Лазерная техника и технология: Учебно-методическое пособие для выполнения лабораторных работ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ______________________________________________________________ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В. Е. ПОЛЯКОВ, С. Е. ПАРАХУДА, А. И. ПОТАПОВ

ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ Учебно-методическое пособие для выполнения лабораторных работ

Санкт-Петербург 2004

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.375.826:621+681.2 Поляков В. Е., Парахуда С. Е., Потапов А. И. Лазерная техника и технология: Учебно-методическое пособие для выполнения лабораторных работ. – СПб.: СЗТУ, 2004. – 106 с. Учебно-методическое пособие разработано в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 653700 - «Приборостроение» (специальность 190100 – «Приборостроение») и направлению подготовки бакалавра 551500 – «Приборостроение». В учебно-методическом пособии приводятся описание и порядок выполнения лабораторных работ, относящихся к основным разделам дисциплины, выбор которых был сделан с учетом практической деятельности инженера. Учебно-методическое пособие предназначено для студентов 5-го курса, изучающих дисциплину «Лазерная техника и технология» (специализация 190105 – «Контрольно-измерительные приборы и системы» - 12 часов) и студентов 4-го курса (специализация 190120 – «Приборы и системы таможенного экспортного и импортного контроля» - 8 часов), изучающих дисциплину «Лазерные и оптические методы в таможенном контроле». Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного издания для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 190100 – «Приборостроение» направления подготовки дипломированных специалистов 653700 – «Приборостроение» и специальности 190700 – «Оптико-электронные приборы и системы» направления подготовки дипломированных специалистов 654000 – «Оптотехника». Рецензенты: В. А. Тарлыков, д-р техн.наук, проф. кафедры квантовой электроники и биомедицинской оптики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. В. Ю. Храмов, д-р техн.наук, директор ФГУП НИИ Лазерной физики, г. Санкт-Петербург. А. А.Сарвин, д-р техн.наук, проф., заведующий кафедрой автоматизации производственных процессов Северо-Западного государственного заочного технического университета. © Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004 © Поляков В. Е., Парахуда С. Е., Потапов А. И., 2004

2

ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Организация безопасной работы при выполнении лабораторных работ на кафедре приборов контроля и систем экологической безопасности производится в соответствии с требованиями следующих Государственных стандартов и систем ССБТ: 1.ГОСТ 12.1.019-79. Электробезопасность. Общие требования. 2.ГОСТ 12.1.040-83. Лазерная безопасность. 3.ГОСТ 15.1.040-83. Лазерная безопасность. 4.ГОСТ 2398-81. Санитарные нормы и правила устройства лазеров. 5.ГОСТ 25.917-83. Лазеры измерительные. Типы, основные параметры, требования. 6.Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров (утв. 22.04.81; №2392-81). К работе на оборудовании и лабораторных установках допускаются студенты, имеющие теоретическую подготовку по дисциплинам «Лазерная техника и технологии» и «Лазерные и оптические методы в таможенном деле», прошедшие инструктаж по технике безопасности, изучившие инструкцию и расписавшиеся в журнале учета прохождения студентами инструктажа по технике безопасности. Производственные вредности и опасности при эксплуатации лазеров При работе с лазерами на студентов могут воздействовать следующие вредные и опасные факторы – лазерное излучение (прямое, отраженное, рассеянное), зоны взаимодействия лазерного излучения с материалами, ультрафиолетовое излучение от ламп накачки или кварцевых газоразрядных трубок, шум, вибрация, возникающие при работе лазера, ионизирующее излучение. Основную опасность при работе с лазерами представляет лазерное излучение. Величина воздействия излучения на организм зависит от энергетической экспозиции (отношение энергии излучения, падающей на облучаемую поверхность, к площади этой поверхности). Наиболее важным требованием при работе с лазером является защита глаз человека от повреждения лазерным излучением. При высоких уровнях пиковой мощности лазера с модуляцией добротности предусмотрено, чтобы свет, отраженный от криволинейных поверхностей, не возвращался обратно в лазер. В установках предусмотрены специальные экраны для защиты студента от случайных зеркальных отражений опорного или объектного пучков. Для определения на3

правления этих пучков применен юстировочный He-Ne-лазер, свет от которого идет в том же направлении, что и от импульсного лазера. В лабораторных установках энергия лазеров, попадающая в глаза, имеет безопасный уровень в расчете на то, что человек не имеет защитных очков. При освещении светом лазера на красителях лазером с модулированной добротностью максимально допустимая плотность энергии на сетчатке глаза ограничивается величиной Rмакс = 0.07 Дж/см². Это основное значение плотности энергии, которое может быть безопасно для сетчатки глаза, связано с допустимой плотностью энергии на роговой оболочке глаза. Допустимая плотность энергии на роговой оболочке глаза равна: Rмакс ≈ 10 Дж/см² при t =1с. Допустимый уровень экспозиции на сетчатке в случае прямого освещения или зеркального отражения света лазера с модулированной добротностью: Rмакс = 1·10 Дж/см² при t =1с. При адаптации глаза к условиям дневного освещения (диаметр зрачка 3 мм) безопасная плотность энергии может быть увеличена в 5 раз. Контроль уровней опасных и вредных производственных факторов производится средствами, прошедшими государственную проверку. Погрешность измерения уровня лазерного излучения на рабочем месте не превышает 30 % по ГОСТ 181031-81. Стандарт устанавливает методы измерений параметров лазерного излучения в диапазоне длин волн 0.25-12.0 мкм в заданной точке пространства с целью определения степени опасности излучения для организма человека. Лазеры, применяемые в установках, соответствуют эксплуатационной документации, разработанной по ГОСТ 2.601-68 и комплекту проектно-конструкторской документации. В паспорте и технических данных на лазер указаны следующие параметры излучения: длина волны (мкм), мощность (энергия) (Вт; Дж); длительность импульса (с), частота повторения импульсов (Гц); начальный диаметр (см); расходимость пучка с указанием уровня мощности. Лазеры маркированы знаком лазерной опасности в соответствии с ГОСТ 12.4.026-76. В инструкции по эксплуатации лазеров предусмотрен раздел «Техника безопасности и производственная санитария». В соответствии с ГОСТ 5392-81 для ввода лазера в эксплуатацию подготовлена следующая документация: паспорт на лазер; инструкция по технике безопасности и производственной санитарии; протокол наладки лазера и проверки изоляции и заземления; инструкция по противопожарной безопасности и взрывоопасности; протокол измерения уровней лазерного излучения; протокол измерения интенсивности электромагнитного и ионизирующего излучения; приказ или выписка из

4

приказа о назначении ответственного лица, обеспечивающего исправное состояние и безопасную эксплуатацию лазера. Метеорологические условия на производстве или микроклимат определяют следующие параметры: температура воздуха в помещении, Сº; относительная влажность воздуха, %; подвижность воздуха, м/с; тепловое излучение, Вт/м². Эти параметры отдельно и в комплексе влияют на организм человека, определяя самочувствие. В соответствии с ГОСТ 121005-76 установлены следующие требования: – температурный микроклимат на рабочем месте и для рабочих помещений в теплый период 18-20ºС, в холодный период – 20-22º С; – скорость движения воздуха не более 0.2 м/с; – относительная влажность воздуха 40-60 %. В соответствии с ГОСТ 121005-76 «Микроклимат производственных помещений» эти требования соответствуют условиям метеорологического комфорта при работе. Вибрации также неблагоприятно воздействуют на организм человека. Они могут быть причиной функциональных расстройств нервной и сердечно-сосудистой систем, а также опорно-двигательного аппарата. В соответствии с ГОСТ 12.1015-78 «Вибрация», который устанавливает общие требования, в установке применены гидроцилиндр и резиновые демпфирующие прокладки как система защиты от низкочастотных и высокочастотных вибраций. Под пожарной безопасностью подразумевается также состояние объекта, при котором с большой вероятностью предотвращается возможность возникновения пожара, а в случае его возникновения обеспечивается эффективная защита людей от опасных и вредных факторов пожара и спасение материальных ценностей. В соответствии с ГОСТ 12.1.004-76 «Пожарная безопасность» система предотвращения пожара разработана по каждому конкретному объекту из расчета, что нормативная возможность возникновения пожара принимается равной не более 10 в год, в расчете на отдельный пожароопасный узел данного объекта. Техника безопасности и противопожарная безопасность при эксплуатации лазеров К работе с лазерными установками допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие предварительный медицинский осмотр, вводный инструктаж по технике безопасности, первичный инструктаж по технике безопасности, прошедшие курс обучения по специальной программе, обученные методам оказания первой медицинской помощи при поражении электрическим током и лазерным излучением. Лица, допущенные к 5

работе, проходят периодический медицинский осмотр через 18 месяцев, периодический офтальмологический осмотр через 3 месяца, периодический инструктаж по технике безопасности через 3 месяца, внеочередной инструктаж по технике безопасности и производственной санитарии при изменении технических параметров лазера или характера выполняемых работ, а также при нарушении правил техники безопасности - переаттестацию через 11 месяцев. Лица, временно привлекаемые к работе на лазерных установках, не требующих их включения, например, для чистки оптики и т.п., проходят инструктаж по технике безопасности и производственной санитарии при работе с лазерами и производят работы только с разрешения и под наблюдением ответственного лица, преподавателя, обеспечивающего исправное состояние и безопасную эксплуатацию данной лазерной установки. В соответствии с ГОСТ 12.1.004-76 «Пожарная безопасность» в установках с лазерами не допускают попадания лазерного излучения на легко воспламеняющиеся предметы. Это первое требование по обеспечению пожаро-взрывоопасности. Во-вторых, в установках с лазерами не допускают ненадежных контактов проводов разрядного контура системы накачки и магнитной фокусировки (для газовых лазеров с магнитной фокусировкой разрядного тока), так как вследствие большого переходного сопротивления выделяется большое количество тепла, создается опасность возникновения электрической дуги. В-третьих, не допускают появления на токоведущих частях установки посторонних предметов, способных вызвать короткое замыкание в схеме и воспламенения изоляции. При возникновении пожара сообщить о его возникновении по телефону 01. Одновременно приступают к тушению пожара с применением всех имеющихся средств пожаротушения. При тушении пожара на неотключенной установке существует опасность поражения электрическим током и лазерным излучением. В этом случае применяют огнегасительные средства, не проводящие электрический ток (углекислый газ, сухой песок, асбестовую ткань и др.). Применяют углекислотные огнетушители типов ОУ-Ж, ОУ-5, ОУ-8,емкостью 2,5 и 8 литров, ГОСТ 9230-77. При тушении пожара на лазерных установках пользуются противолазерными очками, не смотрят в сторону излучателя до обесточивания лазерной установки. В случае загорания одежды на человеке, локализовать огонь путем покрытия кошмой. Не тушить горящую одежду на человеке огнетушителем, песком или водой. В случае поражения лазерным излучением накладывают стерильную повязку на глаза или пораженный участок кожи и вызывают врача и заполняют карту экстренного извещения. В качестве 6

средств индивидуальной защиты применяют защитные очки со светофильтрами типов: СЗС (ГОСТ 9411-66) - для защиты от излучений 0,69-1,06 мкм, ОС-14 – с длинами волн 0,49-0,53 мкм. Для защиты кожи рук и тела применяют перчатки и халат. Для лазерной установки отведено специально оборудованное помещение. Установка размещена так, чтобы луч лазера был направлен на капитальную неотражающую стену, огнестойкую. Все поверхности в помещении окрашиваются в цвета с малым коэффициентом отражения. В помещении (в том числе и детали оборудования) исключены поверхности, обладающие блескостью, способные отражать падающие на них лучи. В зданиях предусмотрена безопасная эвакуация людей на случай возникновения пожара. При возникновении пожара люди покидают здание в течение минимального времени, которое определяется кратчайшим расстоянием от места их нахождения до выхода наружу. На путях эвакуации не устраивают пандусы с крутизной подъема более 1/5 порогов, винтовых лестниц, разрезных площадок и других препятствий, могущих вызвать падение людей. Невыполнение работающим требований инструкции по технике безопасности рассматривается как нарушение производственной дисциплины и влечет за собой наложение взысканий, предусмотренных правилами внутреннего трудового распорядка. Если нарушение привело к тяжелым последствиям, то виновный может быть привлечен к уголовной ответственности. Индивидуальные и коллективные меры защиты от лазерного излучения В зависимости от класса лазерной установки используются различные защитные средства, включающие и порядок эксплуатации лазерной установки. Комплекс мер, обеспечивающих безопасность работы, представлен совокупностью технических, санитарно-гигиенических мер, направленных на предотвращение облучения персонала уровнями, превышающими предельно допустимые. Достигается это за счет технического использования лазеров и обеспечения их приспособлениями, исключающими воздействие прямого и отражаемого излучения, а также использования средств дистанционного управления, сигнализации и автоматического отключения. Устройство лазеров IV класса позволяет исключить возможность присутствия персонала в лазерно-опасной зоне. Для этого все системы изготавливаются из материалов, снижающих интенсивность излучения

7

до ПДУ. Предусмотрены возможности дистанционного управления и ключевой тумблер. Лазерные установки III и IV класса, генерирующие излучение видимого спектра, и лазеры II- IV класса, работающие в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, снабжаются сигнализаторами начала и окончания работы. В конструкциях этих лазеров предусмотрен экран для кратковременного перекрытия прямого лазерного излучения и для ограничения его распространения за пределы зоны размещения обрабатываемого материала. Экран изготавливается из огнестойкого, неплавящегося и светопоглощающего материала. Лазеры IV класса размещают в отдельных помещениях. Отделка внутренних поверхностей стен, потолка и оборудования производится из расчета максимального поглощения излучения и исключения его зеркального отражения. При выделении вредных веществ в воздух рабочей зоны рабочее место оборудуется с учетом класса опасности выделяемых вредных веществ. Входные двери помещения для лазеров Ш- IV класса оборудуются внутренними замками и знаком лазерной опасности (ГОСТ 12.4.026-76). Расстановка лазеров II-IV класса производится с учетом нормативов свободного пространства. С лицевой стороны пультов и панелей управление обеспечивается свободное пространство 1,5 м при однорядном размещении (с задней и боковых сторон должно быть обеспечено пространство шириной не менее 1 м). Рабочее место оборудуется местной вытяжкой, вентиляцией для локализации и удаления загрязненного воздуха. К средствам индивидуальной защиты от воздействия лазерного излучения, используемым только в комплексе со средствами коллективной защиты, относятся защитные очки и маски со светофильтрами. Светофильтры обеспечивают снижение уровней облучения до нормативных требований. Их выбор в каждом отдельном случае осуществляется с учетом длины волны генерируемого излучения. Студенты обязаны четко выполнять следующие требования: 1.Инструкцию по эксплуатации лазерных установок. Лабораторные работы студенты выполняют под наблюдением преподавателя. 2.Перед включением установок необходимо убедиться в надежности крепления оптических элементов, отсутствии посторонних предметов в рабочей зоне, а также предупредить студентов группы о включении установки. 3.Перед включением контрольно-измерительных приборов проверить, на какое напряжение они установлены, подключить приборы к се8

ти нужного напряжения только с разрешения преподавателя или лаборанта. 4.Работу с приборами вести строго в соответствии с инструкцией по их эксплуатации. 5.Тщательно и точно выполнять все измерительные операции. 6.После настройки установки необходимо обеспечить экранирование пучка лазерного излучения с помощью шторки (шторка изготавливается из светопоглощающего материала). Используемые в лабораторных установках лазеры относятся к лазерам I класса. Лазеры в лабораторных установках должны быть маркированы знаком лазерной опасности в соответствии с ГОСТ 12.4.026-76. В инструкции по эксплуатации лазеров необходимо изучить раздел «Техника безопасности и производственная санитария». Студенты, допускаемые к работе с лазерами, должны пройти инструктаж и обучение безопасным приемам и методам работы в соответствии с ГОСТ 12.0.004-79. Строгое соблюдение правил техники безопасности – обязательное требование для каждого студента, допускаемого к выполнению работ в лаборатории лазерной техники. Студентам запрещается: – производить присоединение проводов и кабелей в приборах, находящихся под напряжением; – смотреть навстречу лазерному излучению. Важно помнить, что отраженные от оптических элементов лучи так же опасны, как первичный луч; – направлять лазерный луч на человека. При постройке оптических схем всегда надо знать, где проходит лазерный луч и отраженные лучи; – находится в зоне наблюдения лицам, не связанным с настройкой, испытаниями и эксплуатацией лазерных установок; – отключать блокировку и сигнализацию во время работы лазеров или зарядок конденсаторных батарей; – производить измерения параметров лазерного излучения без экранизирующих шторок; – садиться на голографический стол, толкать его, ставить на стол посторонние предметы.

