импульса регулировалась посредством изменения частоты их следования при сохранении средней мощности излучения.

2.2.Расчёт оптической системы лазерной установки

Так как излучение твердотельных лазеров обладает большой расходимостью возникает необходимость в специальном устройстве – коллиматоре.

Расчёт расходимости излучения необходимого для фокусировки лазерного излучения в пятно диаметром 0,2 мм при фокусном расстоянии линзы 65 мм по проводился по следующей формуле:

мрад.

Исходя из полученного значения и зная расходимость излучения выходящего из лазера найдём угловое увеличение коллимирующей системы:

,

где - расходимость лазерного пучка на выходе из коллиматора; - расходимость пучка выходящего из излучателя.

.

Исходя из полученного значения можно найти диаметр пучка на выходе из коллиматора:

м.

Найдём так же глубину фокуса по формуле:

,

где - длина волны лазерного излучения; - порядок моды.

м.

Так как в процессе работы меняется расстояние от коллиматора до объектива то и диаметр пучка падающего на линзу объектива будет непостоянен. Для определения максимального диаметра пучка необходимо найти наибольшее расстояние от коллиматора до объектива:

,

где - минимальное расстояние от коллиматора до линзы объектива 500 мм, и - рабочее поле координатного стола равное 800 и 700 мм соответственно.

м.

Зная максимальное расстояние до объектива определим диаметр луча на его линзе по формуле:

м.

Примем световой диаметр объектива м.

Зная максимальный диаметр пучка излучения можно подобрать необходимый размер зеркал А´В=50´40 мм.

Расчёт телескопа – расширителя лазерного луча

В предыдущем пункте мы рассчитали, что угловое увеличение коллимирующей системы должно быть равно . Чаще всего для коллимации применяют телескопические системы, линзовые или зеркальные. Первый компонент как правило отрицательный, это сокращает габариты коллимирующей системы, исключает появление нежелательных тепловых явлений из-за отсутствия промежуточного действительного изображения, что особенно важно при большой мощности излучения.

Зная диаметр пучка излучения на входе и выходе коллиматора подберём диаметры линз. Во избежании аберраций диаметр первой линзы возьмём 20 мм, а диаметр второй линзы возьмём 40 мм.

Найдём фокусное расстояние линз по формуле , тогда фокусное расстояние линз равно 80 и 160 мм соответственно. Зная фокусные расстояния рассчитаем габаритный размер коллимирующей системы :

мм.

Расчёт объектива

Требуется система для концентрации излучения с фокусным расстоянием мм и световым диаметром мм. Такая оптическая система должна иметь большую светосилу, также необходимо обеспечить минимальный путь прохождения излучения в ней, что даёт возможность минимизировать самофокусировку лазерного пучка в материале линзы, что также способствует увеличению интенсивности в сфокусированном пятне. Однако эти преимущества светосильной оптики реализуются при отсутствии или малой величине аберраций в пределах угловой расходимости лазера.

Для описанных выше условий хорошие результаты даёт плоскогиперболоидная линза, полностью свободная от сферической аберрации. Также положительным фактом является распространение в материале такой линзы параллельного пучка лучей, что снижает влияние самофокусировки, особенно легко развивающейся в сходящихся пучках.

Радиус второй поверхности линзы равен бесконечности. Радиус первой поверхности определим по формуле:

,

где - показатель преломления материала линзы для нм, , тогда радиус первой поверхности равен:

Уравнение профиля анаберрационной поверхности имеет вид:

,

где - стрелка прогиба поверхности; - координата входного зрачка (радиус линзы), мм.

Толщину линзы по оси определим по формуле:

,

где - минимальная толщина линзы по краю. Для линзы объектива принимаем

мм,

что бы определить решим уравнение профиля анаберрацционной поверхности.

;

Вычислим дискриминант квадратного уравнения:

;

;

при этом получается два корня:

мм

мм

Принимаем мм.

Тогда толщина линзы равна:

мм.

Таким образом насчитанная плоскогиперболоидная линза имеет следующие конструктивные параметры:

Радиус первой поверхности, мм	25.3535
Радиус второй поверхности, мм	µ
Толщина линзы, мм	8.1
Материал линзы	К8
Показатель преломления при длине волны нм,	1,50707