15. Режимы работы лазерных генераторов. Характерные параметры мощностей и длительностей импульсов в различных импульсных режимах.

Определяются характе-ром действия источника накачки лазера и законом изменения добротности оптич. резонатора лазера. Если резонатор имеет пост, уровень потерь (и, соответственно, пост, добротность), то лазер работает в режиме свободной генерации. При этом временной характер выходного излучения лазера определяется временным характером накачки: при непрерывной накачке излучение непрерывно, при импульсной оно носит импульсный характер.

В газовых, жидкостных и ПП лазерах форма импульса излучения близка к форме импульса накачки, в твердотельных лазерах в начале лазерного импульса имеются переходные пульсации, затухающие за время жизни верх, лазерного уровня. Часто в излучении твердотельных лазеров наблюдаются хаотич. пульсации интенсивности, связанные с флуктуациями добротности или длины оптич. резонатора.

Отдельно следует выделить режимы генерации повторяющихся импульсов:

• Импульсно-периодический (ИП), подразумевающий генерацию импульсов в режимах свободной генерации либо модуляции добротности с частотами повторения 5 - 100000-Hz

• Квазинепрерывный режим. В этом режиме частота повторения достигает десятков GHz. Характерным отличием от ИП режима является то, что средняя мощность квазинепрерывной генерации сопоставима с пиковой мощностью составляющих импульсов. Он используется в локации, связи, различных технологических процессах.

Для получения коротких мощных импульсов излучения лазера используют режим модуляции добротности резонатора: во время действия накачки лазерный затвор вводит в резонатор дополнит, потери, препятствующие возникновению свободной генерации; после выключения потерь (выключения лазерного затвора) энергия возбуждения, запасённая в активной среде, излучается в виде короткого (10-10 с) и мощного (10-10 Вт) импульса лазерного излучения. Режим модуляции добротности удаётся получить в твердотельных лазерах и некоторых видах газовых лазеров, имеющих достаточно продолжит, время жизни верх, лазерного уровня, позволяющее накапливать на нём возбуждённые атомы активной среды. Режим модуляции добротности можно осуществить как при импульсной накачке лазера (затвор открывается только в конце действия импульса накачки), так и при непрерывной накачке (затвор открывается и закрывается периодически с частотами от неск. десятков Гц до неск. десятков кГц).

Дальнейшее сокращение длительности лазерных импульсов (до неск. десятков пс) достигается в режиме модуляции добротности при синхронизации мод оптич. резонатора, осуществляемой с помощью акустооптич. или электро-оптич. лазерного затвора либо насыщающегося поглотителя. Интерференция многих (до 1000) продольных одновременно существующих мод колебаний в резонаторе лазера приводит к появлению вместо короткого лазерного импульса наносекундной длительности серии сверхкоротких лазерных пичков пикосекундной длительности. Самые короткие импульсы удаётся получить при синхронизации мод в лазерах с большой шириной спектральной линии лазерного перехода. Предельно достижимая длительность сверхкоротких лазерных импульсов при полной синхронизации мод равна обратной полуширине спектра генерируемых мод.

16. Эффект Доплера для электромагнитных волн. Неоднородное доплеровское уширение линии люминесценции в газовых лазерах. Использование лазерного излучения в измерительных системах (дальномеры, измерители скорости)

Эффектом Доплера называется изменение частоты волн, регистрируемых приемником, которое происходит вследствие движения источника этих волн и приемника.

Источник, двигаясь к приемнику как бы сжимает пружину – волну.

	Доплера эффект для электромагнитных волн (в оптике)	Частота электромагнитной волны, воспринимаемой приемником, зависит только от относительного движения (сближения или удаления) источника и приёмника: , здесь – релятивистский фактор;  – угол между вектором и вектором , соединяющим источник с приемником; , где u – модуль скорости относительного движения источника и приемника; с – скорость света в вакууме.
	Доплера эффект поперечный	Эффект наблюдается для электромагнитных волн при и имеет чисто релятивистский характер.

 Если источник движется относительно приемника вдоль соединяющей их прямой, то наблюдается продольный эффект Доплера:

• В случае сближения источника и приемника:

• 

• В случае их взаимного удаления (θ = 0):

П оперечный эффект пропорционален отношению , следовательно, он значительно слабее

продольного, который пропорционален

Лазерный дальномер — прибор для измерения расстояний с применением лазерного луча.

Широко применяется в инженерной геодезии, при топографической съёмке, в военном деле, в навигации, вастрономических исследованиях, в фотографии. Современные лазерные дальномеры в большинстве случаев компактны и позволяют в кратчайшие сроки и с большой точностью определить расстояния до интересующих объектов.

Лазерный дальномер это устройство, состоящее из импульсного лазера и детектора излучения. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Лазерный дальномер — простейший вариант лидара.

Способность электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:

где   — расстояние до объекта,   — скорость света в вакууме,   — показатель преломления среды, в которой распространяется излучение,   — время прохождения импульса до цели и обратно.