Общие указания При проведении лабораторных работ студенты получают возможность приобрести практические навыки использования лазеров в измерительных схемах и установках, изучить свойства лазерного излучения,

9

устройство лазеров различных типов, а также освоить целый ряд современных лазерных технологий. При подготовке к лабораторным работам студентам необходимо повторить раздел лекционного курса, по материалу которого производится данная лабораторная работа. Необходимо внимательно изучить описание лабораторной работы и четко представлять последовательность выполняемых операций, особенности методики и техники экспериментальных исследований. Для выполнения лабораторной работы рекомендуется составить таблицы результатов расчетов и измерений, а также начертить функциональную схему установки. В пособии приведены основные теоретические положения, содержание лабораторных работ, описание лабораторных установок и измерительных приборов.

Тематика лабораторных работ Тематика лабораторных работ охватывает наиболее важные разделы курсов и включает семь лабораторных работ: 1.Измерение параметров излучения твердотельного ИАГ: Nd3+- лазера с ламповой накачкой. 2.Определение спектральной эффективности излучения импульсной лампы для оптической накачки твердотельного ИАГ: Nd3+ -лазера с использованием теории свечения черного тела. 3.Определение элементного состава неизвестного вещества с использованием метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. 4.Изучение температурного тушения люминесценции в активных средах жидкостных лазеров на красителях. 5.Определение длины волны лазерного излучения методом совмещенной дифракции. 6.Определение элементного состава и концентрации вещества с использованием методов калориметрии. 7.Исследование деформационных свойств лазерных элементов (при их нагревании) методами голографической интерферометрии. Все перечисленные работы содержат элементы научных исследований. Перечень лабораторных работ, выполняемых студентами, указывается преподавателем. При составлении отчета о проделанной работе у студентов воспитывается умение критически анализировать результаты измерений, т.е. качество, необходимое будущему инженеру или научно-

10

му сотруднику. Отчет является зеркалом научной подготовки студента, стиля его работы. Достоинством отчета является его краткость и аккуратное оформление. При составлении отчета следует: – сделать критические замечания и предложения по совершенствованию методик и техник излучений; – сосредоточить основное внимание на анализе полученных зависимостей и сопоставлении данных расчета и эксперимента; – не включать в отчет взятые из книг элементы теории исследуемых явлений, а указать лишь предмет, метод и результаты исследований. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ИАГ: Nd3+- ЛАЗЕРА С ЛАМПОВОЙ НАКАЧКОЙ Цель работы Изучение конструкции твердотельного ИАГ: Nd3+-лазера с ламповой накачкой, приобретение навыков измерения некоторых параметров генерации: средней энергии, средней мощности и расходимости лазерного излучения. Основные теоретические положения Эффективное применение в твердотельных лазерах с оптической накачкой получили активные среды на основе силикатных и фосфатных стекол, а также кристаллов, активированных ионами редкоземельных и переходных металлов. Наиболее эффективными являются силикатные или фосфатные стекла, активированные ионами неодима или эрбия. Одним из достоинств активных элементов из стекол является возможность создания их значительно больших размеров, как по длине, так и по площади поперечного сечения, по сравнению с кристаллическими лазерными элементами. Для получения большой мощности от лазерного элемента меньших размеров предпочтительнее применять активные кристаллические элементы. Эффективность лазерного материала определяется следующими его свойствами: пиковым поперечным сечением лазерного перехода, квантовым выходом люминесценции на рабочий лазерный уровень, порого11

вым значением энергии, поглощенной активным элементом, при которой возникает лазерная генерация, и коэффициентом полезного действия преобразования энергии источника накачки. Из лазерных стекол, выпускаемых промышленностью, наилучшими параметрами обладают неодимовые силикатные стекла ГЛС -08, генерирующие на длине волны λ = 1,06 мкм, и неодимовые фосфатные стекла ГЛС-22 с длиной волны генерации λ = 1,064 мкм. Средний КПД преобразования энергии лампы накачки в лазерную генерацию для этих стекол достигает величины 3 %. Пороговое значение поглощенной энергии, необходимое для возникновения генерации, составляет 3-5 Дж/см2. Целесообразно применять неодимовые стекла больших размеров в лазерах с многоламповой накачкой для получения значительных энергий (> 100 Дж) или многокаскадные лазеры (количество каскадов ≥2), в которых задающий генератор является кристаллическим, а квантовые усилители – стеклянными. В настоящее время разработано более 250 кристаллических матриц, лазерные свойства которым придают ионы редкоземельных и переходных металлов. Наиболее широкое распространение получили ионы неодима Nd3+, которые обладают оптимальной структурой энергетических уровней для возбуждения и протекания механизма генерации, а также достаточно интенсивными абсорбционными и люминесцентными переходами. Генерация на двух межмультиплетных каналах ионов Nd3+ - основным переходом (4F3/2 - 4I11/2 с длиной волны λ=1,05 –1,06 мкм) и дополнительными переходами (4F3/2 - 4I13/2 , длина волны λ = 1,3 мкм) протекает по четырехуровневой схеме (рис.1а) с высоко расположенными лазерными уровнями. Указанный механизм позволяет возбудить генерацию не только при температуре 300 К, но и при температурах, в несколько раз превышающих комнатную температуру. Высокие значения пиковых поперечных сечений индуцированных переходов каналов ионов Nd3+ обеспечивают лазерным кристаллам низкие пороги накачки (0,5 – 1,0 Дж/см3) как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Повышение эффективности генерации ионов Nd3+ можно достичь также введением в кристалл дополнительных ионовсенсибилизаторов, например ионов Сr3+. Наиболее эффективными лазерными кристаллами с ионами Nd3+ с генерацией на длине волны λ = 1,06 мкм, имеющими низкие пороги (до 1,0 Дж/см3) и высокий КПД (до 5 %) являются: Y3Аl5O12:Nd3+, Y3Al5O12:Cz3+: Nd3+ , Ca2Ga2SiO7: Nd3+ и Ca3Ca2Ge4O14: Nd3+ Существует и эффективно используется активная лазерная среда с ионами Ho3+ и Er3+ . Наивысшая эффективность (~ 7 %) в кристаллических лазерах с ламповой накачкой достигнута на кристаллах с ионами Ho3+ - (Y, Er)3Al5O12: Tm3+-Ho3+ на длине волны λ = 2,06 мкм (рис.1б). 12

Эффективная генерация в трехмикронном диапазоне осуществлена на кристаллах с ионами Er3+ - BaEr3F8: Cz 3+ (рис.1в), активированных хромом.

а б в Рис. 1. Схема энергетических уровней трех типов лазеров: лазер на стекле, активированном ионами Nd3+(a), Ho3+(б), ионами Er3+(в). Таким образом, как видно из приведенного анализа, для получения эффективной лазерной генерации в области ∼1 мкм целесообразно использовать неодимовые стекла, на которых можно получить высокое значение энергии, и кристаллы, активированные ионами Nd3+, обладающие низкими порогами возбуждения генерации. В двухмикронном лазерном диапазоне спектра целесообразно использовать кристаллы BaYb2F8 - Er3+ (Y, Er)3Al5O12: Tm3+-Ho3+, а в трехмикронном лазерном диапазоне – кристаллы BaEr3F8: Cz 3+. Схема лазера с оптической ламповой накачкой приведена на рис.2. Стержень из активного лазерного материала 3 размещается между глухим 1 и полупрозрачным 2 зеркалами. Для лазеров с оптической накачкой обычно применяются резонаторы Фабри-Перо с круглыми или плоскими зеркалами, полуконфокальные и конфокальные резонаторы, в которых сферические зеркала разнесены на расстояние, равное их радиусу кривизны. Зеркала резонатора могут быть внешними по отношению к активному элементу, а также могут быть нанесены на его торцы. Применение внешнего резонатора позволяет использовать в лазере различные системы управления энергетическими параметрами лазерного излучения: модуляторы добротности, синхронизаторы мод, умножители частоты и т.п. 13

Например, значительно повысить пиковую мощность лазерного импульса можно, используя модуляцию добротности резонатора, которая осуществляется вращением призм или зеркал или же с помощью нелинейных просветляющихся фильтров, помещенных в резонатор. Зеркала, нанесенные на торцы активного элемента, не позволяют размещать внутрирезонаторные элементы, однако увеличивают устойчивость резонатора к различным механическим воздействиям. Оптическая накачка обеспечивается лампой-вспышкой 4, которая размещается вдоль длины лазерного стержня 3. Лампа-вспышка с активным элементом помещается в зеркальный (или диффузный) отражатель для лучшего использования света лампы. Оптическая генерация света развивается в пространстве между зеркалами резонатора вдоль активного элемента (позиция 5).

Рис. 2: Функциональная схема твердотельного лазера с ламповой накачкой:1 – «глухое» зеркало оптического резонатора; 2 – селективное зеркало оптического резонатора; 3 – активный элемент лазера; 4 – лампа накачки; 5 – направление излучения лазера; 6 - источник питания; 7 - трансформатор поджига;8 - генератор пусковых импульсов; 9 – измеритель энергии и мощности лазерного излучения; 10 – экран. Схема пусковых импульсов и трансформатор поджига вырабатывают высоковольтный импульс для пробоя газа в лампе накачки. Через ионизированный газ происходит разрядка конденсаторного накопителя С, индуктивность L используется для формирования импульса тока. Твердотельные лазеры с оптической накачкой могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Наиболее распространен импульсный режим работы. В качестве источников оптической накачки используются импульсные источники света: лампы, наполненные ксеноном, криптоном, парами щелочных металлов, газоразрядные лампы на основе 14

Z–пинча, Q-пинча, с ударной волной, импульсные лампы с испаряющейся оболочкой, пиротехнические лампы. Для всех видов импульсных ламп, за исключением пиротехнических, требуется электрическое питание от источников электрического тока. Для поджига импульсной лампы используют мощный 3 100-200 кВт/см электрический блок питания, что увеличивает габариты и массу лазера, а также расход потребляемой энергии. Использование для накачки активного лазерного элемента лучистой энергии от лампывспышки приводит к существенным потерям за счет преобразования электрической энергии в световую в самой импульсной лампе и в ее электрическом контуре. Активные элементы в лазерах с ламповой накачкой могут быть выполнены в виде сплошных цилиндров или трубок, которые вместе с лампой располагаются в отражателе цилиндрическом или эллиптическом, а лампа дополнительно снабжена покрытием, отражающим УФ-часть спектра внутрь лампы. Между лампой накачки и боковой поверхностью активного элемента расположена иммерсионная среда, например тяжелая вода. Излучаемая мощность импульсных ламп, используемых для накачки твердотельных лазеров может быть рассчитана по формуле P (t) = A t e-kt, (1.1) где А и к определяются экспериментально. Из условия максимума Р(t), измеренного по осциллограммам, можно определить к =1 ⁄ τ, где τ – время достижения максимума, а нормировка позволяет вычислить параметр А=к2W, где W – излучаемая энергия. Тогда зависимость излучаемой энергии от времени, с учетом уравнения (1.1), может быть представлена в виде ∞

∫ P(t )dt = W ,

(1.2)

0

где 1 ⎡ ⎤ W (t ) = − Ak ⎢te − kt + (e− kt − 1) ⎥ k ⎣ ⎦

(1.3.)

Для ламп типа ИФП-1200 и ИФП-5000 при t =300 мкс Р = Рmax и тогда k = 3,3·103с-1. Отсюда находим, что для лампы ИФП-1200 А=5,2·109Дж ⁄ с2, а для лампы ИФП-5000 А= 5,45·1010Дж ⁄ с2, предполагая, что КПД преобразования электрической энергии в световую η =0,4. Если предположить, что разряд в лампе не шнуруется, а светится вся ее внутренняя поверхность, тогда из уравнения (1.1) для излучаемой мощности получаем

15

P(t) = εэфσ0S[T(t)]4.

(1.4.)

С учетом уравнения (1.2) для температуры получим

Ate − kt T (t ) = 4 , ε эфσ 0 S

(1.5)

где P(t) – излучаемая мощность импульсной лампы; εэф – степень черноты; σ0 – постоянная Стефана – Больцмана; S – величина излучаемой поверхности; T(t) – зависимость температуры от времени; t – время. Оценивая Т для двух типов ламп накачки, если εэф = 0,8, получим Tmax= 8300 K для ИПФ-1200 и Тmax= 8870 К для ИФП-5000, что совпадает с известными данными. Оптическая накачка активных лазерных сред (АЛС) с использованием традиционных ламп как непрерывного, так и импульсного действия представляется в настоящее время хорошо разработанным способом получения инверсной населенности, применяемым во многих типах лазеров. Мощность излучения импульсной лампы, рассчитанная из уравнения Стефана – Больцмана (1.4), приходится на весь спектр излучения, т.е. на все длины волн. Распределение мощности по длинам волны неравномерно. Мощность излучения, приходящаяся на отдельные интервалы длин волн dλ, определяется законом Планка. Описание лабораторной установки Функциональная схема лабораторной установки приведена на рис.2. Позицией 9 показан измеритель энергии и мощности лазерного излучения ИМО-3М. Позицией 10 показан экран, расположенный на расстоянии ~ 3м от полупрозрачного зеркала ИАГ: Nd3+-лазера. Остальные позиции относятся к устройству лазера. Порядок выполнения работы Измерительная часть 1.Необходимо ознакомиться с конструкцией установки и принципом ее работы. 2.Включить твердотельный ИАГ:Nd3+-лазер (после разрешения преподавателя). 3.Плавно перемещая преобразующий элемент (болометр) измерителя ИМО-3М в двух плоскостях, обеспечить попадание лазерного излучения в окно болометра. С помощью линзы, расположенной перед окном болометра, обеспечить полное заполнение области «видения» боломет16

ра. В этом случае излучение, достигающее болометра, не зависит от его расстояния до лазера. 4.Произвести измерение значений энергии и мощности лазерного излучения, используя две шкалы прибора ИМО-3М. Опыт повторить три раза и вычислить средние значения. Полученные значения Pср. и Eср занести в таблицу по форме 1. 5.Перейти к работе с экраном. Разместить экран на оптической скамье на расстоянии ≥3м. Направить лазерное излучение на экран. С помощью миллиметровой бумаги измерить диаметр пятна d1 лазерного излучения на выходе полупрозрачного зеркала 2 (рис. 2). Затем измерить диаметр пятна на экране d2. Расчетная часть 6.Построить график распространения лазерного излучения к экрану и рассмотреть треугольник abc, у которого: ap=d1/2; bd=d2/2; ac=l; bc=(d2/2-d1/2). 7.Рассчитать расходимость лазерного излучения из уравнения: α = arctg ⎛⎜ d 2 2 − d1 2 ⎞⎟ . ⎝

⎠

Рис. 3. Схема по расчету расходимости лазерного излучения Полная расходимость β=2α. 8.Сравнить экспериментально полученный результат с полной расходимостью, рассчитанной из уравнения β=

1, 27λ , 2ϖ 0

где длина волны лазерного излучения λ=1064·10-9м; ω0 - шейка гауссова пучка. Принять ω0=0,25·10-3м. 9.Полученные результаты представить в виде таблицы по форме 1:

17

ИАГ: Nd+3-лазер с ламповой накачкой E, Дж

Параметры излучения P, Вт βэксп, мрад

Форма 1 βтеор, мрад

Содержание отчета 1.Схема установки с пояснением устройства (рис.2). 2.Схема эксперимента по расчету расходимости (рис.3). 3.Результаты измерения, сведенные в таблицу по форме 1. Литература: [1], [2], [3]. Вопросы для самопроверки 1.Из каких основных узлов состоит твердотельный лазер? Объясните назначение каждого узла твердотельного лазера. 2.Какие активные среды используются в твердотельных лазерах? 3.Какие типы ламп накачки используются в твердотельных лазерах? 4.Перечислите свойства лазерного излучения. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАМПЫ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКИ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ИАГ: Nd3+- ЛАЗЕРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕОРИИ СВЕЧЕНИЯ ЧЕРНОГО ТЕЛА Цель работы Приобретение навыков и умения рассчитывать основные параметры оптической накачки твердотельных лазеров, в частности спектральной эффективности накачки в полосы поглощения активной лазерной среды с использованием компьютера и программного обеспечения. Основные теоретические положения В общем случае падающее на тело излучение частично поглощается телом, часть излучения отражается, и часть излучения проходит сквозь тело. Если Ф0 – мощность падающего излучения, Фотр – мощность отраженного излучения, Фпогл – поток поглощенного излучения, Фпр – поток прошедшего излучения, то по определению: 18

