Physics of Lasers

Предмет навчальної дисципліни: фізичні процеси лазерної генерації різних типів лазерів
Серед сучасних спецтехнологій лазерні термічні технології обробки матеріалів займають одне з перших місць. В останні десятиліття спостерігається їх широке використання в промисловості, підвищення якості і точності технологічних процесів, створення гібридних технологій. Для оптимального вибору і повного використання можливостей лазерного проміння спеціаліст повинен знати фізику лазерів, які є основою технологічного устаткування.
Дисципліна “Фізика лазерів” розглядає принципи будови потужних лазерів і фізичні явища, які визначають високі потужність і якість лазерного пучка, оскільки ці параметри є визначальними в лазерних термічних технологіях.

ЗМІСТ НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИЛІНИ

РОЗДІЛ 1. СВІТЛОПРОМЕНЕВЕ ЗВАРЮВАННЯ
Тема 1.1: Застосування світла для технологій. Світлопроменеве зварювання.
ТЕМА 1.2: Фізичні процеси при взаємодії електромагнітного поля з металами.

РОЗДІЛ 2 ЗАКОНИ ТЕПЛОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ. ПОСТУЛАТИ ЕЙНШТЕЙНА – ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ЛАЗЕРНОЇ ГЕНЕРАЦІЇ СВІТЛА.
Тема 2.1.Закони теплового випромінювання.
- Фізичні явища, при яких виникає світло.
- Закони теплового випромінювання
- Теплове випромінювання і правило Прево.
- Закон Кірхгофа.
- Закон Стефана –Больцмана.
- Закон зміщення Віна.
- Формула випромінювання Планка.
Тема 2.2. Постулати Ейнштейна – фізичні основи лазерної генерації світла.
- Постулати Ейнштейна.
- Спектральні коефіцієнти Ейнштейна. Контур лінії поглинання (випромінювання). Ширина лінії.
- Механізм лазерної генерації світла.

РОЗДІЛ 3. ПОТУЖНІСТЬ ЛАЗЕРНОГО ПРОМІННЯ
Тема 3.1. Фізичні явища, що створюють умови генерації лазерного проміння. Інтенсивність світлового потоку.
- Закон Ламберта – Бугера – Бера.
- Потужність поглинання, коефіцієнти поглинання і підсилення.
- Процеси заселення атомних (молекулярних) рівнів.
- Оптична накачка.
- Оптичне збудження лазерного середовища. 3-х і 4-х рівневі схеми генерації.
- Принципова схема лазера з оптичною накачкою.
- Збудження електронним ударом.
- Передача збудження при міжатомних (міжмолекулярних) зіткненнях.
- Розселення рівнів
- Спонтанні переходи.
- Релаксаційні переходи.
- Підсилення світлового пучка при його проходженні в збудженому активному середовищі.
- Коефіцієнт підсилення слабого сигналу світлового пучка.
- Коефіцієнт підсилення пучка при його проходженні в збудженому активному середовищі, інтенсивність насичення.
Тема 3.2. Потужність лазерного проміння.
- Потужність лазерного проміння.
- Баланс потужності при стаціонарній генерації.
- Потужність, яка генерується активним середовищем.
- Потужність шкідливих втрат.
- Потужність лазерного проміння.
- Розрахунок k для стрижня з плоскопаралельними дзеркальними торцями.
- Залежність потужності лазерного проміння від k0 i kr.
- Питома потужність генерації лазерного проміння. ККД лазерної генерації. Добротність
- лазерного резонатора.

РОЗДІЛ 4. ТЕОРІЯ ЛАЗЕРНИХ ПУЧКІВ.
Тема 4.1. Інтерференція і дифракція світла. формування лазерного пучка в резонаторі. Інтерференція світла. Світлова хвиля. Додавання коливань. Когерентність і інтерференція коливань.
- Додавання коливань. Інтерференція хвиль.
- Створення когерентних хвиль в оптиці.
- Часова когерентність.
- Дифракція світла.
- Принцип Гюйгенса – Френеля.
- Застосування принципу Гюйгенса – Френеля.
- Зони Френеля. Прямолінійне поширення світла.
- Просторова когерентність.
- Формування лазерного пучка в резонаторі.
- Стійкі і нестійкі резонатори. Умова стійкості.

Тема 4.2. Властивості лазерного пучка, сформованого в стійкому резонаторі. Гаусівський пучок, його параметри і властивості.
- Зміна параметрів гаусівського пучка при поширенні в просторі.
- Параметри гаусівського пучка, сформованого в стійкому резонаторі.
- Комплексний параметр гаусівського пучка і його властивості.
- Залежність параметрів гаусівського пучка від геометричних параметрів стійкого резонатора, в якому він формується.
- Типи коливань високих порядків.
- Фокусування лазерного пучка, сформованого в стійкому резонаторі.
Тема 4.3. Властивості лазерного пучка, сформованого в нестійкому резонаторі.
- Хід променів у нестійкому резонаторі.
- Методи виведення генерованого лазерного пучка із нестійкого резонатора.
- Зміна параметрів лазерного пучка нестійкого резонатора при поширенні в просторі.
- Зона генерації і зона підсилення.
- Коефіцієнт радіаційних втрат в нестійкому резонаторі
- Фокусування лазерного пучка, сформованого в нестійкому резонаторі.
- Положення горловини сфокусованого пучка.
- Дифракція Фраунгофера.
- Дифракція Фраунгофер при виході лазерного пучка із нестійкого резонатора.
- Розподіл інтенсивності в мінімальному перерізі сфокусованого пучка; мінімальний розмір сфокусованого пучка.
- Розбіжність лазерного пучка, сформованого в нестійкому резонаторі.
Тема 4.4. Порівняння параметрів сфокусованих лазерних пучків, сформованих у стійкому і нестійкому резонаторах.
- Відношення величин густини потужності на осі сфокусованих лазерних пучків, сформованих в стійкому і нестійкому резонаторах.
- Відношення середніх значень густини потужності в горловині сфокусованих лазерних пучків, сформованих в стійкому і нестійкому резонаторах.
- Відношення середніх значень густини потужності в горловині сфокусованих лазерних пучків, сформованих в стійкому і нестійкому резонаторах.
- Вплив конструктивних параметрів стійкого і нестійкого резонаторів на розбіжність лазерного пучка і його потужність.
Тема 4.5. Передача світлового пучка по світловолокну.
- Будова світловолокна. Хід світлового пучка по світловолокну.
- Граничний кут збіжності сфокусованого пучка при введенні його в світловод.
- Оптичні схеми лазерних технологічних установок з передачею проміння за допомогою світловолокна.
- Розрахунок оптичної системи пристроїв вводу лазерного проміння в світловолокно, виводу із нього, і фокусування на оброблювану деталь.
Тема 4.6. Узагальнені характеристики лазерного пучка.
- Стала перетворення пучка і показник якості пучка. Глибина чіткості.
- До якої максимальної температури можна нагріти абсолютно чорне тіло лазерним промінням.