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Ясно, что чем короче импульс, тем лучше.

Доплеровский измеритель — общее название технических средств для измерения линейной скорости с помощью эффекта Доплера. Применение эффекта Доплера позволяет измерять скорость не только твёрдых тел, но и газообразных, жидких и сыпучих сред. Некоторые виды доплеровских измерителей рассчитаны также на определение длины движущихся объектов или их перемещения, с помощью встроенного средства измерения временных интервалов.

Принцип действия

Принцип действия основан на использовании эффекта Доплера, согласно которому, частота принятого сигнала, отражённого от цели может отличаться от частоты излучённого сигнала и разница зависит от соотношения скоростей объектов относительно друг друга. Осн. статья — Эффект Доплера

По природе излучения (радиоволны, свет, звук) доплеровские измерители бывают соответственно трёх видов:

• радиолокационные, иначе радиоволновые (доплеровские радары);

• лазерные, иначе оптические (доплеровские лидары);

• акустические (в т. ч. гидроакустические), иначе звуковые, ультразвуковые (доплеровские сонары).

По характеристике сигнала измерители могут быть как импульсные, так и с непрерывным излучением.

Доплеровские измерители скорости потока жидких и газообразных сред функционируют за счёт отражения излучения от микрочастиц, взвешенных в этих средах.

Виды доплеровских измерителей по назначению

Доплеровские измерители используются в различных целях во многих отраслях производства, транспорта, медицины, научных и научно-практических исследований, а также в военном деле

• Бортовые измерители

  • Доплеровские измерители скорости и сноса для определения вектора путевой скорости самолёта, вертолёта. В настоящее время в авиации применяются измерители только радиолокационного типа. Осн. — статья Доплеровский измеритель скорости и сноса

  • Судовые доплеровские измерители — радиолокационные и гидроакустические

  • Бортовые измерители локомотивов — радиолокационные и лазерные

  • Доплеровские измерители в космонавтике

• Технологические измерители

  • Измерители скорости перемещения твёрдых тел — лазерные

  • Измерители скорости потока жидких или сыпучих сред — ультразвуковые и лазерные, в т. ч. ультразвуковые расходомеры

• Медицинские измерители

  • Доплеровский измеритель скорости кровотока — ультразвуковой

  • Лазерные доплеровские флоуметры — анализаторы для неинвазивной диагностики микроциркуляционного кровообращения

  • УЗИ-доплер томографы

  • Фетальные доплеры

• Измерители для контроля транспортных потоков

  • Измерители скорости движения транспортных средств — радиолокационные (осн. статья — Милицейский радар) и лазерные

• Гидро/метео измерители

  • Лазерные доплеровские измерители в метеорологических исследованиях

  • Гидроакустические доплеровские измерители в гидрологии, океанологии, осн. статья — Акустический доплеровский измеритель течения

• Системы охранной сигнализации

  • Радиоволновые и ультразвуковые доплеровские извещатели для закрытых помещений

  • Доплеровские системы сигнализации для открытых пространств

• Измерители военно-технического и разведывательного назначения

Уширение линии люминесценции

Эффект Штарка (расщепление спектральных линий под действием на излучающее вещество внешнего, в данном случае действующего со стороны окружающих ионов, электрического поля) приводит к расщеплению уровня ⁴F_3/2 на два подуровня, а уровень ⁴I_11/2 – на шесть подуровней. Лазерные переходы разрешены между всеми этими подуровнями, и, таким образом, есть 12 возможных переходов между верхними и нижними подуровнями.

Кроме того, так как неодимовые стёкла представляют собой структурно разупорядоченные среды, то локальные неоднородности поля стеклянной матрицы вызывают разброс значений штарковкских расщеплений энергетических уровней различных ионов Nd³⁺. Это приводит к неоднородному уширению линии люминесценции. //Уширение однородное, если уширяется линия каждого отдельного атома и, следовательно, всей системы в одинаковой степени. Уширение неоднородное, если резонансные частоты отдельных атомов распределяются в некоторой полосе частот и, следовательно, линия всей системы уширяется при отсутствии уширения линий отдельных атомов.// Результирующий контур линии люминесценции неодимового стекла представляет собой свёртку лоренцева контура (однородное уширение, вызванное столкновениями ионов Nd³⁺ с фононами решётки) и гауссова контура (неоднородное уширение), рисунок 3. Следует отметить, что преобладающим в неодимовых стёклах является неоднородное уширение [1].

Полуширина линии люминесценции на переходе ⁴F_3/2-⁴I_11/2 для силикатных стёкол =26-36 нм, для фосфатных =15-23 нм [1,3].

17. Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния)

Р амановское рассеяние (иначе - комбинационное рассеяние света) это неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением его частоты. В отличие от рэлеевского рассеяния, в случае рамановского рассеяния в спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества.