– коэффициент отражения тела – ρ =Фотр/Ф0; – коэффициент поглощения тела – α =Фпогл/Ф0; – коэффициент пропускания – τ =Фпр/Ф0. Величины ρ, α и τ зависят от свойств самого тела и длины волны падающего излучения. Согласно закону сохранения энергии: Фотр+Фпогл+Фпр=Ф0 Разделив обе части уравнения на Ф0, можно получить ρ+α+τ=1. (2.1) Тело, для которого ρ=0, α=1 и τ=0, принято называть абсолютно черным телом. Все падающие на него лучи поглощаются, независимо от длины волны и температуры, что на практике не реализуется. Излучение абсолютно черного тела превышает излучение любых других тел при данной длине волны и температуре. Его излучательная способность равна единице. Излучательная способность любого тела ε равна его коэффициенту поглощения при заданной температуре и длине волны (закон Кирхгофа), т.е. (λ, Т)= α (λ, Т). (2.2) Если Ф-поток излучения, испускаемый серым телом с определенной температурой; ε (=α) - излучательная способность серого тела; Фчерн поток излучения черного тела с той же температурой, тогда из закона Кирхгофа следует, что Ф=ε· Фчерн ,

(2.3)

т.е. мощность излучения любого серого тела равна мощности излучения черного тела с той же температурой, умноженной на излучательную способность данного тела (степень черноты). Спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела описывается уравнением dR λ =

hc 2 S λ 5 ⎡ exp hc ⎣⎢

(

)

⎤ λ kТ − 1⎦⎥

dλ,

(2.4)

где dRλ – мощность, излучаемая в интервале длин волн от λ до λ+dλ; h – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме; λ – длина волны излучения; dλ – излучение спектрального интервала; К – постоянная Больцмана; Т – температура излучающего тела; S – площадь излучающей поверхности; е =2,718 – основание натурального логарифма. Для того чтобы определить спектральную эффективность излучения черного 19

тела для накачки активной лазерной среды, необходимо проинтегрировать уравнение (2.4) по полосам поглощения активной среды и суммировать результаты по полосам поглощения. Для вычисления спектральной эффективности излучения накачки импульсной лампы в полосы поглощения активной лазерной среды на основе стекла, активированного ионами Nd3+, необходимо воспользоваться компьютером и алгоритмом для вычисления интеграла Планка. Алгоритм вычисления интеграла Планка Вычисление мощности излучения в интервале длин волн от λ1 до λ2 производится из уравнения Rλ = 2π hc

λ2 2

dλ , ⎛ hc ⎞ 5 1 λ exp ⎜ ⎟ −1 ⎝ k λT ⎠

∫ λ

(2.5)

где с=2,99792458 м·с-1; h=6,6260755·10-34Дж·с; К=1,380658·10-23Дж / К; S=1м2. В качестве активной среды рассмотрим стекло, активированное трехвалентным ионом неодима (Nd3+), у которого имеются четыре полосы поглощения в спектральных диапазонах длин волн: ∆λГ =(0,57…0,60)мкм; ∆λА=(0,72…0,74)мкм; ∆λБ=(0,77…0,82)мкм; ∆λВ=(0,85…0,88)мкм. Сделаем замену переменных в интеграле Планка x=

hc . kT λ

(2.6)

Тогда λ=

hc hc , dλ = . kTx kTx 2

(2.7)

hc hc , x2 = kT λ2 kT λ1

(2.8)

Введем обозначения x1 =

и запишем интеграл (2.5.) в виде 2π 4 Rλ = 3 2 ( kT ) hc

x2

x3 ∫ exp( x) − 1 dx. x1

20

(2.9)

3

x Обозначим f ( x ) = и рассмотрим интеграл exp( x) − 1 b

∫ w( x) f ( x)dx.

(2.10)

a

Вычислим его с помощью составной квадратурной формулы Гаусса b

∫ w( x)dx = a

h M N ∑∑ α j f 2 i =1 j =1

h⎞ ⎛ ⎜ a + hi + k j ⎟ + R, 2⎠ ⎝

(2.11)

где М – число отрезков дробления, N – степень ортогонального многочлена (с весом w(x)), h – шаг интегрирования и R – остаток. Возьмем в качестве w(x)=1, тогда ортогональными многочленами будут многочлены Лежандра, N=3, h=0,05. Тогда 1

1

к1=1− 3 ; к2=1; к3=1+ 3 ; α1=5/9; α2=8/9; α3=5/9. (2.12) Для остатка имеем оценку (учитывая, что все производные функции f до порядка 5 равномерно ограничены) |f(n)| ≤ h4. При нашем выборе h обеспечена точность R ≤ 10-8(это меньше теоретической, так как неизбежны погрешности при использовании компьютера для подсчета приближенных интегральных сумм (2.11). Программа реализована в системе Delphi 5.0, вычисления значений в таблицах сводится к вычислению интегралов Планка, алгоритм описан выше. Для переменных в программе взят тип extended (19 значащих цифр). Функция exp является стандартной функцией в языке Delphi: function exp(x: extended): extended Программа позволяет изменять значения температур и полос поглощения, для пересчета новых значений следует нажать кнопку ∑. При нажатии этой кнопки запускается алгоритм пересчета, описанный выше. Результаты автоматически заносятся в таблицы и могут быть при желании распечатаны. На рис. 4 приведено окно программы для вычисления интеграла Планка.

21

Рис. 4. Окно программы для вычисления интеграла Планка Также возможно изменить значения констант (встроенные значения взяты из последней (на 1999 год) версии математической программы «Mapple») . Графики строятся по формуле dRλ = 2π hc 2

1 ⎛ hc λ exp ⎜ ⎝ λ kT 5

⎞ ⎟ −1 ⎠

dλ

(2.13)

и также могут быть распечатаны. Кроме того, программа содержит встроенный специализированный калькулятор, предназначенный для вычисления по формулам (2.5) и (2.13). Вычисления по формуле (2.5) производятся также по вышеописанному алгоритму, вычисления по формуле (2.13) производятся непосредственно. Программа автоматически реагирует на все действия пользователя (нажатие кнопок, открытие и закрытие окон программы, ввод цифр и выбор закладок в основном окне), что достигается специальными средствами Windows и запускает соответствующие алгоритмы. Вычисленные значения интеграла Планка в качестве примера приведены в табл. 1. Значения температур изменялись в пределах 1000…10000К в интервале длин волн от 0 до 5 мкм с шагом 0,1 мкм. Для сравнения значений полной мощности, вычисленной из уравнения Стефана – Больцмана и уравнения Планка, интегрирование прово22

дилось в интервале длин волн от 0 до 100 мкм с использованием описанного выше алгоритма. Для вычисления дифференциала Планка (2.13) вычисление проводилось непосредственно с использованием встроенного калькулятора. Результаты вычислений дифференциалов Планка в качестве примера приведены на рис. 5, 6, 7 на которых дополнительно нанесены полосы поглощения Nd3+-стекла. Как видно из рассчитанных зависимостей, мощность излучения черного тела с увеличением температуры возрастает, а ее максимум смещается в сторону коротких длин волн, что вытекает непосредственно из закона Планка. Положение максимума мощности излучения можно определить обычным образом, приравняв нулю первую производную в уравнении Планка, что приведет к закону смещения Вина, который имеет вид λmax =

1 hc , 4,97 kT

(2.14)

где буквенные обозначения имеют такой же смысл, как у Планка. На рис. 8 в качестве примера приведены логарифмические зависимости излучения черного тела в полосах поглощения Nd3+-стекла. Представляет интерес расчет излучаемой мощности черного тела в полосах поглощения Nd3+-стекла (табл. 2) (RλГ, RλA, RλБ и RλВ), а также суммарное поглощение по всем полосам RλΣ(Nd3+). Здесь же приведены суммарные значения излучаемой мощности с единицы поверхности черного тела, рассчитанные по закону Стефана – Больцмана Rλ1Σ=σT4 и по закону Планка 5,0

Rλ∑ =

∫ Rλ dλ .

(2.15)

0,2

Как видно из табл. 2 излучаемая мощность черного тела в полосах накачки Nd3+-стекла RλΣ(Nd3+) также возрастает от 2,3286 Вт/м2 (при Т=1000 К) до 3814197,00 Вт/м2 (при Т=10000 К). Спектральный КПД излучателя (табл. 3) по накачке может быть определен как отношение излучаемой мощности в полосах поглощения Nd3+-стекла к общей энергетической светимости, рассчитанной на основании закона Стефана – Больцмана: η1 =

Rλ∑ ( Nd 3+ ) и на основании закона Планка: , Rλ∑ = σ T 4

23

η2 =

Rλ∑ ( Nd 3+ ) 5,0 ∑

Rλ =

.

∫ Rλ dλ

0,2

На рис. 9 в качестве примера приведены результаты расчетов для Nd -стекла, из которых видно, что максимальный КПД сп сп ηmax = η1 ≈ η2 = 12, 4% при Т=5500 К, и, хотя с повышением температуры η падает до 7,22 % (при Т=10000 К), общий рост излучаемой мощности приводит к росту вкладываемой энергии в данную активную среду. Аналогичные расчеты могут быть проведены для других активных лазерных сред, у которых инверсная населенность может быть достигнута с использованием оптической накачки, для чего необходимо на спектры излучения черного тела «наложить» спектры поглощения иных активных сред для лазеров. 3+

Порядок выполнения работы

1. 2. 3. 4.

5.

6. 7.

8.

Ознакомиться с теоретическими положениями, описывающими механизмы оптической накачки импульсными лампами твердотельных лазеров. Ознакомиться с алгоритмом вычисления интеграла Планка. Включить компьютер и открыть программу “Plank”. Раскрыть табл. 1 и получить у преподавателя пределы изменения температур, ввести их в программу. Изменяя длину волны с шагом 0,1 мкм в пределах от 0,2 мкм до 5,0 мкм произвести расчет мощности излучения черного тела путем расчета интеграла Планка. Раскрыть табл. 2 и получить у преподавателя пределы изменения полос поглощения стекла, активированного ионами Nd3+, и ввести их в программу. Дополнительно ввести значения температур, как в пункте 4, а также константы. Произвести расчет излучения черного тела по отдельным полосам поглощения активной среды и результаты суммировать по всем полосам. Табл. 1 и 2, а также графики распечатать и включить в отчет по лабораторной работе. Рассчитать собственным калькулятором значение максимума излучения черного тела, используя уравнение Вина (2.14) для температуры, указанной преподавателем, и сравнить его со значением, полученным путем расчета уравнения Планка. Произвести расчет спектрального КПД накачки с использованием уравнения Стефана-Больцмана и уравнения Планка. Распечатать зависимости КПД накачки и полученные численные значения пред24

ставить в виде табл. 3. Распечатать логарифмические зависимости интенсивности излучения черного тела в полосах поглощения Nd3+стекла от температуры и зависимости спектрального КПД накачки от температуры. Содержание отчета

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Название и цель работы. Уравнения интеграла и дифференциала Планка. Окно программы для вычисления интеграла Планка (рис.4). Табл. 1 и 2 с расчетом интеграла Планка для мощности излучения черного тела при разных температурах. Табл. 2 с расчетом мощности излучения черного тела в отдельные полосы поглощения и суммарное излучение во всех полосах. Графики зависимости мощности излучения черного тела при разных температурах от длины волны с нанесенными полосами поглощения активной среды (рис. 5, 6 и 7). Логарифмическую зависимость излучения черного тела в полосах поглощения Nd3+-стекла (рис. 8). Зависимость КПД накачки Nd3+-стекла (рис. 9). Литература [4], [5], [6].

1. 2. 3. 4. 5.

Вопросы для самопроверки: Какое тело называется абсолютно черным телом с позиций поглощения и испускания излучения? Сформулируйте закон Кирхгофа, описывающий излучательную способность любого тела. В чем отличие уравнения Стефана–Больцмана от уравнения Планка при расчете мощности излучения черного тела? Какую физическую величину описывает закон Вина? В какую область длин волн происходит смещение максимума излучения черного тела при увеличении температуры? С какой целью производят оптическую накачку активной среды в твердотельных лазерах? Что такое инверсная населенность возбужденного уровня? Какой знак имеет коэффициент поглощения активной среды при достижении инверсной населенности?

25

Таблица 1. Мощность излучения черного тела Δλi, мкм 0.0-0.2 0.2-0.3 0.3-0.4 0.4-0.5 0.5-0.6 0.6-0.7 0.7-0.8 0.8-0.9 0.9-1.0 1.0-1.1 1.1-1.2 1.2-1.3 1.3-1.4 1.4-1.5 1.5-1.6 1.6-1.7 1.7-1.8 1.8-1.9 1.9-2.0 2.0-2.5 2.3-3.0 3.0-3.5 3.5-4.0 4.0-4.5 4.5-5.0 0-100

Rλ, мощность излучения черного тела, Вт/мЗ Т1=1000 К

T2=2000 K

Т3=2600 К

T4=3000 К

Т5=3600 К

Т6=4000 К

T7=4300 K

0.0000 0.0000 0.0000 0.0001 0.0052 0.0990 0.8278 4.0032 13.2552 33.4841 69.3523 123.7499 196.9969 286.9199 389.5241 499.8711 612.8799 723.9181 829.1403 5365.8750 6343.8059 6219.4032 5554.5944 4731.3885 3936.5893 56705.0770

0.0000 0.0843 14.8281 276.1353 1645.3824 5131.9500 10823.1040 17804.0170 24848.9350 30993.0720 35717.9910 38889.3680 40618.4140 41136.0500 40707.9950 39586.3420 37987.4960 36086.0320 34016.0960 138687.6400 94414.2950 63768.2260 43708.5030 30610.1500 21926.5450 907281.3500

0.0091 28.8407 1267.6924 9889 .1741 32203.4570 64777.3210 98263.7400 125268.4400 142827.7300 151239.2200 152307.9600 148161.2700 140682.9400 131331.1400 121146.3000 110824.7200 100804.7700 91342.9150 82571.2250 306735.5400 185657.9100 116106.1400 75417.0460 50773.8230 35293.0620 2591286.3000

0.4269 399.3286 9403.4198 49221.0120 121684.3500 200774.2700 262748.0900 299013.0600 311746.4000 307171.1400 291630.8700 270130.1000 246140.4300 221863.7400 198588.4100 176991.6200 157364.3800 139766.4800 124125.2200 443585.8200 255479.0000 154682.0200 98229.4920 65043.6730 44642.7390 4593111.9000

28.6089 7137.5215 84362.3870 283188.6300 516649.9700 686477.1500 765372.4300 770711.8000 730095.0700 666272.1100 594257.9100 522730.1700 456126.5000 396322.4600 343766.3600 298167.6900 258897.9800 225213.2700 196366.5200 674374.6800 368866.0300 215954.7600 133957.8900 87182.1800 59051.5440 9524276.8000

238.5989 30744.2830 255280.8700 682447.2200 1067377.0000 1272124.5000 1309504.7000 1241181.4000 1121634.1000 985891.5600 852981.5700 731737.7900 625269.8200 533750.2900 456011.8200 390387.9400 335136.6500 288636.0900 249455.1600 840587.1300 448500.5600 258362.5400 158458.2600 102269.4100 68828.2410 14516502.0000

911.3689 77518.4030 513578.2800 1187607.1000 1685252.9000 1875974.8000 1837164.9000 1676977.2000 1471841.0000 1264083.3000 1073362.1000 906709.1700 764883.5500 645874.0900 546707.8200 464299.5900 395819.6500 338821.5900 291250.8600 970119.6200 509783.2100 290760.3500 177089.9400 113707.6100 76224.3960 19386340.0000

27

Окончание таблицы 1 Rλ , мощность излучения черного тела, Вт/мЗ

Δλi, мкм

Т8=5000 К

Т9=5200 К

Т10=5500 К

T11=6000 К

Т12=7000 К

T13=8000 K

Т14=9000 К

T15=10000 К

0.0-0.2 0.2-0.3 0.3-0.4 0.4-0.5 0.5-0.6 0.6-0.7 0.7-0.8 0.8-0.9 0.9-1.0 1.0-1.1 1.1-1.2 1.2-1.3 1.3-1.4 1.4-1.5 1.5-1.6 1.6-1.7 1.7-1.8 1.8-1.9 1.9-2.0 2.0-2.5 2.5-3.0 3.0-3.5 3.5-4.0 4.0-4.5 4.5-5.0 0-100

