[ Министерство образования Российской Федерации
Южно-Уральский государственный университет
Кафедра оптики и спектроскопии
ФИЗИКА ЛАЗЕРОВ
Методические указания
Челябинск
Издательство ЮУрГУ
2000
УДК 621.378.3(076.5)
Физика лазеров: Методические указания/ Составитель Н.Д.Кундикова.
— Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2000. — 8 с.
Методические указания предназначены для самостоятельной работы студентов ПМФ факультета направления 511600 при подготовке к лекциям по физике лазеров. В них содержатся рабочая программа, вопросы для самопроверки и подготовки к экзаменам.
Список лит. — 11 назв.
Одобрено учебно-методической комиссией факультета прикладной математики и физики.
Рецензент В.П.Бескачко.
1. ОБРАЗОВАТЕЛЬНО-ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕ
ТРЕБОВАНИЯ К ДИСЦИПЛИНЕ
1.1. Дисциплина относится к циклу специализации. Программа разработана для подготовки магистров по направлению 511600 — ”Прикладные математика и физика”.1.2. Выпускник должен в результате усвоения дисциплины ”Физика лазеров”:
— знать принципы работы лазеров и свойства лазерного излучения, принципы устройства когерентных источников оптического излучения;
— владеть теоретическими основами принципов действия лазерных источников;
— уметь рассчитывать и конструировать простейшие схемы лазеров;
2. ГЛОБАЛЬНАЯ ЦЕЛЬ ДИСЦИПЛИНЫ
Цель дисциплины — дать представление о принципах работы и об основных элементах лазеров, а также теоретические основы физических процессов генерации света в лазерах.3. ТЕМАТИКА ЗАНЯТИЙ 3.1 Принцип действия лазера.
3.2 Основные свойства лазерного излучения.
3.3 Стационарное решение кинетических уравнений, описывающих генерацию лазерного излучения.
3.4 Приближенное решение кинетических уравнений для случая свободной генерации.
3.5 Режим работы лазера с модуляцией добротности.
3.6 Режим синхронизации мод в лазере.
3.7 Усилители лазерного излучения.
3.8 Схемы оптической накачки.
3.9 Устойчивость оптических резонаторов.
3.10 Неустойчивые резонаторы.
4. КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН КУРСА
4.1. ПЕРВЫЙ СЕМЕСТР 4.1.1. Лекции (34 часа) 1. Принцип действия лазера — 2 ч.Основные элементы лазера, их роль в генерации лазерного излучения.
Основные свойства лазерного излучения.
2. Кинетические уравнения для одномодового лазера — 8 ч.
Стационарное решение кинетических уравнений. Порог генерации.
Оценка пороговых и выходных характеристик лазера в стационарном режиме генерации. Качественный анализ переходных процессов в лазере на основе кинетических уравнений.
3. Режим свободной генерации — 8 ч.
Приближенное решение кинетических уравнений для случая свободной генерации. Оценка параметров пичка генерации. Условия возникновения пичкового режима генерации. Оценка периода следования пичков и длительности переходного процесса.
4. Режим работы лазера с модуляцией добротности — 6 ч.
Оценка параметров гигантского импульса. Устройства, используемые для модуляции добротности резонатора лазеров. Режим синхронизации мод в лазере. Оценка параметров сверхкороткого импульса.
5. Усилители лазерного излучения — 4 ч.
Исходные уравнения. Анализ решения для прямоугольного импульса.
Оценки параметров усилителя.
6. Схемы оптической накачки — 2 ч.
КПД оптической накачки. Электрическая накачка.
7. Устойчивость оптических резонаторов — 2 ч.
Классификация резонаторов. Условие устойчивости. Типы устойчивых резонаторов. Спектр мод устойчивого резонатора.
8. Неустойчивые оптические резонаторы — 2 ч.
Распределение поля на зеркалах в неустойчивом резонаторе. Расчет величины потерь на проход в неустойчивом резонаторе. Типы неустойчивых резонаторов.
4.1.2. Практические занятия (34 часа) 1. Свойства лазерного излучения — 2 ч.
2. Оценка пороговых и выходных характеристик лазера в стационарном режиме генерации — 8 ч.
3. Оценка параметров пичка генерации, периода следования пичков и длительности переходного процесса — 8 ч.
4. Оценка параметров гигантского импульса, параметров сверхкороткого импульса — 6 ч.