На рисунке представлена энергетическая схема упругого и неупругого  взаимодействия фотона с веществом. При рэлеевском рассеянии частота отраженного света не меняется. Это "обычное" отражение света от поверхности или из объема вещества. При рамановском рассеянии происходит излучение или, наоборот, поглощение колебания молекулы (фонона в твердом теле). Если при рассеянии частота света уменьшается, такой процесс называется "стоксовское рассеяние". Если, наоборот, частота отраженного света больше, такой процесс называется "антистоксовский". 

Верхние уровни, изображенные на рисунке - виртуальные энергетические уровни. Рамановское рассеяние света происходит "мгновенно". Результат рамановского рассеяния - молекула или вещество переходят на другой колебательный уровень, то есть приобретают, или наоборот, теряют колебательную энергию. 

По изменению энергии фотона можно судить об изменении энергии молекулы, т.е. о переходе ее на новый энергетич. уровень. В спектре отраженного света появляются дополнительные линии. По положению в спектре этих линий можно определить энергии молекулярных колебаний, а, следовательно, и химический состав вещества. Каждое вещество обладает своим уникальным колебательным спектром, то есть набором частот, которые можно получить спектроскопическими методами. Рамановская спектроскопия, иначе спектроскопия комбинационного рассеяния света является эффективным методом химического анализа, изучения состава и строения веществ.

18. Особенности поглощения лазерного излучения металлами. Скин-эффект. Факторы, влияющие на глубину проплавления металлов, при воздействии на них лазерным излучением.

Металл 

Металл представляет собой трехмерную решетку из положительных ионов, которая погружена в газ электронов проводимости, связанных с ионной решеткой силами электростатического притяжения.

В видимом и инфракрасном диапазонах частот все излучение, которое не отражается от металла, поглощается им в весьма тонком поверхностном скин-слое (толщиной 10^-5...10^-6 см) на электронах проводимости. Это позволяет упростить описание и рассматривать лишь два процесса: отражение и поглощение, пренебрегая процессом распространения излучения в металле.

Для жидких и твёрдых тел поведение электронов, определяющих оптические свойства атома, резко меняются под действием полей соседних атомов. Поглощение твёрдых тел характеризуется, как правило, очень широкими областями (сотни и тысячи нм); качественно это объясняется тем, что в конденсированных средах сильное взаимодействие между частицами приводит к быстрой передаче энергии, отданной светом одной из них всему коллективу частиц.

Поглощенная энергия распространяется в веществе за счет различных механизмов теплопроводности. Для металлов основной является электронная теплопроводность.

Коэффициент поглощения веществ зависит от длины волны света, говорят о спектре поглощения вещества.

Скин-эффект (поверхностный эффект) — эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.

Факторы, влияющие на глубину проплавления металлов, при воздействии на них лазерным излучением.

Наиболее существенными факторами, влияющими на размерные характеристики реза, являются энергетические параметры процесса, к которым относятся мощность и плотность мощности. В силу того, что тепловложение в материал зависит и от скорости резки, этот параметр рассматривается в совокупности с энергетическими. А именно с понижением скорости, глубина проплавления увеличивается рис. 1.

Однако варьирование скоростью обработки имеет ограничения. Нижний пределом допустимой скорости резки для углеродистых сталей служит переход процесса в режим автогенной резки, когда количество теплоты, выделяющейся в струе кислорода, достаточно для поддержания самопроизвольного процесса резки. Для нержавеющих сталей, титановых и алюминиевых сплавов нижний предел допустимой скорости резки соответствует резкому ухудшению качества поверхности реза. В условиях резки металлов лучом лазера мощностью 1 кВт такие явления особенно характерны при скоростях обработки, лежащих ниже 0,3…0,5 м/мин. Слишком же высоким скоростям резки соответствует резкое снижение толщины разрезаемых деталей, поэтому обычно скорости резки не повышают более 6…8 м/мин.

На рис. 2 показано изменение максимально достижимой глубины качественно выполненного реза в углеродистых сталях в зависимости от скорости обработки при различных условиях фокусирования. Как видно уменьшение фокального пятна вызывает возрастание глубины качественно выполненного реза.

Основной причиной такого роста глубины реза является повышение плотности мощности в зоне обработки. Зависимость глубины качественно выполненного реза в углеродистых сталях от скорости резки при различных условиях.

Поэтому при резке углеродистых сталей для повышения плотности мощности в зоне резки необходимо стремиться к фокусировке излучения в пятно меньшего диаметра. Этому способствует использование установки с малой расходимостью лазерного пучка, работающей в одномодовом режиме, а также применение короткофокусных, качественных линз и т.д.

С другой стороны, увеличение плотности мощности лазерного излучения за счёт увеличения мощности от 500 до 1000 Вт тоже позволяет повысить скорость резки.

 

Значительно зависят от скорости резки ширина реза и протяжённость зоны термического влияния (ЗТВ). Ширина ЗТВ и ширина реза у верхней кромки уменьшаются с ростом скорости.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ

19. Особенности поглощения лазерного излучения диэлектрическими и полупроводниковыми материалами.