СОФИЙСКИ УНИВЕРСИТЕТ "СВ. КЛИМЕНТ ОХРИДСКИ"
ФИЗИЧЕСКИ ФАКУЛТЕТ
КАТЕДРА "КВАНТОВА ЕЛЕКТРОНИКА"

Учебна програма на курса
„Лазерна техника 1”

Хорариум: 45 + 0 + 45 = 90 часа

Кредити (ECTS): 7,0

Лектор: доц. д-р Стоян Куртев

Анотация:

Курсът „Лазерна техника 1“ е задължителен за бакалаврите от специалност „Фотоника и лазерна физика” и е изборен за всички останали специалности във Физически факултет на СУ.

Целият курс по „Лазерна техника“ се състои от две части и включва следните основни раздели:

1. Твърдотелни лазерни системи,

2. Газови лазери,

3. Лазерни резонатори,

4. Пренастройваеми лазери,

5. Селекция и стабилизация на модовия състав,

6. Методи за преобразуване и управление на параметрите на лазерното лъчение,

7. Нелинейно-оптични явления и устройства.

За бакалаври се чете курсът „Лазерна техника 1“, която включва разделите от 1 до 4. Разделите 5-7 се изучават в курса „Лазерна техника 2“ в магистърската степен на обучение. По темите на курса „Лазерна техника 1“ има организиран практикум, които е много полезен за усвояване на практически навици за работа с лазерна техника и за затвърдяване на знанията, преподавани в лекциите.

Практикумът е организиран по темите на лекциите. Теоретичната част към практическите упражнения е написана достатъчно подробно (книгата „Ръководство за лабораторни упражнения по квантова електроника и лазерна техника“ с автори Г. Георгиев и С. Салтиел), така че студентите да могат достатъчно добре да разберат разглежданите проблеми и успешно да направят лабораторните упражнения, залегнали в програмата на курса. Практикумът е много полезен и за усвояване на практически навици за работа с лазерна техника.

Предварителни изисквания:

Курсът „Лазерна физика: основи“

Програма на курса:

