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: гл. ас. д-р Любомир Стоянов

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 твърдотелните лазери. Предимства и недостатъци. Класификация и режими на работа. Типични параметри на лазерната генерация, достигани в различните режими. Основни блокове и възли в лазерните системи, явяващи се прибори на квантовата електроника. Активни среди за твърдотелни 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 метали – 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 нелинейни 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 източници – видове; режими на работа; конструкция; електрически 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; енергетични, спектрални и пространствени параметри на генерираното 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 – схеми 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 – метални огледала, еднослойни и многослойни просветляващи 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 ефективност на лазерите. Насищане на коефициента на усилване в стационарен режим. Лазер над прага на генерация. Изходна мощност на генерация във връзка с макропараметрите на системата. Диференциален к.п.д. Формули в приближение на слабо усилване в активната среда. Обобщение за квазистационарен (импулсен) режим. Оптимално огледало. (Лекции) (3 уч.часа)
  7. Нестационарен режим на генерация на лазерите. Q-модулация на импулсно напомпвани лазери. Модулация на доброкачествеността при лазери с непрекъснато напомпване. 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, продължителност 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 уравнение на инверсната населеност в периодичен режим на модулация. Извод на основните параметри на генери¬раните импулси, средна мощност на генерация. Технически средства за реализация. (Лекции) (4 уч.часа)
  8. Лазерни резонатори – условие за устойчивост и параметри на Гаусов сноп в многоелементен резонатор. Гаусови снопове и лъчеви матрици. Лъчева матрица за многоелементен 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 нецилиндрична симетрия. 1) Температурно поле в странично охлаждани цилиндрични среди, термоеластични напрежения, пределна разсейвана топлинна мощност. Термо-оптични ефекти в начално изотропни среди с цилиндрична симетрия на температурното поле, бифокална термична леща, методи за компенсация на термично обусловеното двулъчепречупване. 2) Активни среди с формата на плочка. Напомпваща конфигурация, температурно поле, термоеластични напрежения, максимална разсейвана 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 непрекъснато действие. 1) Хелий-неонови лазери, конструкция, оптимизация на параметрите им. 2) Аргонов и криптонов лазери, параметри. Основни механизми на напомпване, оптимизационни съотношения в разряда. Конструкция, приложения. (Лекции) (3 уч.часа)
  11. Лазери на въглероден диоксид с непрекъснат режим на действие. Механизми за създаване на инверсна населеност, 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, ексимерни лазери – спектрални и генерационни характеристики, механизми на напомпване чрез електрически разряд, 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 лазери с импулсно напомпване, методи и схеми на напомпване, 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 селекция на модовете. Ъглова дисперсия на спектрален селектор в резонатора. Дисперсни резонатори с призмени селектори. Дисперсни резонатори с дифракционна решетка – 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

2025-07-25

Check this is a valid HTML 4.01 document!