11369.0540 444064.6200 1909583.5000 3353671.7000 3964879.6000 3887125.6000 3471622.4000 2957116.8000 2460369.0000 2025663.4000 1662395.7000 1365541.8000 1125403.6000 931784.0200 775579.7900 649197.2200 546511.3500 462666.8100 393839.1100 1284675.0000 656642.8400 367811.3000 221190.7200 140695.6400 93636.5640 35440678.0000

20744.6750 673482.1000 2608657.0000 4289538.8000 4856754.9000 4621507.5000 4039639.2000 3386071.8000 2782626.2000 2268737.2000 1847305.3000 1507688.4000 1235907.3000 1018656.9000 844621.0200 704637.0500 591464.8700 499451.4600 424196.6000 1377070.2000 699385.6400 390118.6900 233916.4800 148466.2100 98642.2630 41460581.0000

47285.5030 1191780.1000 3996093.0000 6003944.3000 6408742.2000 5856074.0000 4971768.4000 4077838.3000 3295643.6000 2651911.1000 2136574.4000 1728722.9000 1406908.1000 1152561.2000 950694.9000 789583.8500 660187.5400 555577.3800 470439.4100 1517353.7000 764019.6600 423773.1800 253087.7600 160161.2600 106171.0000 51888697.0000

156850.8000 2734485.8000 7416357.8000 9772151.2000 9580832.1000 8260328.5000 6727234.3000 5349695.9000 422267.2000 3334772.4000 2646757.6000 2115382.8000 1704088.5000 1384036.0000 1133258.9000 935253.9500 777675.2800 651280.7100 549115.3900 1754982.6000 872911.6000 480297.2800 285224.6300 179740.5500 118763.9300 73489791.0000

1060699.1000 10247208.0000 19719511.0000 21105763.0000 18120171.0000 14280160.0000 10910118.0000 8275515.2000 6299695.9000 4836331.7000 3752015.9000 2943302.7000 2334503.4000 1871369.8000 1515240.8000 1238475.1000 1021177.6000 848907.6400 711073.1200 2241147.7000 1094002.6000 594566.1400 350017.3600 219144.5700 144075.8900 136148.9000

4580220.1000 27997188.0000 41306068.0000 37805048.0000 29421970.0000 21712122.0000 15836194.0000 11608393.0000 8609460.1000 6475777.4000 4942080.1000 3825087.3000 3000131.6000 2382326.5000 1913441.6000 1553066.4000 1272802.1000 1052436.4000 877386.1400 2737562.4000 1318175.4000 709967.070 415289.9800 258775.0800 169504.070 232264.030

14637390.0000 61765386.0000 73754399.0000 59788883.0000 43168511.0000 30309552.0000 21347153.0000 15251026.0000 11091733.0000 8215735.5000 6193096.3000 4745159.4000 3690570.2000 2909898.9000 2322922.4000 1875527.3000 1530025.5000 1260019.4000 1046682.2000 3240959.1000 1544432.1000 826130.3600 480884.9500 298557.4700 195010.0900 372042.0700

37840275.0000 11709682.0000 11773997.0000 86679772.0000 59008946.0000 39855126.0000 27317821.0000 19131337.0000 13704095.0000 10030516.0000 7489040.1000 5693236.9000 4399045.8000 3449246.4000 2740530.7000 2203639.3000 1791258.2000 1470498.8000 1218105.1000 3749315.3000 1772161.7000 942830.9600 546706.7100 338446.6100 220570.7500 567050.8500

28

Рис. 5. Мощность излучения черного тела при температурах: 1 – 1000 К; 2 – 2000 К; 3 – 2600 К; 4 – 3000 К; 5 – 3600 К; Позициями Г, А, Б, В – полосы поглощения лазерного элемента на основе Nd-стекла: ΔλГ=(0,57…0,60) мкм; ΔλА=(0,72…0,74) мкм; ΔλБ=(0,77…0,82) мкм; ΔλВ=(0,85…0,88) мкм.

29

Рис. 6. Мощность излучения черного тела при температурах: 1 – 4000 К; 2 – 4300 К; 3 – 5000 К; 4 – 5200 К; 5 – 5500 К; А, Б, В, Г – полосы поглощения лазерного элемента на основе Nd-стекла.

30

Рис. 7. Мощность излучения черного тела при температурах: 1 – 6000 К; 2 – 7000 К; 3 – 8000 К; 4 – 900 К; 5 – 10000 К; А, Б, В, Г – полосы поглощения лазерного элемента на основе Nd-стекла.

31

Таблица 2. Мощность излучения черного тела в полосах поглощения Nd-стекла Т, К R1λ, Вт/м2

1000

2000

2600

3000

3600

R λ∑ ( Nd3+ )

0,0035 0,1001 0,8326 1,3924 2,3286

750,6327 1896,0358 6928,3599 5667,1583 15242,187

12781,7530 18429,8490 55884,1550 38669,9700 125765,730

45091,0860 506769,594 141553,080 90949,0460 328272,800

176865,750 151907,670 388556,320 530541,260 947871,000

R1λ∑ = σТ 4

56705,085 907281,37 2591286,30 4593111,90

9524276,90

35935,684 829398,66 2474922,40 4450425,10

9341503,00

R λГ ( Nd3+ ) R λА ( Nd3+ )

R λБ (Nd3+ ) R λВ (Nd3+ )

R λ∑

5,0

= ∫ R λ dλ 0,2

Продолжение таблицы 2. Т, К R1λ, Вт/м2

4000

4300

RλГ(Nd3+)

350568,130

538981,40 1205433,40 145891,9

1893247,3

R λА (Nd3+ )

263446,250

372649,74 714606,190 834310,54

1031423,5

R λБ ( Nd 3 + )

R λВ ( Nd 3+ )

645272,410 368114,330

888531,95 1621917,80 1872074,2 494685,29 863543,080 986457,60

227809,2 1184153,3

R λ∑ (Nd3+ )

1627401,10

2294848,40 4405500,50 5151634,20

6387733,4

R1λ∑ = σТ 4

14516502,0

19386340,0 35440678,0 41460581,0

51888697,0

14306559,0

19155411,0 35151668,0 41148543,0

51529611,0

R λ∑ =

5000

5200

5500

5,0

∫ Rλdλ

0,2

32

Окончание таблицы 2. Т, К R1λ, Вт/м2

6000

7000

8000

9000

10000

R λ∑ ( Nd 3+ )

2762962,30 1404386,10 3035604,40 1546295,10 8749247,90

5031231,70 2299090,20 4805846,10 2374880,70 14511049,0

7941981,70 3359377,10 6854515,80 3313885,10 21469760,0

11403064,0 4550691,20 9118367,10 4336438,70 29408561,0

15324112,0 5845387,20 11549156,0 5422841,10 38141497,0

R1λ∑ = σТ 4

73489791,0 136148910

232264030

372042070

567050850

72986895,0 13457349

227200250

356852160

528589040

RλГ (Nd3+ )

R λА (Nd3+ )

RλБ(Nd3+) R λВ (Nd3+ )

R λ∑ =

5,0

∫ Rλdλ

0,2

Таблица 3. Спектральный КПД накачки Nd-стекла при разных температурах Т, К ηi, % η1 η2

1000

2000

2600

3000

3600

4000

4300

5000

0 0,01

1,68 1,84

4,85 5,08

7,15 7,38

9,95 11,21 11,84 10,15 11,38 11,98

12,43 12,53

Окончание таблицы 3. Т,К ηi, % η1 η2

5200

5500

6000

12,43 12,52

12,31 12,40

11,91 10,66 9,24 11,99 10,77 9,45

33

7000

8000

9000 10000 7,90 8,24

6,73 7,22

Rэ, Вт/м2

T103, K

Рис. 8. Логарифмическая зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела в полосах поглощения Nd-стекла от температуры: 1 - ΔλГ =(0,57…0,60) мкм; 2 - ΔλА =(0,72…0,74) мкм; 3 - ΔλБ =(0,77…0,82) мкм; 4 - ΔλВ =(0,85…0,88) мкм.; i=4

5 - Δλ = ∑ Δλ i ; 6 - Rэ= σT4. i =1

34

η, %

T103, K

Рис. 9. Эффективность излучения черного тела в полосы поглощения Nd-стекла, где: RΣλ ( Nd3+ ) R Σλ ( Nd 3+ ) 1 - η1 = Σ ; 2 - η2 = 5,0 Rλ =σT4 Σ R λ = ∫ R λ dλ 0,2

35

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА НЕИЗВЕСТНОГО ВЕЩЕСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ (ВРЛС) Цель работы

Изучение физической сущности метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, его модификаций, экспериментальных установок и приобретение навыков измерения узкополосных спектров поглощения вещества. Основные теоретические положения

Абсорбционная спектроскопия располагает мощным методом исследования, называемым методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, базирующимся на высокой чувствительности спектрального распределения излучения широкополосных лазеров к узкополосным потерям, вводимым между зеркалами резонатора. Схема классической экспериментальной установки приведена на рис.10. Исследуемое вещество 5 помещалось в резонатор лазера на красителях (зеркала резонатора 8). Кювета с красителями 4 (активная среда лазера на красителях), помещалась также в резонатор. Для накачки лазера на красителях использовался мощный рубиновый лазер 1. Если из резонатора лазера на красителях убрать исследуемое вещество 5, то спектр генерации, регистрируемый спектрометром 7, будет определяться генерационными характеристиками органического красителя 4. При помещении исследуемого вещества 5 в резонатор лазера на красителе спектр генерации красителя будет изменяться, так как исследуемое вещество вносит узкополосные потери. При известном спектре генерации органического красителя можно зарегистрировать и измерить частотные составляющие, поглощенные исследуемым веществом, и тем самым определить состав вещества, даже если его ингредиенты имеют незначительные концентрации. Высокая чувствительность метода обусловлена многократным прохождением излучения по резонатору и в том числе через исследуемую среду в течение импульса генерации.

36

Рис. 10: Функциональная схема внутрирезонаторной спектральной лазерной установки, где: 1 - твердотельный рубиновый лазер; 2 - рассеивающая линза, 3 - цилиндрическая линза; 4 - кювета с органическим красителем; 5 - кювета с исследуемым раствором вещества; 6 - отражательные зеркала; 7 - монохроматор; 8 - зеркала резонатора жидкостного лазера на красителях; 9 - цифровой вольтметр. Эффективная длина поглощающего слоя Lэф пропорциональна стабильной в окрестности линии поглощения генерации: Lэф = С Т μn ,

(3.1.)

где μn - коэффициент заполнения резонатора средой, а мгновенный спектр лазерного излучения при R≥Rуср определяется как εi /Ii (R и Rуср - усредненные по длине резонатора коэффициент поглощения и пороговый коэффициент усиления, εi и Ii - мощность спонтанного и стимулированного излучений в одном типе колебаний), в районе излучаемой линии поглощения экспоненциально зависит от времени. I(ν, T) = I (ν,0) exp [-k(ν) Lэф].

(3.2.)

Предельная эффективная длина поглощающего слоя ограничивается спонтанным излучением активной среды. Предельная пороговая чувствительность метода достигает значений 10-11 -10-12 см-1 Спектральный коэффициент поглощения k(ν) определяют по временным разверткам спектров: k(ν) = [ln I(ν, t1) - ln I(ν, t2) ] / [μn C(t1 -t2)].

37

(3.3)

Метод внутрирезонаторной спектроскопии нашел многочисленные приложения, и, естественно, привлекательной представлялась идея его использования не только для определения элементного состава вещества, но и для аттестации фазовых и мезоморфных фазовых переходов, а также режимов отверждения, например полимерных сред. Для решения сформулированных задач использование метода ВРЛС в классическом варианте оказалось неэффективным в случаях, когда исследуемое вещество характеризовалось широкими полосами поглощения, если спектр излучения лазера совпадал со спектром поглощения исследуемого вещества или исследуемое вещество было "прозрачным" в области излучения лазера. Для решения указанных задач в Северо-Западном государственном техническом университете была разработана новая модификация метода, которая формально заключалась в том, что исследуемое вещество 5 (рис.10) размещалось с этанольным раствором красителя 4 в одной кювете, а растворитель выпаривался. Такой, на первый взгляд, простой прием изменяет саму физическую сущность метода ВРЛС. Если в классическом варианте метод основывался на внесении узкополосных потерь между зеркалами резонатора лазера на красителях, то в модифицированном варианте - на межмолекулярном взаимодействии исследуемого вещества и генерирующих центров. Модифицированный метод внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, основанный на межмолекулярном взаимодействии генерирующего центра и окружения, позволяет решать целый ряд задач по исследованию как самих веществ, так и технологических режимов и процессов. В теории света волновое уравнение для монохроматической световой волны с длиной λ имеет вид: ∂2ψ/∂x2 + ∂2ψ/∂y2 + ∂2ψ/∂z2 + 4π2 ψ/λ2 = 0.

(3.4.)

Пользуясь теорией де Бройля, длину волны можно выразить через кинетическую энергию электрона следующим образом: Екин = me V2 / 2.

(3.5)

Соотношение между λ и Екин., имеет вид λ2 = h2 / me2 V2 = h2 / 2 me Екин .

(3.6)

Тогда волновое уравнение (3.4) можно представить в виде ∂2ψ/∂x2+∂2ψ/∂y2+∂2ψ/∂z2+8π2meEкин.Ψ/h2=0. 38

(3.7)

Уравнение (3.7) известно как волновое уравнение Шредингера , где Ψ- волновая функция; me -масса электрона; h - постоянная Планка; Eкинкинетическая энергия. При наличии поля Eкин = Е - Епот, где Е - полная энергия электрона; Епот - потенциальная энергия электрона. Тогда уравнение (3.7) можно представить в виде ∂2ψ/∂x2+∂2ψ/∂y2+∂2ψ/∂z2+8π2me(E-Епот)Ψ/h2=0.

(3.8)

С помощью оператора Лапласа уравнение можно преобразовать следующим образом: ΔΨ + 8π2me(E -Епот)Ψ/h2 = 0.

(3.9)

Из уравнения Шредингера (3.9) следует, что существенное влияние на эффективность излучения молекулы красителя, внедренной в исследуемую гомогенную или гетерогенную систему, оказывают свойства окружения молекулы красителя, так как собственные значения уравнения Шредингера зависят от потенциальной энергии взаимодействия примесного центра с окружением (матрицей). Сформулированное следствие из уравнения Шредингера было положено в основу при разработке новой физической концепции метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. Особый интерес представляют задачи по исследованию кинетики отверждения эпоксиолигомеров в присутствии введенных в них молекул органических красителей. При этом измерению подлежат параметры вынужденной генерации органических красителей (интенсивность генерации, энергия и мощность излучения, КПД и спектр генерации) при накачке красителей в полосу их поглощения. Способность нести информацию об изменяющихся свойствах окружения (изменении вязкости, дегазации, изменении температуры, образовании и роста микрорассеивателей - гелей) связаны с изменением внутренней энергии молекулы красителя, вызванной изменением его молекулярной подвижности. Молекулярная подвижность - важная характеристика любой системы, особенно полимерной. Ею определяются релаксационные, а следовательно, технологические и эксплуатационные свойства композиции. В частности, любые изменения физического состояния вещества (фазовые, релаксационные переходы) связаны с изменением молекулярной подвижности. Для изучения последней используются разнообразные методы. Изменением молекулярной подвижности сопровождается процесс формирования сетчатых полимеров на основе олигомеров. Эпоксидные олигомеры и отвердители представляют структурированные продукты, т.е. являются либо слабо, либо сильно ассо39

циированными жидкостями, или, в пределе, частично кристаллическими. Эпоксидные полимеры можно квалифицировать как вещества микронеоднородные по объему. Поэтому всех их и, в особенности, отверждаемые системы в процессе структурообразования, можно отнести к типу "плохо определяемых" дисперсных систем, для которых отсутствуют предварительные сведения о структуре (диапазоне размеров ассоциатов, частиц геля или золя, их концентрации, показателе преломления дисперсной фазы или дисперсионной среды). Все это затрудняет прямое применение известных методов для количественной оценки ассоциативных образований и глобулярной структуры олигомеров дианового и циклоалифатического ряда в процессе их отверждения. С точки зрения высказанных соображений предлагаемый модифицированный метод ВРЛС должен найти применение в следующих основных областях: при исследовании процессов получения полимерных систем и изучении молекулярной подвижности элементов их структуры; при изучении излучательных способностей органических красителей в зависимости от свойств окружающей матрицы; при исследовании агрегатных состояний, фазовых и мезоморфных фазовых переходов в полимерах и жидких кристаллах. Описание лабораторной установки

Схема экспериментальной установки для изучения узкополосных спектров поглощения с целью определения элементного состава неизвестного вещества приведена на рис.11. Экспериментальная лазерная установка содержит два лазера : твердотельный ИАГ:Nd³+-лазер с удвоителем частоты и твердотельный широкополосный лазер на красителях. Твердотельный лазер на алюмоиттриевом гранате с модуляцией добротности и преобразованием частоты излучения при импульсной накачке на основе квантрона с безжидкостным охлаждением предназначен для накачки перестраиваемых лазеров на красителях в полимерных матрицах. Лазер состоит из двух частей: излучателя и блока питания и управления. Излучатель лазера предназначен для генерации импульсов лазерного излучения с длиной волны 532 нм. Функциональная схема излучателя представлена на рис. 12. Резонатор лазера образован зеркалами 1 и 7, пропускание которых на λ=1,06 мкм не превышает 0,5%. Зеркало 7 - плоское, а зеркало 1 - вогнутое сферическое с радиусом кривизны ρ=1 м, что обеспечивает устойчивость резонатора и необходимую стабильность параметров излучения в различных режимах работы, когда

40

термические искажения, возникающие в активном элементе, изменяют параметры резонатора.

