Розробка газовоко лазера на Kr та оптичної хвилеводної системи на основі даного лазера

 

           

               

 

 

3.4 Характеристика втрат при розповсюджені світла у волокні

 

Затухання в оптичному волокні – це міра послаблення оптичної потужності, що поширюється вздовж ОВ між двома  його поперечними перерізами. Затухання  в ОВ виражається в дБ. Коефіцієнт затухання в ОВ- це величина затухання  на одиниці довжини волокна і  виражається в дБ/км. Коефіцієнт затухання в ОВ обумовлюється  власними втратами і виражається  у вигляді суми різних втрат у волокні, які розраховуються наступним чином:

Власні втрати в ІЧ діапазоні для заданого волокна:

,

             

α_пк = 0.3 дБ/км.

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

59

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

Втрати на поглинання:

,    

 

      

_дБ/км,

де tg(d) – тангенс кута діелектричних втрат в хвилеводі.

Загальні  внутрішні втрати оптичного волокна

з урахуванням  усіх попередньо розрахованих втрат  визначаються в основному втратами в ІЧ діапазоні і становлять α = 0.304 дБ/км, що є в принципі досить добре для використання волокна.

Для заданої  довжини кабелю 0.3 км можливе загасання в кабелі:

 

,    

 

  αk = 0.0912 дБ/км.

 

 

3.5 Розрахунок узгодження лазера із світловодом

 

Для ефективного  введення лазерного випромінювання  у оптичне волокно неможливо  не використовувати оптичну систему, якщо різниця між діаметрами лазерного пучка і серцевиною волоконного світловода дуже велика. Перевіримо цю умову розрахувавши площу світло випромінюючої площадки лазера:

 

,         

 

     

м².

 

Площу перерізу хвилеводу:          м²

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

60

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

Очевидно, що діаметр світло випромінюючої  площадки лазера більший за діаметр волокна, і пряме введення променя у волокно приведе нас до значних втрат:

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

61

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

,       

 

дБ.

 

Як відомо, об’єктив із фокусною відстанню f, встановлений за вхідним торцем лазера з кутом розбіжності променів 2w, фокусує випромінювання у задній фокальній площині на площадку розміром[9]:

 

. (41)

 

Кут розбіжності  лазера з плоским хвильовим фронтом  визначається дифракцією оптичного  резонатора та ля основної заданої  довжини хвилі лазера ТЕМ₀₀ моди дорівнює:

 

рад.

 

Щоб найефективніше фокусувати лазерне випромінювання в волокно розрахуємо фокус лінзи, яка використовуватиметься.

Діаметр такої лінзи має бути як мінімум в експоненту разів більшим за r:

 

 м,

 

де r – радіус резонатора лазера.

Тоді  фокусна відстань узгоджувальної лінзи:

 

м,

де φ = arcsin(NA) = 0.2 рад – апертурний кут. Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

62

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

 

Знаючи  фокусну відстань тонкої лінзи, можемо розрахувати мінімальний розмір (діаметр) площадки, у яку фокусується  лазерний пучок (43):

 

м.

 

Отримане  значення значно менше діаметра світло провідної жили, а значить при  використанні розрахованої лінзи можна  узгодити отримане волокно із лазером, для нормального функціонування.

 

 

3.6 Енергетичний баланс лазерної хвилеводної системи

 

Система буде працездатною лише в тому випадку, коли загальні втрати у системі, що складаються з апертурних втрат, втрат на вводі випромінювання у  світловод, а також втрат за рахунок  поглинання та розсіювання у волоконному  кабелі не будуть перевищувати певної величини, що визначається через коефіцієнт затухання у системі:

 

дБ

 

Ефективність  введення випромінювання у світловод  була розрахована вище і дорівнює:

 

_дБ.

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

63

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

Сумарні втрати у волокні для  даних довжин хвиль для газу криптону не перевищують для заданих довжин хвилі генерації розрахованої вище величини 0.304 дБ/км.

Як бачимо загальні втрати у волоконному кабелі 0.0912 дБ/км не перевищують розраховану величину коефіцієнта затухання у системі, значить величина числової апертури є цілком задовільною. І волокно може ефективно працювати на заданих довжинах генерації лазера.

 

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

64

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

ВИСНОВКИ

 

В даному курсовому проекті була розроблена лазерна хвилеводна система на основі іонного газового лазера на Kr. Розрахунок резонатора дав змогу визначити добротність, як основних мод так і самого лазера, енергія накопичена в резонаторі виявилася досить малою, через роботу в неперервному режимі, проте час перебування хвилі в об’ємі резонатора збільшився за рахунок ДП, усі інші додаткові розрахунки були проведені і описані в ході роботи. Також в курсовому проекті було досліджено трирівневу схему накачки для створення інверсії населеності; розраховано коефіцієнти Ейнштейна для спонтанного та вимушеного випромінювання; коефіцієнт підсилення та потужність випромінювання.