РОЗДІЛ 5. СО₂-ЛАЗЕР.
Тема 5.1. Фізичні явища і фізико-технічні засоби збудження активного середовища СО₂-лазера.
- Структура коливних рівнів молекул СО₂ і азоту.
- Процеси збудження і розселення коливних рівнів молекули СО₂
- Населенності лазерних рівнів молекули СО₂ під час генерації.
- Тліючий розряд.
- Залежність напруги на міжелектродному проміжку від відстані між електродами. Механізм протікання струму в тліючому розряді. Термічна нерівноважність плазми.
Тема 5.2. Лазери з теплопровідним охолодженням.
- Залежність потужності генерації від геометричних параметрів теплопровідно охолоджуваного лазера.
- Одноканальні і багатоканальні трубчаті СО2 лазери: конструкція, параметри резонатора, геометричні характеристики лазерного пучка. Методи одержання когерентного проміння багатоканальних лазерів.
- СО₂ лазер з теплопровідним охолодженням планарної конструкції: будова, параметри резонатора, геометричні характеристики лазерного пучка.
Тема 5.3. СО₂-лазери з конвективним охолодженням.
- Порівняльні енергетичні характеристики СО₂-лазерів з теплопровідним і конвективним охолодженням. Наближений розрахунок потужності лазерного випромінювання СО₂-лазера з конвективним охолодженням.
- Резонатори лазерів з конвективним охолодженням. Лазери з осьовою та поперечною прокачкою; геометричні характеристики їх лазерних пучків.
- Електродні системи в СО₂ – лазерах, як методи боротьби з нестійкостями тліючого розряду.
- Блок – схема СО₂ лазера з конвективним охолодженням.

РОЗДІЛ 6. Твердотільні лазери з оптичною накачкою.
Тема 6.1. Рубіновий лазер
- Активне середовище рубінового лазера і його фізичні властивості.
- Енергетичні процеси при створенні інверсної населеності верхнього лазерного рівня 2Е.
- Конструкція рубінового лазера.
Тема 6.2. Неодимовий лазер
- Активне середовище неодимового лазера і його фізичні властивості; генераційні характеристики ІАГ – Nd.
- Стрижневі і дискові лазери: конструкція квантрона, резонатор, розбіжність лазерного пучка і його показник якості, методи збільшення потужності і зміна показника якості при цьому.
- Волоконні лазери: конструкція квантрона, резонатор, розбіжність лазерного пучка і його показник якості, методи збільшення потужності і зміна показника якості при цьому.
- Часова залежність потужності генерації. Пічкова структура.
Тема 6.3. Режим генерації короткотривалих імпульсів надвисокої потужності – режим модульованої добротності.
- Режим модульованої добротності.
- Модулятори добротності: принцип дії, конструкція, часові характеристики лазерного імпульсу по потужності.

РОЗДІЛ 7. Напівпровідниковий лазер
- Утворення зон із атомних рівнів
- Домішкова або “невласна” провідність напівпровідників.
- Люмінесценція напівпровідників.
- Методи створення інверсії в напівпровідниках.
- Лазерний діод.
- Методи створення потужних напівпровідникових лазерів.

РОЗДІЛ 8. Ексимерні лазери

РОЗДІЛ 9. Причини нестабільності параметрів лазерного проміння технологічного лазера.
- Параметри лазерного проміння, які необхідно стабілізувати.
- Причини нестабільності потужності
- Нестабільність кута розбіжності
- Нестабільність відстані від головної площини фокусувальної системи до мінімального перерізу сфокусованого пучка.

 Методичні вказівки з лабораторних робіт до вивчення дисципліни «Фізика лазерів»
1 .Дослідження лінзових і дзеркальних оптичних схем.
2. Ознайомлення з технологічним лазерним комплексом.
3. Вивчення залежності потужності генерації від потужності накачки твердотільного лазера.
4. Вивчення умов фокусування лазерного пучка, сформованого в стійкому резонаторі.
5. Визначення характеристик сфокусованого лазерного променя.
6. Вивчення будови одно- і багатоквантронних твердотільних лазерів.
7. Вивчення будови одноканальних СО₂ лазерів з теплопровідним охолодженням.
8 .Вивчення будови СО₂ лазерів з конвективним охолодженням осьовою прокачкою.
9. Вивчення будови СО₂ лазерів з конвективним охолодженням поперечною прокачкою.