Рис. 11. Внутрирезонаторная лазерная установка 1 - зеркало оптического резонатора с коэффициентом отражения 3050%; 2 - зеркало оптического резонатора с коэффициентом отражения 100%; 3 - спектроскопическая кювета с веществом; 4 - дисперсионный двухпризменный элемент; 5 - активный лазерный элемент на твердых растворах красителей; 6 - сферическая линза; 7- монохроматор; 8 - фотоэлектронный умножитель; 9 - блок питания ФЭУ; 10 - цифровой вольтметр; 11 - компьютер; 12 - ИАГ:Nd³+-лазер с удвоителем частоты; 13 - блок питания ИАГ:Nd³+-лазера. Лазерный затвор 2 на эффекте полного внутреннего отражения обеспечивает моноимпульсный режим работы лазера. В исходном состоянии затвор закрыт и пропускание его не превышает 10 % на длине волны 1,06 мкм. В момент достижения максимальной инверсной населенности в активном элементе 3 затвор открывается. Пропускание затвора в открытом состоянии не менее 90 %. Активный элемент 3 изготовлен из алюмоиттриевого граната, активированного трехвалентным ионом неодима Nd 3+. Возвратное зеркало 5 прозрачно для излучения с длиной волны 1,06 мкм, беспрепятственно пропуская его. В то же время зеркало 5 имеет высокий коэффициент отражения для излучения второй гармоники λ =0,532 мкм, вышедшего из

41

нелинейного кристалла 6, и направляет его в направлении выходного зеркала резонатора 7.

Рис. 12. Оптическая схема излучателя 1 – “глухое” зеркало оптического резонатора; 2 – лазерный затвор; 3 – активный элемент; 4 – диафрагма; 5 – возвратное зеркало; 6 – нелинейный кристалл (удвоитель частоты) ; 7 – селективное зеркало оптического резонатора; 8- выходное зеркало. Нелинейный кристалл 6 обеспечивает преобразования частоты излучения во вторую гармонику λ2=0,532 мкм. Оптическая ось кристалла составляет с осью резонатора угол синхронизма θ =29,60. Кристалл ориентирован в резонаторе таким образом, что плоский угол синхронизма составляет с плоскостью поляризации излучения угол 900. Выходное зеркало резонатора 8 отражает излучение основной частоты обратно и выпускает одновременно из резонатора излучение второй гармоники λ2 =0,532 мкм. Блок питания и управления (БПУ) предназначен для преобразования энергии первичного источника к виду, необходимому для функционирования излучателя. Блок питания и управления работает в режимах: - автоматического запуска с частотой 5 Гц, - ручного однократного запуска, - внешнего запуска с частотой до 12 Гц. Состав и функциональные связи между частями БПУ представлены на рис.13. БПУ состоит из блока питания (БП), блока питания вентилятора (БПВ), блока питания дежурной дуги (БПДД), преобразовательнозарядного устройства (ПЗУ), блока управления зарядом (БУЗ), устройства синхронизации (УС).

42

Рис. 13. Состав и функциональные связи между частями БПУ Блок питания предназначен для питания составных частей БПУ нестабилизированным напряжением +27 В и стабилизированным +15 В и 15 В. Блок питания вентилятора предназначен для вентилятора системы охлаждения излучателя. Блок питания дежурной дуги предназначен для поддержания в лампах накачки излучателя маломощного вспомогательного разряда (дежурной дуги). Преобразовательно-зарядное устройство предназначено для зарядки накопительных конденсаторов разрядного контура до рабочего напряжения. В ПЗУ также формируются импульсы запуска разрядных коммутаторов и блока управления затвором. Разрядный контур предназначен для формирования импульсов тока основного разряда в лампах накачки. Блок управления затвором предназначен для формирования импульсов напряжения, обеспечивающих функционирование затвора излучателя. БПУ работает следующим образом: при нажатии кнопки "Вкл." включается реле К1 и напряжение сети поступает на БП, БПДД и БПВ, БП формирует необходимые для работы составные части БПУ напряжения, БПВ запускает вентилятор, а БПДД включается в режим холостого хода, в результате чего к лампам накачки излучателя прикладывается напряжение -800 В. После пробоя разрядных промежутков обеих ламп и установления в них тока дежурной дуги с БПДД на реле К2 по43

ступает напряжение 220 В, реле включается, напряжение сети поступает на накал выпрямителя ПЗУ и буферные конденсаторы начинают заряжаться через токоограничительный резистор. Напряжение с буферных конденсаторов поступает на БП, при достижении 200 В с БП на панель выпрямителя ПЗУ поступает напряжение 220 В, которое включает реле, индуктирующее токоограничительный резистор. При этом на буферных конденсаторах устанавливается напряжение =300 В и лазер готов к работе в режиме однократного запуска. Импульс запуска ПЗУ формируется в устройстве синхронизации. При поступлении импульса запуска ПЗУ начинается цикл зарядки накопительных конденсаторов. При достижении напряжения накопительных конденсаторах уровня необходимой энергии процесс зарядки прекращается и ПЗУ формирует импульсы запуска разрядных коммутаторов, которые поступают на разрядный контур и включают разрядные тиристоры и блок управления затвором. БУЗ с задержкой необходимой для накопления энергии в активном элементе излучателя формирует импульсы напряжений, поступающие на затвор излучателя. БУЗ формирует также импульсы синхронизации внешних устройств. При снижении сопротивления термодатчика "П" до предельного значения УС прекращает формирование импульсов запуска ПЗУ. Электрическая часть излучателя состоит из квантрона, содержащего две лампы накачки, зажигающего устройства ламп накачки, затвора, электровентилятора, системы охлаждения квантрона, термодатчика и цепи блокировки. Лазер широкополосный импульсный на генерирующих органических красителях в твердой полимерной матрице с когерентной накачкой используется в лабораторной работе для исследования материалов с использованием методов лазерной и внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. Широкополосный лазер на красителях имеет диапазон перестройки 440-740 нм. Указанный диапазон обеспечивают тремя лазерными элементами на базе твердой полимерной матрицы, активированной красителями: кумаринами, родаминами и оксазинами. Ширина линии генерации излучения не более 2 нм. Частота следования импульсов совпадает с частотой следования импульсов когерентного источника накачки (1, 5, 10, 25 Гц). Средняя мощность лазерного излучения составляет величину 10 МВт. Диапазон перестройки лазера составляет 15-20 нм. Оптическая схема широкополосного лазера на красителях приведена на рис.11 (позиции 1, 2, 4, 5, 6). Активный лазерный элемент в виде диска с отверстием (позиция 5) установлен в резонаторе на валу двигателя и в процессе накачки совершает вращательное и поступательное

44

(вверх-вниз) движения, так что траектория импульсов накачки представляет спираль, что увеличивает ресурс лазера. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с экспериментальной установкой и принципами ее работы. 2. Убрать из оптического резонатора широкополосного лазера спектроскопическую кювету (позиция 3, рис.11) с неизвестным веществом. 3. Установить на вал двигателя активный лазерный элемент, предложенный преподавателем. 4. Включить ИАГ:Nd³+- лазер и установить частоту следования импульсов накачки, равную 5 Гц. 5. Снять приведенный спектр излучения широкополосного лазера с использованием монохроматора (позиция 7), фотоумножителя и цифрового вольтметра (позиции 8 и 10) путем вращения дифракционной решетки монохроматора в диапазоне длин волн, указанном преподавателем. Определить ширину спектра излучения на уровне 0,5. 6. Изучить спектр генерации широкополосного лазера на мониторе компьютера. 7. Установить спектроскопическую кювету с неизвестным веществом (позиция 3, рис.11) в резонатор широкополосного лазера. 8. Снять спектр излучения широкополосного лазера с неизвестным веществом в оптическом резонаторе. Определить спектральную составляющую, поглощенную неизвестным веществом. Определить амплитуду частотной составляющей, поглощенной неизвестным веществом, и сравнить ее с амплитудой, аналогичной частотной составляющей широкополосного лазера. 9. Результаты измерений внести в таблицу по форме 1 и 2. Расчетная часть

10. Рассчитать приведенные к единице спектры излучения широкополосного лазера и определить ширину спектра излучения на уровне 0,5. 11. Рассчитать приведенный к единице спектр излучения широкополосного лазера, в резонаторе которого находится спектроскопическая кювета с неизвестным веществом. 12. Рассчитать спектральный коэффициент пропускания, используя за⎛ I ⎞

висимость τ = ⎜ ⎟100% , где I0 – интенсивность спектральной состав⎝ I0 ⎠ 45

ляющей, поглощенной неизвестным веществом в спектре широкополосного лазера; I - интенсивность спектральной составляющей поглощенной неизвестным веществом; τ - коэффициент пропускания вещества толщиной h (мм) для монохроматического света длиной волны λ. 13. Рассчитать коэффициент поглощения вещества, используя уравнение α = - lg τ. Форма 2 Спектральные характеристики широкополосного твердотельного лазера Активная среда широкополосного твердотельного лазера на красителях, например Р 6 Ж + полиметилметакрилат Спектр генерации широкоСпектр генерации широкополосного полосного лазера с внесенлазера ными в резонатор узкополосными потерями № опыта Iλ, мВ λ, нм I'λ, мВ λ, нм I'пр Iпр 1 2 3 4 Форма 3 Оптические спектральные характеристики исследуемого вещества Физическая величина

Обозначение

Спектральный коэффициент пропускания Спектральный коэффициент поглощения Ширина спектра широкополосного лазера на уровне 0,5

Численное значение

τλ αλ Δλ

Содержание отчета 1. Схема установки с пояснениями устройства ( см.рис.11). 2. Основные расчетные формулы. 3. Результаты измерений и расчетов по формам 1 и 2. 4. Графики приведенных спектров Iλ= f (λ ) и I'λ = f (λ). 5. Выводы по результатам выполненной работы.

Литература: [7], [8], [9].

46

Вопросы для самопроверки:

1. Сформулируйте физическую сущность метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. 2. В чем заключается основное отличие классического метода ВЛРС от модифицированного? 3. Каким образом рассчитывается приведенный спектр генерации широкополосного лазера на красителях? 4. С позиций каких критериев выбирается когерентный источник накачки лазера на красителях? 5. Какие размерности имеют спектральный коэффициент поглощения и коэффициент пропускания? 6. При использовании метода ВЛРС какие физические величины несут информацию о типе вещества и его концентрации?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ТУШЕНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В АКТИВНЫХ СРЕДАХ ЖИДКОСТНЫХ ЛАЗЕРОВ НА КРАСИТЕЛЯХ Цель работы

Приобретение практических навыков при работе с жидкостными лазерами на красителях. Основные теоретические положения

К одной из разновидностей фотонных реакций с атомами (молекулами) относятся резонансное поглощение (РП), происходящее при настройке лазерного излучения на частоту квантового перехода в спектре исследуемого вещества. Результатом этого процесса является захват лазерного кванта и возбуждение молекулы (атома). Возбуждение снимается либо высвечиванием фотона, либо в столкновениях с молекулами воздуха. В последнем случае энергия падающего излучения эффективно трансформируется в тепловую энергию. РП-сечение определяется квантовой структурой перехода и имеет следующий вид: hνv0Av0 [λ2v0 /4π2hcΔν] [JXj-1 / (2J-1)] ,

47

(4.1)

где νv0 и λv0 - частота и длина волны колебательновращательного перехода; Av0 - вероятность спонтанного перехода между колебательными уровнями V и V0. Множитель Больцмана, определяющий число молекул, находящихся на вращательных уровнях, записывается в виде ХJ =

hBe − hBe (2J+1) exp [ J (J+1)] , 2π kT 2π kT

(4.2)

где J - вращательное квантовое число; Ве - вращательная константа молекулы. Ввиду сложности квантового расчета для оценок часто пользуются интегральной по полосе величиной: σabs = e2f / 4Δνmε0mec ,

(4.3)

где ε0 - диэлектрическая постоянная; e, me - заряд и масса электрона; f - сила осциллятора перехода; Δνm = max (Δν,Δνкв) , где Δν и Δνкв спектральная ширина лазерного излучения и квантового перехода газовой компоненты. Другой разновидностью фотонных реакций является индуцированная люминесценция (ИЛ). Физические процессы, которые лежат в основе этого явления, представляют собой двухступенчатый процесс, на первой стадии которого молекула переходит в одно из разрешенных возбужденных состояний под действием излучения частоты, равной частоте перехода, а затем, возвращаясь в одно из нижележащих состояний, излучает на частоте соответствующего перехода. Схема уровней атомов или молекул и переходов между ними иллюстрируется на рис. 14. В случае резонансной люминесценции (РЛ) лазерное излучение частоты ν0 переводит молекулу в возбужденное состояние m. Переизлучение идет непосредственно с этого уровня при переходе на более низкие уровни энергии. В случае широкополосной люминесценции переизлучение идет через промежуточные уровни m’, заселяемые в результате внутри - и межмолекулярных взаимодействий. При поглощении резонансного фотона на втором этапе возникает конкуренция между процессами высвечивания и столкновений с другими молекулами. Последние приводят к безизлучательному снятию возбуждения, т.е. к переходу энергии падающего излучения в энергию поступательного движения молекул. Вследствие этого эффективность процесса люминесценции уменьшается, происходит тушение. В квазирезонансном случае (ν≈ν0) выражение для дифференциального сечения люминесценция принимает вид

48

(dσ/dΩ)fe = σabsQF/4 π ,

(4.4)

где фактор тушения Q = tex/tN, tex - время жизни возбужденного состояния с учетом тушения; F - доля регистрируемой люминесценции; tex определяется из соотношения 1/ tex = 1/ tN + 1/ te .

