ЛР компы
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра фотоники
ОТЧЕТ
по лабораторной работе №3
по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника»
Тема: «СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ»
Студенты гр. 9201 |
|
Рауан М. Денисов Д.С. Игнатович Р.С. Шиленко Н. |
Преподаватель |
|
Дегтерев А. Э. |
Санкт-Петербург
2022
1. Цель работы: исследование спектров оптического поглощения материалов, используемых в качестве активных элементов твердотельных лазеров.
2. Схема измерительной установки:
Рисунок 1 – Диаграмма энергетических
уровней
и
и схема работы рубинового лазера
Рисунок 2 – Упрощенная диаграмма
энергетических уровней
в стекле
и схема работы неодимового лазера
Рисунок 3 – Оптическая схема установки для измерения спектров пропускани
Обработка результатов эксперимента
Расчет показателя преломления (
;
):
Расчет показателя поглощения будет
вестись относительно формулы вида
,
где
и у
означает градуировку по исследуемому
материалу – рубину (1) или стеклу (2).
Таблица 1. Зависимость показателя поглощения от длины волны для стекла, а также расчет показателя поглощения
|
500 |
505 |
510 |
515 |
520 |
525 |
530 |
535 |
540 |
|
26,5 |
21,8 |
19,2 |
12,2 |
8,9 |
2,07 |
43,1 |
61,3 |
68 |
|
117,04 |
126,95 |
127,36 |
141,74 |
179,43 |
206,80 |
234,34 |
257,57 |
274,28 |
|
545 |
550 |
555 |
560 |
565 |
567 |
569 |
571 |
575 |
|
67,3 |
55,3 |
35,7 |
10 |
0,4 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
|
301,24 |
311,25 |
338,38 |
331,61 |
311,25 |
283,81 |
253,06 |
220,68 |
189,81 |
|
577 |
580 |
582 |
584 |
586 |
588 |
590 |
595 |
600 |
|
0,1 |
0,5 |
1 |
1,8 |
4,2 |
7,1 |
10,2 |
20,7 |
34,9 |
|
167,49 |
141,26 |
121,28 |
112,61 |
101,03 |
94,80 |
91,82 |
85,29 |
83,39 |
|
605 |
610 |
615 |
620 |
625 |
630 |
635 |
640 |
645 |
|
53 |
71,8 |
72,4 |
74,4 |
82,9 |
85,2 |
86,1 |
86,5 |
85,8 |
|
86,40 |
94,50 |
97,24 |
103,64 |
122,86 |
150,84 |
154,06 |
163,21 |
178,03 |
|
650 |
655 |
670 |
675 |
680 |
685 |
690 |
695 |
700 |
|
84,1 |
80,2 |
59,3 |
59 |
69,5 |
78,1 |
83,4 |
85,1 |
84,1 |
|
166,25 |
174,62 |
188,26 |
184,48 |
188,26 |
185,98 |
170,67 |
167,49 |
164,42 |
|
705 |
710 |
715 |
720 |
725 |
727 |
730 |
732 |
735 |
|
81,4 |
74,4 |
57,5 |
27,8 |
6 |
2,1 |
0,8 |
0,9 |
1,6 |
|
152,44 |
155,71 |
133,85 |
111,17 |
130,34 |
104,63 |
93,30 |
78,91 |
96,32 |
|
740 |
745 |
750 |
755 |
760 |
765 |
770 |
775 |
780 |
|
6,5 |
19,4 |
29,6 |
47,4 |
53,3 |
48,6 |
34,8 |
17,6 |
7,2 |
|
82,32 |
72,91 |
89,22 |
80,21 |
73,39 |
70,51 |
84,47 |
78,40 |
66,11 |
|
782 |
784 |
786 |
788 |
790 |
792 |
794 |
796 |
798 |
|
4,4 |
2,7 |
1,8 |
1,2 |
0,8 |
0,7 |
0,8 |
1,7 |
3,4 |
|
81,79 |
72,18 |
78,65 |
63,20 |
83,66 |
75,86 |
63,42 |
58,68 |
63,42 |
|
800 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
70,27 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2. Зависимость показателя поглощения от длины волны для рубина, а также расчет показателя поглощения
|
340 |
345 |
350 |
355 |
360 |
365 |
370 |
375 |
380 |
|
31,1 |
29,2 |
26,5 |
23 |
15,6 |
13,5 |
10 |
7,4 |
6 |
|
120,67 |
123,66 |
130,72 |
135,72 |
139,64 |
145,12 |
148,95 |
154,47 |
155,50 |
|
385 |
390 |
395 |
400 |
405 |
410 |
415 |
420 |
425 |
|
4,3 |
3,3 |
3,2 |
3,1 |
3,9 |
5,2 |
7,1 |
9,5 |
11,1 |
|
154,98 |
154,47 |
150,43 |
147,02 |
141,44 |
135,72 |
127,91 |
121,04 |
114,96 |
|