  1. Твърдотелни лазери: класификации, режими на работа, параметри, основни блокове и възли. Основни понятия и величини в лазерната техника. Определение на твърдо-телните лазери. Предимства и недостатъци. Класифи-кация и режими на работа. Типични параметри на лазер-ната генерация, достигани в различните режими. Основни блокове и възли в лазерните системи, явяващи се прибори на квантовата електроника. Активни среди за твърдо¬телни лазери. Изисквания към тях. Видове твърдотелни активни среди и методи за тяхното получаване. Контрол на качеството на лазерни активни елементи. Роля на активните частици и матрицата. Изисквания към тях. Видове активни частици. Видове матрици. Технология за получаване на аморфни матрици. Основни принципи и методи за израстване на кристали. Методи за контрол на микро- и макро-нееднородности и критерии за качество. Контрол на точността на оптическата обработка. (Лекции) (3 уч.часа)
  2. Основни видове твърдотелни лазери. Пренастройваеми твърдотелни лазери. 1) Лазери на йони на преходни ме-тали – рубинов лазер. 2) Лазери на йони на редкоземни елементи; а) лазери на йони на неодима – Nd:YAG, Nd:YAP, Nd:YLF, Cr:Nd:GSGG, Nd в оптически нели-нейни матрици, Nd:стъкло; б) лазери на други редкоземни елементи – Er:YAG, Er:стъкло. 3) Твърдотелни лазери с широкоивична генерация: а) реализирани на йони на преходни метали – александрит, титан-сапфир; б) на йони на редкоземни елементи – Tm:YAG, Ce:YLF, Ce:La; в) спектрални области на генерация на достъпните на пазара твърдотелни пренастройваеми лазери. (Лекции) (3 уч.часа)
  3. Източници на оптическо възбуждане на твърдотелни лазери. Основни видове, класификации. Газоразрядни из-точници – видове; режими на работа; конструкция; елек-трически параметри на разряда; енергетични и спектрални характеристики; механизми на разрушение и деградация. Лазерно-диодни източници за напомпване на твърдотелни лазери – видове, конструкции, режими на работа; енерге¬тични, спектрални и пространствени параметри на гене¬рираното от тях лъчение. Системи за напомпване на твърдотелни лазери. Осветители за лампово напомпване – ефективност на еднолампови и многолампови осветители, конструкции и технологии на изпълнение. Системи за напомпване посредством лазерни диоди и матрици – схе¬ми за челно и странично напомпване. (Лекции) (3 уч.часа)
  4. Лазерни оптични елементи. Метални и диелектрични покрития. А) Лазерни оптични елементи – изисквания към тях, материали за лазерни оптични елементи в различните спектрални области, методи за добиване и обработка, контрол на качеството на оптичните повърхности. Б) Метални и диелектрични покрития – ме-тални огледала, еднослойни и многослойни про¬свет-ляващи диелектрични покрития, диелектрични огледала, други видове диелектрични покрития, материали за диелектрични покрития, методи за нанасяне и контрол на метални и диелектрични покрития. (Лекции) (3 уч.часа)
  5. Работа на лазерен генератор около прага. Определяне загубите в резонатора и коефициента на напомпване. Количествени характеристики на загубите в резонатора – време на живот на фотоните в резонатора, качествен фактор на резонатора. Скоростни уравнения на генератор по схема с 4 нива. Връзка между напомпващата и електрическата мощности и коефициента на усилване на активната среда в стационарен режим. Основно уравнение за праг на генерация в стационарен режим и квазистационарен (импулсен режим). Методика за определяне на загубите в резонатора и коефициента на напомпване. (Лекции) (3 уч.часа)
  6. Лазер над прага на генерация. Изходна мощност и ефек-тивност на лазерите. Насищане на коефициента на усил-ване в стационарен режим. Лазер над прага на генерация. Изходна мощност на генерация във връзка с макро¬пара-метрите на системата. Диференциален к.п.д. Формули в приближение на слабо усилване в активната среда. Обоб-щение за квазистационарен (импулсен) режим. Опти-мално огледало. (Лекции) (3 уч.часа)
  7. Нестационарен режим на генерация на лазерите. Q-моду-лация на импулсно напомпвани лазери. Модулация на доброкачествеността при лазери с непрекъснато напомп-ване. 1) Q-модулация при импулсно напомпвани лазери: времедиаграма, основни параметри на гигантския импулс. Скоростни уравнения за описание на процеса. Пикова импулсна мощност, енергия на импулса, продължи¬тел¬ност и време на закъснение. Оптимално огледало за максимална изходна мощност на импулса. Техническа реализация на процеса. 2) Q-модулация при лазерите с не¬прекъснато напомпване: времедиаграма, скоростно урав¬нение на инверсната населеност в периодичен режим на модулация. Извод на основните параметри на генери¬раните импулси, средна мощност на генерация. Техни¬чески средства за реализация. (Лекции) (4 уч.часа)
  8. Лазерни резонатори – условие за устойчивост и пара¬мет-ри на Гаусов сноп в многоелементен резонатор. Гаусови снопове и лъчеви матрици. Лъчева матрица за много¬еле-ментен резонатор и обобщено условие за устойчивост. Еднопроходна матрица на многоелементен резонатор, еквивалентни g-параметри и ефективна дължина на резонатора. Теорема за радиуса на вълновия фронт на модовете върху огледалата на устойчивия резонатор. Приложения на изградената теория. (Лекции) (3 уч.часа)
  9. Активни резонатори. Оптични нееднородности и методи за тяхната компенсация в среди с цилиндрична и неци-линдрична симетрия. 1) Температурно поле в странично охлаждани цилиндрични среди, термоеластични напре-жения, пределна разсейвана топлинна мощност. Термо-оптични ефекти в начално изотропни среди с цилин-дрична симетрия на температурното поле, бифокална тер-мична леща, методи за компенсация на термично обусло-веното двулъчепречупване. 2) Активни среди с формата на плочка. Напомпваща конфигурация, температурно поле, термоеластични напрежения, максимална разсей-вана мощност, термооптични характеристики. Лазери с плочковиден активен елемент и зигзагообразен ход на лъчите през него. (Лекции) (4 уч.часа)
  10. Газови лазери на атомарни и йонни преходи с не-прекъснато действие. 1) Хелий-неонови лазери, конструк¬ция, оптимизация на параметрите им. 2) Аргонов и крип¬тонов лазери, параметри. Основни механизми на напомп¬ване, оптимизационни съотношения в разряда. Конструк¬ция, приложения. (Лекции) (3 уч.часа)
  11. Лазери на въглероден диоксид с непрекъснат режим на действие. Механизми за създаване на инверсна насе¬ле-ност, спектрални характеристики, к.п.д. Основни видове CO2 лазери. Лазери с дифузно охлаждане: с бавен проток, отпоени, вълноводни, приложения. Лазери с бърз проток на газа – CO2 лазери с напречен проток, характеристики на разряда, оптимални параметри, видове конструкции; лазери с надлъжен проток; приложения. (Лекции) (3 уч.часа)
  12. Импулсни молекулни лазери. Методи за получаване на еднороден разряд. ТЕА CO2 лазер, азотен лазер, екси-мерни лазери – спектрални и генерационни харак¬те¬рис-тики, механизми на напомпване чрез електрически раз-ряд, изисквания към съответните разряди, параметри на лазерите, приложения. Конструкция на разрядни камери, методи за предйонизация на газа, методи за получаване на необходимите захранващи импулси. (Лекции) (3 уч.часа)
  13. Багрилни лазери. Енергетични състояния на багрилната молекула, спектри на генерация, решения на проблема с триплетния захват на лазерната генерация. Багрилни ла-зери с импулсно напомпване, методи и схеми на напомп-ване, конструкции. Багрилни лазери с непрекъснато напомпване – особености, струйни лазери, резонатори на струйни лазери. (Лекции) (3 уч.часа)
  14. Методи за промяна на дължината на вълната на генерация. Едночестотна генерация, пренастройка и селе-кция на модовете. Ъглова дисперсия на спектрален селек-тор в резонатора. Дисперсни резонатори с призмени селектори. Дисперсни резонатори с дифракционна решет-ка – схема в режим на автоколимация, схема в режим на плъзгащо падане. Интерференчен клин в резонатора. Използуване на двулъчепречупващи филтри. Кръгови резонатори с единична бягаща вълна за едночестотна пренастройваема генерация, „оптически диод”. (Лекции) (4 уч.часа)