(4.5)

Значительную роль в процессе тушения играют молекулы, спектральные линии которых близки к линиям детектируемых молекул. m m1

m

ν

0

νν

m1

0

ν

ν

Рис. 14. Энергетическая диаграмма для изучения механизма люминесценции. Время жизни возбужденных состояний, соответствующих переходам с излучением в УФ- и видимом диапазонах, составляет для свободных молекул 10-5 - 10-6 с, а в ИК-диапазоне 10-1 - 10-5 с. Поскольку время безизлучательной вращательной релаксации равно 10-9 с, а колебательной 10-4 - 10-6 с, то за время жизни возбужденных состояний энергия возбуждения успевает распределиться между различными вращательными и колебательно-вращательными уровнями молекул. В результате спектр люминесценции, особенно в ИК-области, содержит множество линий, соответствующих различным колебательно-вращательным переходам. В УФ-области спектральная структура РЛ-сигнала достаточно проста. Явление люминесценции эффективно используется при исследовании газообразных, жидких и твердых веществ с целью определения их элементного состава и концентрации ингредиентов. 49

В окрашенных веществах параметры люминесценции несут информацию о температурных эффектах тушения люминесценции, о законах изменения вязкости, влияния дегазации и т.п. Известны работы, в которых интенсивность люминесценции использовалась как информативный параметр при исследовании фазовых изменений состояний вещества, в частности, при исследовании температуры стеклования в термопластах, предварительно окрашенных органическими красителями. Стимулированная люминесценция возбуждалась накачкой от импульсных ламп в полосу поглощения органических красителей. В работе приведены результаты измерений температурных зависимостей продуктов перекисного окисления липидов. При повышении температуры авторы наблюдали изменение структуры липосом (переход гель - жидкий кристалл). Этот переход характеризуется повышением молекулярной подвижности, как в полярной, так и в гидрофобной части липидных структур. Общим результатом для указанных исследований являлось то, что авторы обнаружили на температурных зависимостях интенсивности люминесценции изломы (разрывы функций первого рода) в области фазовых переходов. Описание лабораторной установки

В экспериментальной установке (рис. 15) разряд ртутной лампы 3 фокусируется при помощи двухлинзового конденсора 5 на щелевую диафрагму 6, имеющую размеры 0,85-0,35 мм. Изображение диафрагмы проецируется объективом "Юпитер-3" 7 в центр кюветы с исследуемым веществом 14. В оптическую схему источника света входит набор светофильтров 8, позволяющий из белого света ртутной лампы выделять линии ртути с λ1=546 нм, λ2 =436 нм и λ3 = 365 нм (зеленая, синяя и ультрафиолетовая линии ртути). Позицией 9 на схеме указан набор нейтральных фильтров, позволяющих регулировать интенсивность свечения каждой линии ртути. В оптическую схему источника света включена призма Франка-Риттера 10, позволяющая производить измерения как в естественно-поляризованном свете, так и в вертикально- или горизонтально-поляризованном свете. Кювета 14 с исследуемым веществом расположена в ультратермостате 13, снабженным терморезистором 12 и блоком отсчета температуры 11.

50

Рис. 15. Функциональная схема экспериментальной установки для исследования спектров фотолюминесценции 1 – блок питания ртутной лампы ДРШ-250; 2 – блок охлаждения ртутной лампы; 3 – ртутная лампа ДРШ-250; 4 – пластина, предохраняющая оптическую систему при взрыве лампы; 5 – конденсор; 6 – щелевая диафрагма; 7 – фотообъектив; 8 – светофильтры; 9 – нейтральные фильтры; 10 – поляризатор; 11 – индикатор температуры; 12 – терморезистор; 13 – ультратермостат; 14 – исследуемый образец; 15 – термостат; 16 – самописец; 17 – вольтметр; 18 – фотоумножитель; 19 – блок питания; 20 – блок питания ФЭУ; 21 – конденсор; 22 – цветной фильтр. Температурный режим в ультратермостате регулируется задающим термостатом 15. Свет от ртутной лампы, проецируемый указанным образом на исследуемую смесь, вызывает люминесценцию органического красителя в полимерном растворителе. Процесс люминесценции сопровождается поглощением света от ртутной лампы при накачке исследуемого материала в полосу поглощения. Свет люминесценции проецируется при помощи двухлинзового конденсора 21 на щель монохроматора 20. В оптическую схему фотоприемника включен набор цветных фильтров 22, позволяющих отфильтровать свет накачки. С выхода монохроматора свет поступает на фотоприемник 18 (фотоумножитель), с выхода которого электрический сигнал подается на схему регистрации - самописец 17 и цифровой вольтметр 16.

51

Порядок выполнения работы

Измерительная часть 1. Ознакомиться с описанием установки и принципами ее работы. 2. Установить в ультратермостат (позиция 14) исследуемую активную среду. 3. Включить блок охлаждения ртутной лампы, открутив вентиль водопровода. 4. Включить блок питания ртутной лампы ДРШ-250 (позиция 1) и блок питания ФЭУ (позиция 19). 5. Включить нагреватель и термостат (позиция 15). 6. Изменяя положение цветных фильтров (позиция 8), выделить линию ртути с длиной волны λ=546 нм (зеленая область излучения). 7. С помощью фотообъектива (позиция 7) сфокусировать излучение ртутной лампы в виде полоски на кювете с исследуемым образцом. 8. Установить призму Франка-Риттера (позиция 10) в положение, соответствующее естественно-полярному свету. 9. В поток излучения ртутной лампы ввести нейтральный фильтр, указанный преподавателем. 10. Вращая дифракционную решетку монохроматора (позиция 20), установить длину волны по шкале λ=560 нм. Изменяя длину волны с шагом 5 нм, снять показания вольтметра в пределах длин волн от 560 нм до 600 нм, при температуре 200С. 11. Вращая дифракционную решетку монохроматора (позиция 20) установить на шкале длину волны λ=575 нм (наблюдая визуально через щель желтое свечение). 12. Снять показания вольтметра (позиция 17) при различных температурах люминесцирующей активной среды (позиция 14). 13. Значения температуры снимать с индикатора от 30 до 100 0С. Результаты измерений занести в таблицу по форме 4. Расчетная часть

Форма 4 Измеряемые величины и их оценки Например, родамин 6 Ж + этанол U, мВ при λmax=const T, 0 С

Испытуемый образец № п/п 1 2 3

λ, нм 560 565 570

U, мВ

U, пр.

52

Окончание формы 4 4 5 6 7 8 9 1. 2. 3. 4.

575 580 585 590 595 600 Содержание отчета Схема установки с пояснением устройства (см. рис.15) Результаты измерений и расчетов по форме 4. Графики зависимости Uпр~f(λ) и U|λmax=const=f(T). Выводы по результатам выполненной работы. Литература: [10], [11], [12].

1. 2. 3. 4.

Вопросы для самопроверки: Какие активные среды для жидкостных лазеров на красителях Вам известны? Объясните физический смысл механизма спонтанного излучения. Как объяснить механизм температурного тушения люминесценции в растворах органических красителей для квантовой электроники? Каким образом обеспечивается стабилизация температуры в жидкостных лазерах на красителях?

53

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МЕТОДОМ СОВМЕЩЕННОЙ ДИФРАКЦИИ Цель работы

Приобретение практических навыков и умений при работе с оптическими квантовым генераторами (лазерами) в дифракционной области излучения. Основные теоретические положения

Для любого волнового процесса характерны два явления: интерференция и дифракция. При интерференции происходит наложение двух когерентных волн, т.е. волн с одинаковой длиной волны и постоянной разностью фаз, что приводит к усилению или ослаблению волнового возмущения. В результате возникает интерференционная картина в виде светлых и темных линий. Явление дифракции связано с огибанием волновым фронтом препятствий. В области за препятствием дифрагированные волны накладываются друг на друга, происходит их интерференция, результат которой можно наблюдать на экране в виде дифракционных картин (в работе на препятствие, оставляющее световое поле в виде щели, падает плоская волна, поэтому в дальнейшем будем иметь ввиду только этот случай). Структура возникающих картин существенно зависит от способа наблюдения явления. Если экран расположен сравнительно близко от щели, то распределение интенсивности центрального пятна на экране (изображение щели) будет сильно меняться в зависимости от b, расстояния между экраном и щелью (дифракция Френеля). В частности, как показывает расчет, при выполнении условия d=1,85 2bλ ,

(5.1.)

где d- ширина щели, λ –длина волны (центральная часть изображения будет наиболее тусклой (см.рис.16), откуда видно, что интенсивность в центре картины в 2,5 раза меньше интенсивности боковых максимумов). В работе ведется визуальный поиск этого положения, его геометрия фиксируется, расстояние b измеряется. При достаточном удалении экрана от щели ситуация в значительной степени меняется: дифрагированные волны на больших расстояниях образуют параллельные пучки с 54

плоскими фронтами и при своем наложении создают качественно новую дифракционную картину (дифракция Фраунгофера). Ее отличительной чертой является наличие сильного центрального максимума и слабых боковых (см.рис.17.), расположенных в соответствии в требованием: d(D/L)=2,86λ,

(5.2.)

где D-расстояние между центрами боковых максимумов; Lрасстояние от щели до экрана. При получении четкого изображения геометрия опыта фиксируется, расстояния L и D измеряются. Основной идеей метода является совмещение результатов измерений в указанных дифракционных положениях при неизменной ширине щели. Рассматривая соотношения (5.1.) и (5.2.) как два уравнения с двумя неизвестными λ и d и решая их, получаем основные расчетные формулы: λ=0,837 b (D/L)2

(5.3)

d=2,395 b(D/L)

(5.4)

Рис. 16. График зависимости относительной интенсивности на экране от расстояния X до центра картины при выполнении условия (5.1.) (частный случай дифракции Френеля); I0 – интенсивность без препятствия.

55

I 1

δ −2π

−π

0

Рис. 17. График распределения при дифракции Фраунгофера.

π

2π

интенсивности

на

экране

Описание лабораторной установки

Для изучения явления дифракции в лабораторных условиях очень удобным волновым источником является лазер, так как его излучение обладает рядом важных для этого свойств: большой мощностью излучения, высокой степенью монохроматичности и когерентности. Схема лабораторной установки показана на рис... Установка состоит из лазера 1, оптической скамьи 2 с масштабной линейкой, на которой свободно перемещаются экран 3 со щелью и экран 4 для наблюдения картины Френеля, а также экран 5 для измерения по картине Фраунгофера.

Рис. 18. Схема лабораторной установки 56

Порядок выполнения работы

Ознакомиться с конструкцией установки и принципом ее работы. Включить лазерную установку (после разрешения преподавателя). Поставить в непосредственной близости от апертуры лазера экран 3 со щелью и экран 4 для наблюдения. Плавно удаляя последний, наблюдать на нем постепенное увеличение интенсивности и последующий спад. Зафиксировать положение наименьшей интенсивности в центре картины, расстояние измерить. Опыт повторить пять раз, результаты измерений занести в таблицу по форме 1. Снять экран 4 со скамьи и перейти к измерениям на экране. Варьируя положение экрана 3 со щелью, добиться четкого изображения дифракционной картины. Измерить расстояние L и D (см. формулу 5.2.) Опят повторить пять раз, результаты измерений занести в таблицу по форме 1. Расчетная часть Форма 1. Измеряемые величины и их оценки № опыта 1 2 3 4 5 оценка значение

bi

Δbi

(Δbi)2

Di

ΔDi

(ΔDi)2

Li

ΔLi

(ΔLi)2

b

Δb

εb

D

ΔD

εD

L

ΔL

εL

1.) Рассчитать средние значения, абсолютные и относительные ошибки по формулам: а) для измеряемых величин n Χ = 1 ∑ Χ i ; ΔΧ i = Χ i − Χ ; ΔΧ = n i =1

2 tα n

n n ( n − 1 ) ∑ ( ΔΧ i ) 2 + ( 2 σ ) 2 3 i =1

; ε Χ = ΔΧ / Χ

где n- число измерений, t αn - коэффициент Стьюдента (находится по таблице), σ – погрешность прибора (половина цены деления линейки); б) для расчетных величин 1

1

λ = 0,837b(D / L)2; d = 2,395b(D / L); ελ = (ε2b + 4ε2D + 4ε2L ) 2 ; εd = (ε2b + ε2D + ε2L ) 2 ; Δλ = λ ⋅ ελ; Δd = d ⋅ εd

57

2.) Записать окончательные результаты в виде ( А , мм : )

λ = λ ± Δλ; d = d ± Δd

Примечание: удобно выразить d в мм; λ в ангстремах (1 А =10-10м). Содержание отчета

Схема установки с пояснением устройства (см.рис.18). Основные расчетные формулы. Результаты измерений и расчетов по форме 1. Последовательный расчет величин λ и d с записью окончательного результата. Выводы по результатам выполненной работы. Литература [13],[14],[15]. Вопросы для самопроверки: Какие явления характерны для волновых процессов? Каковы принципиальные отличия дифракции Френеля от дифракции Фраунгофера? В чем заключается идея метода совмещенной дифракции?

58

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА И КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ КАЛОРИМЕТРИИ Цель работы

Приобретение практических навыков при работе с оптическими спектрофотометрами в задачах исследования окрашенных веществ и материалов. Основные теоретические положения

Одной из основных задач в таможенном деле, криминалистике, геологии, экологии и других родственных отраслях науки является задача определения элементного состава и концентрации ингредиентов в различных веществах. В настоящее время разработаны и эффективно используется целый ряд методов и средств в области анализа веществ, среди которых особое место занимают калориметрические методы, разработанные на основе законов Бугера-Ламберта-Бера. Калориметрия – метод определения концентрации вещества в растворе по поглощению света. Метод основан на измерении ослабления светового потока, происходящего вследствие избирательного поглощения света определяемым веществом. Существует спектрофотометрический и фотометрический методы абсорбционного анализа. Первый основан на измерении в монохроматическом потоке света (свет с определенной длиной волны), а второй – на измерении в не строго монохроматическом пучке света. Определяемый компонент при помощи химической реакции переводят в окрашенное состояние, после чего каким-либо инструментальным способом измеряют интенсивность окраски полученного раствора. Таким образом, в калориметрии играют существенную роль вопервых, правильно выбранные условия протекания реакции по переводу определяемого компонента в окрашенный раствор, и во-вторых, знание оптических свойств окрашенных растворов, что позволяет правильно выбрать способ измерения интенсивности окраски. При прохождении пучка белого света интенсивностью I0 через стеклянный сосуд, заполненный исследуемым раствором, происходит ослабление интенсивности I0 первоначального светового потока, и выходящий пучок света будет иметь интенсивность I
Интенсивность светового потока – это мощность излучения, испускаемого источником света в определенном направлении внутри телесного угла, равного единице. Ослабление интенсивности связано: - с отражением на границах стекло-воздух и стекло-раствор (Iот); - с рассеянием света, вызванном присутствием взвешенных в растворе частиц (Iр); - с поглощением (абсорбцией) световой энергии раствором Iп. Степень поглощения светового потока раствором неодинакова для потоков с различными λ, составляющих белый свет. Цвет раствора, который воспринимается нашим глазом, обусловлен цветом той части падающего пучка света, которая прошла через раствор не поглощенной. Кажущийся же цвет раствора является дополнительным к цвету поглощенного раствора. В – толщина слоя раствора; I0 – интенсивность входящего монохроматического светового потока; I – интенсивность выходящего светового потока. Оптическая плотность раствора определяется по формуле: Д= lg I0 / I, где Д- оптическая плотность раствора; отношения I0/I, I/I0 и Iп/I0 характеризуют : I/I0 = τ - прозрачность раствора; I0/I =1/τ – его непрозрачность, или поглощение; Iп/I0 - поглощающая способность. Для расчета коэффициента пропускания используется зависимость

(

τλ = I λ

I λ0

)⋅100% ,

(6.1.) где Iλ - интенсивность света, прошедшего через измеряемый образец, Iλ0 - интенсивность света, проше6дшегочерез контрольный образец, коэффициент пропускания которого принимается за единицу. Показатель поглощения вещества αλ для света с длиной волны λ определяется из уравнения:

α λ = −d −1 ln τλ ,

(6.2.) где τλ – коэффициент пропускания вещества толщиной d (мм) для монохроматического света длиной волны λ. Оптическая плотность Dλ связана с показателем поглощения αλ и коэффициентом пропускания τλ следующим уравнением (рис.19):

D λ = − lg τλ = α λ ⋅ d D

Уравнение гера-Ламберта.

λ

I = lg λ 0

(6.3.) Iλ

- математическое описание закона Бу-

60

Слои данного вещества одинаковой толщины при прочих равных условиях всегда поглощают одну и ту же часть падающего на них светового потока. Бэр установил, что при прохождении света через газы и растворы, степень поглощения света зависит от числа частиц в единице объема. Т.е. поглощение зависит от концентрации вещества:

Dλ = α λ ⋅ d ⋅ C ,

(6.4.)

где С – концентрация вещества, d – толщина слоя (см. рис.20). Таким образом, основной закон калориметрии может быть сформулирован следующим образом: оптическая плотность растворов при прочих равных условиях прямо пропорциональна концентрации вещества и толщине поглощающего слоя. Калориметрический метод эффективен при исследовании окрашенных растворов и оптически прозрачных веществ. Приборы, применяемые в калориметрии, делятся на два типа: Приборы непосредственного сравнения – пробирки, цилиндры, колбы, компараторы, калориметры. Использование этого типа приборов позволяет осуществить визуальное сравнение интенсивности окрасок испытуемого и стандартного растворов. Фотометры – приборы, основанные на сравнении абсолютных или относительных интенсивностей световых потоков, прошедших через растворы. Они позволяют обходиться без непосредственного сравнения окрасок исследуемого и стандартного растворов, за счет применения соответствующих оптических систем. Фотометры, в которых используется поглощение монохроматического света, называются спектрофотометрами. Визуальные методы в настоящее время все еще остаются основными в практике лаборатории. В этих методах сравнение окрасок испытуемого и стандартного растворов производится глазом экспериментатора, что, естественно, допускает некорректность результатов анализа. Из известных методов эффективно применяются метод стандартных серий и метод уравнивания интенсивностей окраски в калориметрах для производства массовых анализов.