5. Оценки параметров усилителя лазерного излучения — 4 ч.
6. Оценки КПД разных типов накачки — 2 ч.
КПД оптической накачки. Электрическая накачка.
7. Расчет оптических резонаторов — 4 ч.
1. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. — М.: Наука, 1983.
2. Акулин В.М., Карлов Н.В. Интенсивные резонансные взаимодействия в квантовой электронике. — М.: Наука, 1987.
3. Звелто О. Принципы лазеров. — М.: Мир, 1984.
4. Клышко Д.Н. Физические основы квантовой электроники. — М.: Наука, 1986.
5. Ярив А. Квантовая электроника. — М.: Сов. радио, 1980.
6. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1970.
7. Ландсберг Г.С. Оптика. — М.: Наука, 1976.
8. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на фортране. — М.: Мир, 1977.
9. Тамм И.Е. Основы теории электричества. — М.: Наука, 1989.
10. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики.
— М.: Наука, 1977.
11. Самарский А.А. Введение в численные методы. — М.: Наука, 1987.
6. СВЯЗЬ КУРСА С ДРУГИМИ ДИСЦИПЛИНАМИ
И ИХ СОГЛАСОВАНИЕ
Материал курса базируется на курсах общей физики и высшей математики. Он используется при чтении курса ”Динамическая голография”, ”Волоконная оптика”, при выполнении лабораторных работ специального физического практикума, в курсовом и дипломном проектировании.
7. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Какие физические принципы лежат в основе работы лазера?2. Какими факторами определяется расходимость лазерного излучения?
3. Какова природа вынужденного излучения? Чем отличаются вынужденное излучение от спонтанного?
4. В каком случае можно говорить об отрицательной температуре двухуровневой среды?
5. Какие процессы (вынужденные, спонтанные) возможны в равновесном состоянии вещества?
6. С помощью какого прибора можно определить длину когерентности света?
7. Каким уравнением описывается вынужденный переход со второго уровня на первый в двухуровневой системе?
8. Как изменяется время жизни фотона в резонаторе при повышении его добротности?
9. Является ли лазерная генерация пороговым процессом?
10. Какова концентрация примеси хрома в рубине, используемом в качестве рабочего тела в твердотельном лазере?
11. С какой целью в лазерах используется режим модуляции добротности?
12. Какое из устройств модуляции добротности имеет наименьшее время переключения?
13. В лазерах какого типа целесообразно использовать оптическую накачку?
14. Каким элементом необходимо дополнить усилитель лазерного излучения, чтобы получить лазер?
15. В лазерах какого типа можно использовать режим синхронизации мод?
16. По каким параметрам обычно проводится классификация типов лазеров?
17. Какой тип накачки используется в полупроводниковых инжекционных лазерах?
18. Возможна ли генерация лазерного излучения в веществе, обладающем только двумя уровнями?
19. В чем преимущество четырехуровневой системы над трехуровневой?
20. Как оценить КПД оптической накачки в твердотельном лазере?
21. Какова роль оптического резонатора в лазере?
22. Каково распределение светового поля в устойчивом оптическом резонаторе?
23. В каких случаях используется неустойчивый резонатор?
8. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНАМ
1. Принцип действия лазеров.2. Основные свойства лазерного излучения.
3. Кинетические уравнения для одномодового лазера.
4. Стационарное решение кинетических уравнений. Порог генерации.
5. Оценка пороговых и выходных характеристик лазера в стационарном режиме генерации.
6. Качественный анализ переходных процессов в лазере на основе кинетических уравнений.
7. Приближенное решение кинетических уравнений для случая свободной генерации. Оценка параметров пичка генерации.
8. Условия возникновения пичкового режима генерации. Оценка периода следования пичков и длительности переходного процесса.
9. Режим работы лазера с модуляцией добротности. Оценка параметров гигантского импульса.
10. Устройства, используемые для модуляции добротности резонатора лазеров.
11. Режим синхронизации мод в лазере. Оценка параметров сверхкороткого импульса.
12. Усилители лазерного излучения. Исходные уравнения. Оценки параметров усилителя.
13. Возможные схемы оптической накачки. КПД оптической накачки.
14. Устойчивость оптических резонаторов. Спектр мод устойчивого резонатора.
15. Типы неустойчивых резонаторов.
«