Исследование метода измерения оптических параметров лазерного излучения с длиной волны генерации в области 2-МКМ посредством ап-конверсионного преобразования излучения в видимый диапазон спектра в керамике LiYF4:Hо3+ и регистрацией пучка с помощью камеры ПЗС

Введение 3
1. Гауссов пучок 4
2. Методы измерения пространственных характеристик лазерного пучка 7
3. Преобразование двухмикронного излучения в видимый свет в керамике LiYF4:Ho3+ 13
4. Устройство и основные характеристики камер с матрицами ПЗС 18
5. Экспериментальная часть 22
5.1 Эксперимент с He-Ne - лазером 22
5.2 Эксперимент с диффузором 24
5.3 Эксперимент с Tm3+:YAP - лазером 26
Заключение 34
Список литературы 35
Техника безопасности при работе с лазерами 37
Техника безопасности при работе с персональным компьютером 38

Весь текст будет доступен после покупки

Современные лазерные системы используются и оказывают существенное влияние на развитие различных областей науки и технологий, таких как оптика, медицина, производство и исследования материалов. Определение оптических параметров лазерного пучка, таких как его интенсивность, форма, размер и положение фокуса, является ключевым фактором для оптимизации работы таких систем [1–4]. Для измерения этих параметров нужно руководствоваться требованиям и ограничениями для их регистрации. Современные международные стандарты ISO 11146-1:2021 полагаются к рекомендациям для исследований преимущественно Гауссовых пучков и заключаются, в основном, вокруг оценок качества ВРР и М2.
Для измерения пространственных характеристик лазерного излучения (диаметр пучка в поперечном сечении, угловая расходимость) широко используются методы варьируемой диафрагмы, движущего резкого края (ножа Фуко), перемещаемой щели. Альтернативой механическим методам измерения является использование ПЗС камер. Чувствительные матрицы ПЗС применяются для высокоточных измерений и снимков, позволяя получать точные данные о лазерном пучке с высоким разрешением и скоростью, а также использовать цифровые способы обработки полученных данных.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Гауссов пучок
Лазерные пучки во многих отношениях ведут себя как однородные плоские волны. Однако распределение интенсивности в них неоднородно (наибольшего значения интенсивность достигает на оси распространения) и волновой фронт обладает небольшой кривизной. При излучении на основной моде ТЕМ00 изменение амплитуды лазерного пучка в поперечном сечении описывается в соответствии с функцией Гаусса (рис. 1):
?E(x,y)=E?_0 exp?(-(x^2+y^2)/?^2 ) (1)

Рис. 1 Изменение амплитуды электромагнитного поля по сечению гауссова пучка
Ширина пучка, характеризуется его радиусом ?, определяемым как расстояние, на котором амплитуда поля уменьшается в e раз по сравнению с амплитудой на оси пучка. Гауссов пучок имеет минимальный диаметр 2?0 в «перетяжке» пучка, где волновой фронт плоский. По мере удаления от перетяжки пучок расширяется по закону ?2(z) = ?_0^2 [1 + (?z/(??_0^2 ))^2 ], где z – расстояние до перетяжки. Зависимость ?(z) показана на рис. 2. Расходимость пучка в дальней зоне определяется как:
?=?/(??_0 ) (2)
Радиус кривизны волнового фронта R измеряется следующим образом:
R(z)= z [1+ ((??_0^2)/?z)^2 ] (3)
По мере удаления перетяжки R уменьшается от бесконечности до минимального значения R_мин=(2??_0^2)/? на расстояние z=(??_0^2)/?, а затем возрастает и асимптотически стремится к z. Одновременно происходит и сдвиг фазы Ф на оси пучка относительно фазы идеальной однородной плоской волны.

Рис. 2 Контур гауссова пучка
Пучок по фазе опережает плоскую волну на величину:
ф= arctg(z?/(??_0^2 )) (4)
Реальные параметры пучка ? и R могут быть использованы для определения комплексного параметра q:
1/q= q/R – i ?/(??^2 ) (5)
Тогда закон распространения пучка в свободном пространстве приобретает простой вид q_2= q_(1 )+ z, где параметры q_(1 )и q_2 относятся ко входной и выходной плоскостям соответственно, а z – расстояние между этими плоскостями. Плоская линза с фокусным расстоянием f изменяет параметр q следующим образом:
1/q_2 = 1/q_(1 ) - 1/f , (6)
где q_(1 )и q_2 – значения q, измеряемые непосредственно перед линзой и после нее. Значение комплексного параметра лазерного пучка на входе q_(1 )и выходе q_2 оптической системы, характеризуемой некоторой ABCD-матрицей связаны между собой соотношением [9]:
? q?_2=(Aq_1+ B)/(Cq_1+ D) (7)
ВРР (beam parameter product - произведение параметров пучка), определяется как произведение диаметра пучка в перетяжке на полный угол расходимости излучения [мм?мрад]. Чем ВРР меньше, тем лучше качество пучка, т.е. тем под меньшим углом (на большем расстоянии) его можно собрать в меньшее по размеру пятно.
Значение параметра М2 определяется путем деления параметра ВРР на дифракционный предел 4?/?. Таким образом, снимается зависимость параметра качества пучка от длины волны, и он становится безразмерной величиной, показывающей во сколько раз он больше параметра дифракционно-ограниченного пучка с этой же длиной волны.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Movilla J. M., Mart??nez-Herrero R., Mej??as P. M. Quality improvement of partially polarized beams // Appl. Opt. 2001. V. 40. P. 6098-6101.
2. Loftus T. H., Liu A., Hoffman P. R. et al. Beam quality deterioration of lasers caused by intracavity beam distortions // Opt. Express. 2006. V. 14. P. 6069-6074.
3. Pe?nano J., Sprangle P., Ting A. et al. Optical quality of high-power laser beams in lenses // J. Opt. Soc. Am. B. 2009. V. 26, P. 503-510.
4. Wang Y., Kan H., Ogawa T. et al. Optimization of two-lens coupling structure for a tandem-set solid-state laser system // J. Opt. 2010. V. 12. P. 085702.
5. Brinkmann R., Knipper A., Droge G., Miller A., Gromoll B., Birngruber R. UreterotoХmy with a Pulsed Holmium Laser. // Laser in der Medizin/Laser in Medicine. Berlin: Springer-Verlag. 1996. P. 16.
6. Buzug T.M., Holz D., Bongartz J., Kohl-Bareis M., Hartmann U., Weber S. Advances in Medical Engineering // Springer Proceedings in Physics. Berlin: Springer. 2007. V. 114. P. 447.

Весь текст будет доступен после покупки