Практически упражнения:

  1. Напречен модов състав на твърдотелни лазери (Лабораторен практикум) (6 уч.часа)
  2. Азотен лазер (Лабораторен практикум) (6 уч.часа)
  3. Контрол на качеството на оптични елементи (Лабораторен практикум) (6 уч.часа)
  4. Оптимизиране на изходното огледало за твърдотелен лазер (Лабораторен практикум) (6 уч.часа)
  5. Лазери с органични багрила (Лабораторен практикум) (6 уч.часа)
  6. Моделиране на работата на TEA-CO2 лазер (Лабораторен практикум) (6 уч.часа)
  7. Изчисляване и оптимизиране на лазерни резонатори с използване на матричната оптика за Гаусови снопове (Лабораторен практикум) (6 уч.часа)
  8. Колоквиум (3 уч.часа)

Формата на контрол е: изпит

Основна литература:

  1. М. Ненчев, С. Салтиел, “Лазерна техника“, С., Изд. “Наука и изкуство” и Изд. на СУ “Св.Кл.Охридски”, 1994.
  2. Г. Георгиев, С. Салтиел, „Ръководство за лабораторни упражнения по квантова електроника и лазерна техника“, С., Изд. на СУ “Св. Кл. Охридски”, 1993.
  3. O. Svelto, “Principles of lasers,” 4th ed., Springer, 1998.
  4. Н. Карлов, „Лекции по квантовой электроники“, М., Наука, 1988.
  5. W. Koechner, “Solid State Laser Engineering,” 6th ed., Springer, 2006.
  6. Л. Тарасов, „Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения“, М., Радио и связь, 1980.
  7. Ф. Качмарек, „Введение в физику лазеров“, М., Мир, 1981.
  8. С. Анохов, Т. Марусий, М. Соскин, „Перестраиваемые лазеры“, М., Радио и связь, 1982.

Допълнителна литература:

  1. С. Рябов, Г. Торопкин, И. Усольцев, „Приборы квантовой электроники“, М., Радио и связь, 1985.
  2. Ю. Климков, „Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами“, М., Советское радио, 1978.
  3. И. Пахомов, О. Рожков, В. Рождествин, „Оптико-электронные квантовые приборы“, М., Радио и связь, 1982.

Съставил програмата: доц. д-р С. Куртев

26.01.2021 г.

Вашите коментари изпращайте тук

2021-05-20

Check this is a valid HTML 4.01 document!