430 |
435 |
440 |
445 |
450 |
455 |
460 |
465 |
470 |
|
16,6 |
22 |
27,6 |
27,1 |
30,2 |
33,4 |
36,5 |
34,7 |
36,6 |
|
108,24 |
101,34 |
96,90 |
90,72 |
85,67 |
81,36 |
74,87 |
60,19 |
53,03 |
|
475 |
480 |
485 |
490 |
495 |
500 |
505 |
510 |
515 |
|
32,3 |
32,9 |
34,1 |
30,2 |
28,2 |
22 |
22,3 |
20,2 |
17,4 |
|
53,40 |
54,53 |
54,53 |
54,34 |
54,15 |
53,96 |
53,59 |
53,21 |
52,84 |
|
520 |
525 |
530 |
535 |
540 |
545 |
550 |
555 |
560 |
|
16,7 |
15,9 |
12,1 |
13 |
15,2 |
16,6 |
17,1 |
18,1 |
20,3 |
|
52,65 |
52,10 |
52,10 |
52,65 |
52,65 |
52,10 |
51,73 |
51,36 |
50,62 |
|
565 |
570 |
575 |
580 |
585 |
590 |
595 |
600 |
605 |
|
21,4 |
24,2 |
26 |
29,7 |
32 |
34,7 |
34,2 |
38,2 |
39,1 |
|
50,26 |
49,72 |
49,72 |
49,54 |
49,72 |
49,90 |
50,62 |
51,17 |
51,17 |
|
610 |
615 |
620 |
625 |
630 |
635 |
640 |
645 |
650 |
|
37,9 |
40,3 |
41,1 |
44,9 |
42,9 |
43,7 |
44,1 |
44,2 |
41,6 |
|
52,65 |
52,10 |
52,10 |
21,36 |
51,54 |
50,62 |
52,10 |
39 |
44,1 |
|
655 |
660 |
665 |
670 |
675 |
680 |
685 |
690 |
700 |
T,% |
40,2 |
41,6 |
44 |
41,7 |
40,8 |
43,7 |
38,7 |
40,4 |
43,8 |
|
37,7 |
41,5 |
78,65 |
63,2 |
83,6 |
75,8 |
63,4 |
58,7 |
70,3 |
Рисунок 4.
Рисунок 5.
Рисунок 6.
Рисунок 7.
Идентифицируем полосы поглощения с соответствующими переходами между энергетическими уровнями исследованного рубина:
Лазер
на рубине работает по трехуровневой
схеме первого типа. Поглощение излучения
накачки происходит в двух полосах
с максимумами при
,
соответствующих оптическим переходам
из основного состояния 4А2
в состояния 4F1 и 4F2
(Е0→Е2).
Экспериментально максимум полосы
поглощения
приходится на
,
а полосы поглощения
приходится
.
После накачки происходит безизлучательная
релаксация
на уровни 2Е, с которых происходят
вынужденные оптический переходы
с генерацией излучения в линиях
и
.
Идентифицируем полосы поглощения с соответствующими переходами между энергетическими уровнями исследованного неодима:
Накачка неодимового лазера происходит с помощью оптических переходов с уровня 4I9/2 (основное энергетическое состояние Е0) на вышележащие уровни F и P (Е3). Канал генерации разделен по четырехуровневой схеме, что снижает пороговое значение энергии накачки.
Экспериментально, максимумы поглощения приходятся на длины волн:
Определим процентное содержание
и концентрацию ионов хрома в образце
рубина. Плотность рубина
равна
:
Рассчитаем коэффициенты Эйнштейна
для соответствующих переходов. Коэффициент
преломления рубина
.
Для полосы :
Для полосы :
Рассчитаем коэффициент Эйнштейна
из соотношения:
Рассчитаем интегральное поперечное
сечение поглощения
для
в рубине:
,
Выводы: в ходе выполнения лабораторной
работы было произведено исследование
спектров оптического поглощения
материалов, используемых в качестве
активных элементов твердотельных
лазеров. Основой работы было снятие
зависимости коэффициента оптического
пропускания
от длины волны
.
Следствием этого стало установление
того, что оглощение излучения накачки
происходит в двух полосах
с максимумами при
,
соответствующих оптическим переходам
из основного состояния 4А2
в состояния 4F1 и 4F2
(Е0→Е2), а также максимум
полосы поглощения
приходится на
,
а полосы поглощения
приходится
.
Сличая коэффициенты Эйнштейна
,
видно различие несущественно. Аналогичный
вывод можно сделать и касательно
интегрального поперечного сечения
поглощения
для
в рубине (
,
).