61

λ, нм

Dλ

h, мм

Рис. 19. Зависимость оптической плотности от длины светового пучка или толщины кюветы

λ, нм

Dλ

c, мГ/см3

Рис. 20. Зависимость оптической плотности от концентрации вещества

62

Метод стандартных серий имеет ряд преимуществ: - не требуется, чтобы окрашенные растворы подчинялись закону Бэра; - анализ проводится быстро; - используется дешевое и доступное оборудование; - дает хорошие результаты в случаях, когда реактив окрашен и его окраска отличается от окраски комплекса. Недостатки метода стандартных серий: - неприменим, если окрашенные растворы неустойчивые во времени; - в случае неустойчивости окраски растворов необходимы имитирующие растворы соединений с более устойчивой окраской; - для приготовления цветовой шкалы необходимо строго использовать гостированные пробирки и колбы одинаковой формы, диаметра, состава и цвета стекла. Окраска испытуемого раствора сравнивается с серией стандартных растворов различной концентрации (стандартная цветовая шкала). Сравнение окрасок следует производить при рассеянном свете на фоне матового стекла или листа белой бумаги. Метод уравнивания интенсивности окраски. Содержание вещества в используемом растворе можно определять уравниванием интенсивностей окрасок испытуемого и стандартного растворов путем изменения толщины слоя, через который проходит свет. Измерения производят с помощью калориметров. Достоинства метода уравнивания интенсивности окраски: быстрота проведения анализа, использование дешевого и доступного оборудования. К недостаткам метода уравнивания интенсивности окраски относится то, что точность сравнения интенсивностей окрасок невелика, так как потоки света, проходящие через раствор и попадающие в глаз экспериментатора, пространственно разделены, т.е., возможно рассеивание светового потока, прошедшего через слой раствора. В качестве калориметра сливания используют цилиндры. Окрашенные испытуемый и стандартный растворы наливают в цилиндры и наблюдают интенсивность окраски сверху, через всю толщу раствора. Затем, сливая более интенсивно окрашенный раствор, уменьшают толщину его слоя, добиваясь одинаковой интенсивности окраски раствора в обоих цилиндрах. Общие недостатки визуальной калориметрии: - субъективизм, вызванный индивидуальными особенностями зрения экспериментатора; - невозможность работы людей, страдающих дальтонизмом; 63

- быстрая утомляемость глаза экспериментатора. Инструментальный метод определения концентрации вещества в растворе основан на измерении ослабления светового потока, происходящего вследствие избирательного поглощения света определяемым веществом. Абсорбционный спектральный анализ. В этом случае используется фотометр фотоэлектрический, предназначенный для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности прозрачных жидкостей, растворов и прозрачных твердых образцов, а также для измерения скорости изменения оптической плотности вещества и определения концентрации вещества в растворах после предварительной градуировки фотометра исследователем. Принцип действия фотометра основан на сравнении светового потока Ф0, прошедшего через растворитель или контрольный раствор, по отношению к которому проводится измерение, и светового потока Ф, прошедшего через исследуемую среду. Световые потоки Ф0 и Ф фотоприемником преобразуются в электрические сигналы И0, И и Ит (Ит – сигнал при неосвещенном приемнике), которые обрабатываются микро-ЭВЬ фотометра и представляются на цифровом табло в виде коэффициента пропускания, оптической плотности, скорости изменения оптической плотности, концентрации. Коэффициент пропускания τ исследуемого раствора определяется как отношение потоков и сигналов: τ = Ф / Ф0 ⋅100% = ⎡⎢ И − И т / И0 − И т ⎤⎥ ⋅100% ⎣ ⎦ (6.5.) Оптическую плотность Д определяем по уравнению:

)(

(

(

И − Ит 1 Д = lg = lg 0

τ

)

( И − Ит )

)

(6.6.) Скорость изменения оптической плотности А определяем из уравнения: (6.7.) А=(Д2 –Д1 )/ t, где (Д2 –Д1 ) – разность значений оптических плотностей за временной интервал t в минутах. Время t может принимать значения: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 минут. Концентрацию С находим: С=Д·F, (6.8.) где F- коэффициент факторизации, определяется потребителем и вводится с цифровой клавиатуры в пределах от 0,001 до 9999. Для детектирования прозрачных или слабо окрашенных веществ, например, микроорганизмов или болезнетворных бактерий в питьевой 64

воде, в Северо-Западном заочном государственном техническом университете была предложена и разработана новая модификация инструментального метода детектирования бактерий в питьевой воде, а также позволяющая определять их концентрацию, заключающаяся в наведении искусственных полос поглощения по грамму или Цилю-Нильсону. Например, использование спектрофотометрического метода для идентификации типа бактерий связано с некоторыми сложностями, заключающимися в том, что большинство бактерий являются неокрашенными или слабо окрашенными, и их растворы характеризуются малым ( < 0, 01 ) значением оптической плотности. Кроме этого для определения концентрации бактерий в питьевой воде используемый метод должен обладать высокой чувствительностью, так как микробиологические критерии качества питьевой воды предполагают полное отсутствие бактерий или их наличие в чрезвычайно малых количествах. В спектрофотометрическом методе световой пучок проходит через кювету один раз и величина коэффициента поглощения при наличии в кювете нескольких бактерий будет настолько мала, что определить их концентрацию спектрофотометрами становится невозможным. Известны методы окраски микробиологических препаратов с целью определения как их наличия (оксидазный тест), так и концентрации их в растворах. Для этого используют специальные среды и реактивы: - Агар с эозиновым метиленовым синим (сухой) – ТУ 42.14.95-77. Индикаторы: - Бриллиантовый зеленый ТУ 6-09-4278-76; - Метиленовый синий; - Натрий двууглекислый по ГОСТ 2156-76; - Кислота ортофосфорная ТУ 6-09-4229-76; - Магний хлористый 6-водный по ГОСТ-4209-77; - Натрий азид; - Висмут-сульфат агар сухой 42.14.127-78 Окраску бактерий и микробиологических препаратов производят для того, чтобы их наблюдать под микроскопом, т.к. бактерии обладают тинкториальными свойствами, т.е. способностью воспринимать красители и характерно окрашиваться. Наибольшее значение для идентификации бактерий имеют сложные дифференциальные методы, и, в первую очередь, метод Грама, позволяющий различать грамположительные и грамотрицательные бактерии. При окраске по методу Грама грамположительные бактерии окрашиваются в сине-фиолетовый цвет, а грамположительные – в бордово-красный цвет, что отражает различия в строении клеточных стенок бактерий двух групп. Окрашивание по Граму

65

производят следующим образом: препарат на предметном стекле высушивают на воздухе и фиксируют нагреванием. Затем его окрашивают, например, генцианом фиолетовым или кристаллическим фиолетовым в течение 2 минут. Производят окраску в растворе люголя в течение 2 минут, а затем краситель сливают. Промывают спиртом до видимого обесцвечивания, а затем водой. Производят контрастирующее окрашивание фуксином в течение примерно 1 минуты и промывают водой. Грамположительные бактерии окрашиваются в синий цвет, а грамотрицательные – в красный цвет. Из других методов используют метод окраски по Цилю-Нильсону, позволяющий выявлять кислоустойчивые формы бактерий и споры (покоящиеся формы). Например, микробактерии туберкулеза окрашиваются в красный цвет,, а некислоустойчивые клетки – в синий цвет. При окрашивании по Цилю-Нильсену препарат на предметном стекле высушивают на воздухе и фиксируют нагреванием, затем наносят карболфуксин, после чего нагревают стекло три раза до температуры кипения, проводят дифференцирование с помощью спирта с добавлением HCl в течение 1-2 минут. Затем производят контролирующее окрашивание щелочным метиленовым синим в течение 3 минут. Кислоустойчивые бактерии окрашиваются в красный цвет. Другие бациллы – в синий цвет. Окрашивание можно производить с использованием метиленового синего Лефлера. Для чего несколько капель метиленового синего Лефлера наносят на препарат и оставляют примерно на 2 минуты. Затем препарат промывают водой и сливают краситель. Бактерии окрашиваются в ярко-синий цвет, человеческие клетки - в бледно-синий цвет. С позиций квантовой оптики процесс окрашивания бактерий1 можно интерпретировать как искусственное наведение полос поглощения, что приведет к существенному увеличению оптической плотности. Вместе с тем, жесткие требования, обусловленные предельно допустимыми концентрациями (1-5 бактерий в трех стомиллилитровых пробах воды) не позволяют использовать традиционные методы калориметрии для их идентификации. В этом случае эффективным методом инструментальной идентификации типа бактерий является метод внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (см. лаб раб. №3), который совместно с дифференциальными методами окраски по Граму и ЦилюНельсону позволит в конечном итоге создать новую классификацию бактерий по полосам поглощения ( атлас линий поглощения).

66

Разработанный метод позволяет также реализовать селективную стерилизацию одного сорта бактерий, путем их облучения лазером с длиной волны, совпадающей с наведенной полосой поглощения. Описание лабораторной установки

Оптическая схема спектрофотометра типа СФ приведена на рис. 21, где 1- входная, 2 – промежуточная, 3 – выходная щели, 4 –вращающееся секторное зеркало, 5- решетки. В фотоэлектрических фотометрах глаз экспериментатора заменен приемником энергии – фотоэлементом, в котором световая энергия преобразуется в электрическую. Это позволяет проводить калориметрические измерения не только в видимой области, но и других областях спектра – УФ- и ИК-диапазонах. К достоинствам фотоэлектрических приборов относятся: - точность измерений и независимость их от субъективных особенностей зрения экспериментатора; - возможность автоматизировать определение концентрации веществ при химическом контроле. Метод с использованием фотометров аналогичен визуальной калориметрии и основан на зависимости изменения интенсивности световых потоков при их прохождении через раствор от концентрации растворенного вещества (т.е. базируется на законе Бугера-Ламберта-Бэра). Фотометр выполнен в виде одного блока. На металлическом основании закреплены узлы фотометра, которые закрываются кожухом. Кюветное отделение закрывается съемной крышкой. В фотометр входят фотометрический блок, блок питания и микропроцессорная система. Фотометрический блок состоит из осветителя, монохроматора, кюветного отделения, кюветодержателя, фотометрического устройства. Конструкция механизма осветителя обеспечивает перемещение лампы в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Монохроматор служит для получения излучения заданного спектрального состава и состоит из корпуса, узла входной щели, сферического зеркала, дифракционной решетки, узла выходной щели и синусного механизма. Имеется ручка, которая служит для поворота дифракционной решетки через синусный механизм и установки требуемой длины волны (в нм).

67

Рис. 21. Спектрофотометр СФ-8

68

Кюветное отделение представляет собой корпус, который с помощью болтов крепится к корпусу монохроматора. В правой части этого корпуса расположен карман с крышкой, в котором установлено фотометрическое устройство. В фотометрическое устройство входят фотоэлемент и усилитель постоянного тока, который устанавливается в фотометр через разъем. В спектрофотометрах нашли применение селеновые, сурьмяноцезиевые и кислородно-цезиевые фотоэлементы. Селеновые фотоэлементы пригодны для измерений только в видимой области спектра (400-700 мм). При из применении не требуется усиливать фототок, так как они обладают высокой чувствительностью, а следовательно, можно измерять обычным гальванометром. Но для измерения в узких участках спектра их применять нельзя, так как узкополосные светофильтры значительно ослабляют световые потоки, и в этом случае селеновые фотоэлементы их не фиксируют. Сурьмяно-цезиевые и кислородно-цезиевые фотоэлементы обладают небольшой чувствительностью, поэтому возникающие фототоки необходимо усиливать. Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент применим в УФ и видимой области спектра (120-627 ам), а кислородно-цезиевый – в видимой и ИК областях (600-1200 нм), этот элемент является наиболее чувствительным к температурным колебаниям. Простота схем усиления фототоков позволяет создать высокочувствительные фотоэлектрические фотометры и проводить при этом измерения в узких по спектральному составу световых потоках. Концентрацию определяют с помощью градуированных графиков, при построении которых руководствуются следующим: - измерения начинают через 15-20 минут после включения прибора, чтобы установился режим накала лампы осветителя; - измеряемые оптические плотности должны лежать в интервале 0,2-0,8, т.к. в этой области относительная ошибка измерения наименьшая. Порядок выполнения работы Измерительная часть Ознакомиться с конструкцией установки и принципом ее работы. Получить у преподавателя кювету с исследуемым веществом и кювету с растворителем (эталоном). Включить спектрофотометр.

69

Установить в кюветодержатель кюветы с растворителем (эталоном) и с исследуемым веществом. Кюветодержатель установить в кюветное отделение так, чтобы две маленькие пружины находились с передней стороны. Поворотом рукоятки до упора влево ввести в световой пучок кювету с растворителем. Установить требуемую длину волны и, регулируя ширину щели, добиться показания пропускания на эталоне, равного 100%. Поворотом ручки вправо до упора ввести в световой пучок исследуемый раствор и при той же ширине щели и длине волны снять показания оптической плотности и пропускания исследуемого раствора. Повторить измерения указанных физических величин в диапазоне длин волн, предложенном преподавателем. Учесть, что при открытой крышке кюветного отделения шторка перекрывает световой поток. Результаты измерений занести в таблицу по форме 1. Расчетная часть Форма 1. Измеряемые величины и их оценка

№ пп

Исследуемое вещество λ, нм τλ , %

Растворитель Dλ Dλ/ Dλmax

τλ/τλmax

1 2 3 4 5 1.Построить графики зависимостей τλ/τλmax ~ f(λ) и Dλ/ Dλmax~f(λ). 2.Рассчитать концентрацию вещества, используя уравнение Бэра: Dλ=αλBC, где: Dλ - оптическая плотность вещества при прохождении света с определенной длиной волны. Значение Dλ взять для максимального поглощения вещества, αλ – коэффициент пропускания вещества и

αλ = −

1 ln τλ Dλ .

Содержание отчета

Оптическая схема спектрофотометра с пояснением узлов приборов. Основные расчетные формулы. Результаты измерений и расчетов по форме 1. 70

Графики зависимостей приведенных значений оптической плотности и коэффициента пропускания от длины волны. Выводы по результатам выполненной работы. Литература [16],[17], [18]. Вопросы для самопроверки: Какие методы визуальной калориметрии Вам известны? Укажите основные недостатки методов визуальной калориметрии. В чем принципиальное отличие методов инструментальной калориметрии от визуальной? Какие физические величины можно измерить спектрофотометром? Сформулируйте закон Бугера-Ламберта и закон Бэра. Какие физические величины связывают указанные законы?