Вихідна потужність для заданих довжин хвиль генерації криптонового лазера склала досить високі значення порядку десятків ват на перших двох лініях генерації, звідки випливає, що розрахований квантовий генератор найкраще працює в червоній області спектра, яка включає перші дві довжини хвиль генерації, і значно гірше в зеленій області.

Таким чином, я думаю, що розрахована мною система може бути використана на практиці. Адже вона є джерелом неперервного когерентного випромінювання на заданих довжинах хвиль, при цьому якщо збільшити енергію мого лазера, то його можна порівняти з аргоновими лазером, що має потужність до сотень ват.

Проте, лазер має недоліки. Вони визначаються конструкторським виконанням, якщо охолодження робочого тіла виконати водне, то він у продуктивності і тривалості робочих годин поступатиметься аналогу виконаному з повітряним охолодженням. Так на водяному охолодженні робочий ресурс близько 500 – 5000 год, тоді як за наявності повітряного охолодження – 10 – 15 тисяч годин. До недоліків можна віднести і великий робочий струм цього лазера, який може сягати тисяч ампер, хоча це в свою чергу може пропорційно збільшити ефективність накачки.

Блок  живлення має потужність 10 кВт і  являє собою потужний випрямляч  з напругою на виході 200 – 400 В, при  заданому накачуванні електричним  розрядом. Хоча схема його виконання  досить таки складна. Теоретично маса такого лазера складатиме 40 – 45 кг, мінімальний часовий ресурс – 2000 год, при відносній нестабільності потужності менше 2% за годину.

Відомі  аналоги лазерних іонних систем на криптоні розробляються наприклад  в США такими фірмами, як „Continental Laser Corp.”, „Coherent Inc.”, „Spectra Physics.” тощо. Потужності цих систем складають діапазон від сотень мВт до десятків Вт.

В залежності від необхідного результату даний  лазер може бути використаний при  незначних потужностях і зменшених  розмірах в медицині (офтальмологія, дерматологія, фотодинамічна терапія, діагностика ракових захворювань  тощо); в мікротехнологіях – для  фотолітографії; в промисловості  для маркування. При корегуванні  потужності випромінювання можливе  використання в фотохімії для  ініціювання хімічних реакцій, багатоступінчастого  збудження, накачки лазерів на барвниках; можливе використання в приладах і методах спектрального аналізу (спектроскопія), для голографії, при  підводних локаціях, в телебаченні, при записі чи зчитуванні інформації тощо.

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

65

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

 

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

66

08-04. ЛТКЕ.001.00.000 ПЗ

ЛІТЕРАТУРА:

 

1. Андрушко Л.М., Гроднев И.И., Панфилов И.П. Волоконно-оптические линии связи – М.: Радио и связь, 1984. – 125с.
2. Байбородин Ю. В. Основы лазерной техники. — К., Техника, 1977. – 440с.
3. Баскаков С. И. Основы электродинамики. – М: Советское радио 1973. – 95с.
4. Вычислительная оптика. Справ./ Под ред. М.М. Русинова. – Л., Машиностроение, 1984. – 423с.
5. Григорук В.І., Коротков П.А., Хижняк А.І. Лазерна фізика. – К.: “МП Леся”, 1997. – 480с.
6. Звело О. „Принципы лазеров” . – М.: Мир, 1990. – 560с.
7. Иоргачев Д. В., Бондаренко О. В. Волоконно-оптические линии и связи – М., Мир, 2003. – 250с.
8. Лисенко Г.Л., Тужанський С.Є. Методичні вказівки до курсового проектування з дисципліни Основи квантової електроніки та лазерної техніки для студентів напрямку підготовки 0911 – Лазерна та оптоелектронна техніка. – В.: ВНТУ, 2004. –  28с.
9. Петрунькин В.Ю., Пахомов Л.Н. Приборы квантовой электроники – Ленинград, Издательство ленинградского университета, 1983. – 300с.
10. Справочник по лазерам под ред Прохорова А. М. – М.: Советское радио, 1978. – 210с.
11. Справочник по лазерной технике под ред. Напартовича А. П. - М., Энергоатомиздат, 1991.- 190с.
12. Таблицы физических величин. Справочник. – М. Радио и связь, 1982. – 544с.
13. Тарасов Л.В. Физические основы квантовой электроники – М.: Советское радио, 1976. – 205с.
14. Федоров Н. Н. Основы электродинамики. – М: Высшая школа, 1980. – 50с.
15. Хансперджер Р. Интегральная оптика. – Москва, Мир, 1985. – 80с.