71

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (ПРИ ИХ НАГРЕВАНИИ) МЕТОДАМИ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ Цель работы

Приобретение практических навыков при работе с голографическим интерферометром при решении задач оптимизации температурных режимов активных элементов твердотельных лазеров. Основные теоретические положения

При работе лазера в непрерывном и импульсном режимах необходимо учитывать изменение его энергетических характеристик под воздействием нагрева активной среды. Увеличение температуры в лазерной активной среде приводит к уменьшению интенсивности люминесценции, уменьшению коэффициента усиления за счет уменьшения поперечного сечения генерационного перехода, а также термическим заселением нижнего рабочего уровня. Особый интерес представляют оценки влияния температуры на работу активных сред в жидкостных и твердотельных лазерах на красителях. В условиях термодинамического равновесия населённость верхнего энергетического уровня не может быть больше населённостей нижнего энергетического уровня. Для того чтобы распределение атомов (молекул) активной среды отличалось от распределения термодинамическиравновесного, необходимо активную среду накачать от внешнего источника света. Источники накачки могут быть весьма разнообразными, но для лазеров на жидких (твёрдых) растворах красителей наибольшее распространение получили: мощные короткоимпульсные лампы и когерентные источники накачки. При накачке лампой жидких растворов красителей, возбуждение красителей носит неоднородный характер. Лежащие ближе к лампе области красителей получают больше энергии и сильно нагреваются. Эффект нагрева приводит к тому, что активная среда приобретает свойства призмы и отклоняет лазерный пучок от возбуждающей лампы, т.е. деформирует пучок. Следует также указать, что при возрастании температуры раствора красителя показатель преломления уменьшается. Длительный нагрев раствора красителя, например, в частотном режиме накачки, вызывает 72

появление тепловых свилей. Подобные эффекты растворов красителей устраняются за счёт принудительной циркуляции раствора через кювету. Однако даже в этом случае реальные лазеры требуют охлаждения активной среды, что достигается одновременной прокачкой теплоносителя, как, например, в лазерах типа ЛЖИ. В случае твёрдых растворов красителей, т.е. красителей внедрённых в полимерные матрицы, нагрев матрицы приходит к аналогичным эффектам. Во-первых, уменьшается квантовый выход люминесценции, что приводит к уменьшению, а при существенном нагреве – к срыву генерации. Полимерные матрицы характеризуются также низкой теплопроводностью, и охлаждение их выливается в самостоятельную сложную проблему. Во-вторых, нагрев твердотельной полимерной матрицы приводит её к деформации, что обуславливает деформацию как самого пучка фотонов в резонаторе, так разъюстировку резонатора в процессе работы лазера. В этой связи вопросы исследования деформационных свойств лазерных элементов являются весьма важными и позволяют оптимизировать температурный режим работы лазерных элементов. Как известно, деформации в твёрдом теле возникают в случае существования в нём напряжения. Такой случай часто реализуется в активных лазерных элементах, на основе активированных эпоксиполимеров в процессе их полимеризации (образования сетчатого полимера) и в результате механической обработки элементов (шлифовка, полировка и т.п.). Одним из способов, обеспечивающих релаксацию внутренних напряжений, является отжиг. Оптимизация технологического режима отжига может быть осуществлена при исследовании деформационных свойств лазерных элементов при их нагревании. Одним из эффективных методов для исследования деформационных свойств лазерных элементов являются методы интерферометрии. Применения интерференции очень важны и обширны. Интерференция света имеет самое широкое применение для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральной линии, определения плотности, показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, для измерения углов, линейных размеров деталей в длинах световой волны, для контроля качества оптических систем. На использовании интерференции света основано действие интерферометров и интерференционных спектроскопов; метод голографии также основан на интерференции света. Интерференцию поляризованных лучей широко используют в кристаллооптике для определения структуры и ориентации 73

осей кристалла, в минералогии для определения минералов и горных пород, для обнаружения и исследования напряжений и деформаций в твердых телах, для создания особо узкополосных светофильтров и др. Интерферометры - измерительные приборы, в которых используется интерференция волн. Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее или число пучков, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе. В месте схождения пучков наблюдается интерференционная картина, вид которой, т. е. форма и взаимное расположение интерференционных максимумов и минимумов, зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, разности их оптических путей (оптической разности хода), относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света. Методы получения когерентных пучков в интерферометрах очень разнообразны, поэтому существует большое число различных конструкций интерферометров. По числу интерферирующих пучков света оптические интерферометры можно разбить на многолучевые и двухлучевые. Примером двухлучевого интерферометра может служить интерферометр Майкельсона. Интерферометр Майкельсона широко используется в физических измерениях и технических приборах. С его помощью впервые была измерена абсолютная величина длины света, доказана независимость скорости света от движения Земли. Перемещая одно из зеркал интерферометра Майкельсона, получают возможность плавно изменять оптическую разность хода А, а зависимость интенсивности центрального пятна от А, в свою очередь, дает возможность анализировать спектральный состав падающего излучения с разрешением 1/А см-1. На этом принципе построены Фурье-спектрометры, применяющиеся для длинноволновой инфракрасной области спектра (50-1000 мкм) при решении задач физики твердого тела, органической химии и химии полимеров, диагностики плазмы. Сочетание интерферометра Маикельсона и призменного монохроматора - компаратор интерференционный Кёстерса - применяется для абсолютных и относительных измерений длин концевых мер (измерительных плиток) сравнением их с длиной волны света или между собой с точностью « 0,025 мкм, а сочетание его с лазером (при стабилизации частоты ~ 2·10-9) позволяет с такой же абсолютной точностью измерять длины порядка Юм. При замене плоских зеркал в интерферометре Майкельсона отражающими триэдрами его используют для измерения углов 74

с точностью до 10-6 рад. Сочетание интерферометра Майкельсона с микроскопом (микроинтерферометр В. П. Линника) позволяет по виду интерференционной картины определять величину и форму микронеровностей металлических поверхностей. Существуют двухлучевые интерферометры, предназначенные для измерения показателей преломления газов и жидкостей, - интерференционные рефрактометры. Один из них - интерферометр Жамена. Если одна из кювет наполнена веществом с показателем преломления n, а другая с m, то по смещению интерференционной картины на число полос m по сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом, можно найти An=ni-n2=m/l (1- длина кюветы). Разновидностями интерферометра Жамена являются интерферометр Маха - Цендера и интерферометр Рождественского, где используются две полупрозрачные пластинки Pi и Р2 и два зеркала Mi и М2. В этих интерферометрах расстояние между пучками Si и S2 может быть сделано очень большим, что облегчает установку в один из них различных исследуемых объектов, поэтому они широко применяются в аэрогазодинамических исследованиях. В интерферометре Рэлея интерферирующие пучки выделяются с помощью двух щелевых диафрагм. Пройдя кюветы, эти пучки собираются в фокальной плоскости объективом, где образуется интерференционная картина полос равного наклона, которая рассматривается через окуляр. При этом часть пучков, выходящих из диафрагм, проходит ниже кювет и образует свою интерференционную картину, расположенную ниже первой. Если показатели преломления n и m веществ в кюветах, то из-за разности хода в кюветах верхняя картина сместится относительно нижней, измеряя величину смещения по числу полос т, можно найти n. Точность измерения показателей преломления с помощью интерференционных рефрактометров очень высока и достигает 7-го и даже 8-го десятичного знака. Для измерения угловых размеров звезд и угловых расстояний между двойными звездами применяется звездный интерферометр Майкельсона. Свет от звезды, отразившись от зеркал Mi, М2, Мз, М4, образует в фокальной плоскости телескопа интерференционную картину. При наличии двух близких звезд, находящихся на угловом расстоянии р, в телескопе образуются две интерференционные картины, также смещенные на угол р. Изменением D добиваются наихудшей видимости картины, что будет при условии р = 1/26 = 'k/2D, откуда можно определить р. Многолучевой интерферометр Фабри - Перо состоит из двух стеклянных или кварцевых пластинок, не обращенных друг другу, и на параллельные между собой поверхности нанесены зеркальные покрытия с высоким (85-98%) коэффициентом отражения. Параллельный пучок све75

та, падающий из объектива, в результате многократных отражений от зеркал образует большое число параллельных, когерентных пучков с постоянной разностью хода между соседними пучками. В результате многолучевой интерференции в фокальной плоскости объектива образуется интерференционная картина, имеющая форму концентрических колец с резкими интенсивными максимумами, положение которых зависит от длины волны. Поэтому интерферометр Фабри - Перо разлагает сложное излучение в спектр. Применяется интерферометр Фабри - Перо как интерференционный спектральный прибор высокой разрешающей силы. Специальные сканирующие интерферометры Фабри - Перо с фотоэлектрической регистрацией используются для исследования спектров в видимой, инфракрасной и сантиметровой областях длин волн. Разновидностью интерферометра Фабри - Перо являются оптические резонаторы лазеров, излучающая среда которых располагается между зеркалами интерферометра. К многолучевым интерферометрам также относятся различного рода дифракционные решетки, которые используются как интерференционные спектральные приборы. В последнее время эффективно применяются метода голографической интерферометрии. Сам термин (Holography) образован сочетанием слов "полный, весь" и "рисовать, записывать", так что уже в само это понятие автор заложил особый взгляд на эту технологию, как на способ "наиболее полной записи образа объекта". В наиболее общем виде идея голографии может быть сформулирована так - если мы каким-то способом точно зафиксируем структуру светового поля, исходящего от объекта, запишем ее на какойлибо носитель, а затем восстановим это поле с достаточной точностью, то наблюдатель не сможет различить, наблюдает ли он сам объект или же эту имитацию. В более узком смысле термин "голография" как раз и представляет одну их технологий (точнее пакет технологий, объединенных общей идеей) такой "полной" записи волнового поля. Основная физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях, может возникать интерференционная картина, то есть, в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света (это подобно тому, как две системы волн на воде при пересечении образуют чередующиеся максимумы и минимумы амплитуды волн). Для того, чтобы эта интерференционная картина была устойчивой какое-то время, и ее можно было записать, эти два пучка должны обладать определенными свойствами. Оптики говорят, что они должны быть взаимно когерентными, а для простоты скажем, что у них должна быть одна и та же длина волны, и кроме этого, за время регистрации должна

76

быть одна фаза колебаний, то есть колебания светового поля должны быть синхронными. Практически это достигается тем, что два пучка образуются делением пучка одного источника излучения, но и этого оказывается недостаточно - сам источник должен быть специальный, излучающий строго одну длину волны, и такой источник - лазер со специальными параметрами излучения. Так как длина волны света достаточно мала, то расстояние между интерференционными максимумами и минимумами тоже мало - порядка 1 мкм, так что для регистрации нужны специальные мелкозернистые фотоэмульсии. Если все это есть в наличии - лазер, фотоэмульсия и объект для съемки, все остальное уже предельно просто. Самая простая схема съемки голограммы представлена на рис.22.

Рис. 22. Схема записи пропускающей голограммы Лазерный луч расщепляется на два пучка, расширяется их оптикой, чтобы осветить весь объект целиком, один пучок, который называется "объектным", направляют на объект, освещая его так, чтобы отраженное от него излучение попадало на фотопластинку. Второй пучок, который называют "опорным", направляют прямо на фотопластинку. Эти два пучка будут интерферировать на поверхности фотопластинки. При рассмотрении под микроскопом поверхность пластинки будет покрыта множеством интерференционных линий, колец. Это и есть запись структуры волнового поля, отраженного объектом. Описанная технология относится к так называемой "пропускающей" голограмме. Если теперь эту голограмму осветить пучком лазерного света, то можно увидеть восстановленное изображение, которое будет находиться точно в том месте, где ранее, при съемке, находился объект. Объясняется это тем, что ла77

зерный свет, проходя через фотопластинку с записанной ранее структурой светового поля приобретает все свойства светового потока, который ранее, при записи, отражался объектом, при этом наблюдается объект полностью объемным.

Рис. 23. Схема восстановления на пропускающей голограмме.

изображения,

записанного

Можно записать не пропускающую, а отражающую голограмму, для этого схема записи должна быть несколько иной, опорный и объектный пучки должны падать на фотоэмульсию с разных сторон (рис.24). Кроме того, чтобы фотопластинка стала работать в режиме отражения света, нужна специальная химическая обработка. В результате обработки поверхность фотоматериала становится рельефной, и этот рельеф покрывается отражающим слоем. Указанная технология имеет ряд недостатков: — для просмотра голограммы обязательно нужен лазер; — изображение будет монохромным, причем строго того цвета, что и цвет излучения лазера, который используется при восстановлении изображения; — смотреть восстановленное лазером изображение достаточно неприятно - глаза сильно устают от присущих когерентному излучению побочных эффектов, типа спеклов, которые проявляются в виде случайного светового шума по всему полю зрения; — изображение хотя и объемное, но расположено за плоскостью фотопластинки, в глубине, так что эффект от его объемности не проявляется в полной мере.

78

Рис. 24. Схема записи отражательной голограммы. Из изложенного выше следует, что толстослойная копия, изготовленная с помощью "красного" лазера, будет формировать при освещении видимым светом изображение красного цвета. Это верное рассуждение, если не учитывать процесс усадки эмульсии толстослойной голограммы, за счет которого расстояние между интерференционными слоями, идущими в глубину слоя эмульсии уменьшается и "родная" длина волны смещается в синюю область спектра. Технологи отработали процессы проявления с контролируемой усадкой и, таким образом, смещают цветовую гамму в нужную область. При изготовлении копии можно регулировать положение изображения относительно плоскости толстослойной голограммы. Для этого можно освещать мастер-голограмму лазерным пучком не с плоским волновым фронтом, а расходящимся пучком, тогда восстановленное изображение будет помещаться прямо в апертурной рамке голограммыкопии. Если вы делаете портрет, то очень важно, какая часть носа будет торчать наружу из голограммы. При съемке голографических портретов в ателье обычно настройку положения изображения относительно плоскости портрета проводят в присутствии заказчика и только потом производят окончательное копирование. В отличие от фотографической съемки, где за время экспонирования объект может смещаться в пространстве (в худшем случае это приведет к размазыванию изображения движущегося объекта), при съемке голограммы поверхность объекта съемки не должна смещаться на расстояние более 1/4 длины волны (0.15 мкм). При больших величинах смещений, например, из-за вибраций объекта, изображение на голограмме вообще не записывается. Лицо человека никогда не может быть неподвижным, поэтому съемка портретов и вообще живых объектов 79

стала возможна только с разработкой импульсных лазеров для голографии, имеющих достаточно малую длительность импульса, так чтобы за время этого импульса поверхность объекта не успевала претерпеть значительных смещений. Поэтому говорят о "импульсной голографии". Но практически вся современная голография - импульсная. Методы голографической интерферометрии

На одну пластинку можно записать несколько волновых фронтов, то есть несколько голограмм. Если эти волны когерентны (а чаще всего так и бывает), то при совместном восстановлении они интерферируют, а в результирующей интерферограмме останется только то, что в этих волнах было разным. Этот метод голографической интерферометрии получил название метод двух экспозиций. Можно сделать и по-другому. Отснятую голограмму объекта после обработки устанавливают с высокой точностью на прежнее место — чаще пластинки обрабатывают прямо на месте съемки. При последующем экспонировании голограммы в схеме, использованной при ее же записи, объектная волна, восстановленная с голограммы опорным пучком, будет интерферировать с новой волной, идущей от объекта. В результате можно в реальном режиме времени отслеживать динамику процессов, происходящих в объекте исследования. Такой метод голографической интерферометрии так и называется метод реального времени. Необходимо подчеркнуть, что в классической интерферометрии интерферируют волны, которые в один момент времени прошли по разному пути. В голографической интерферометрии интерферируют волны, которые в разные моменты времени прошли по одному и тому же пути. В частности, этот факт позволяет использовать в экспериментах оптические элементы обычного качества без ухудшения вида получаемой интерференционной картины — все неоднородности оптического тракта, неизменные в обеих экспозициях, будут скомпенсированы. Уникальная особенность голографической интерферометрии позволяет изучать процессы, происходящие как внутри оптически неоднородных сред, так и с диффузно отражающими объектами. Такое было абсолютно недоступно в классической интерферометрии. Таким образом, голография – это метод волнового фронта, рассеянного объектом на некотором регистраторе (например, на плоской фотопластинке), и последующего восстановления записанного волнового фронта. Она позволяет получить с помощью одного измерительного прибора, одновременно очень большую, и, как правило, непрерывную 80

информацию об объекте измерения. В отличие от фотографии на голограмме записывается не изображение объекта, а волновая картина рассеянного объектом света. Голограмма получается в результате интерференции разделенного на две части монохроматического потока электромагнитного излучения, рассеянного голографируемым объектом и прямого (опорного) пучка, падающего на голограмму минуя объект. Интерференционная картина, зарегистрированная на проявленной фотопластинке в результате сложения волновых фронтов, отображается на ней в виде совокупности интерференционных полос с различной плотностью почернения. Наибольшая плотность почернения соответствует волновым фронтам, пришедшим в фазе, где поля складываются, а наименьшая – волновым фронтам пришедшим противофазе. Отображаемая на голограмме картина волновых фронтов в общем случае не имеет сходства с реальным объектом и, тем не менее содержит информацию об объекте. Голографическая интерферометрия имеет ряд преимуществ по сравнению с обычной интерферометрией. В голографическом интерферометре благодаря возможности регистрации волновых фронтов в различные моменты времени используется, как правило, один и тот же тракт. Это позволяет производить сравнение волновых фронтов от реальных объектов с волновыми фронтами, восстановленными с заранее полученных голограмм образцовых объектов; либо сравнение волновых фронтов от одного и того же объекта, полученных в различные моменты времени. Голографическая интерферометрия не только обладает всеми возможностями интерферометрии, но и имеет ряд новых. Так, например, методами голографической интерферометрии можно изучать деформации отражающих трёхмерных объектов сложной формы и объёмные распределения различных физических параметров внутри преломляющих (фазовых) объектов. Как было показано, для получения голографических интерферограмм используется, в основном, два метода: метод двойной экспозиции и метод наблюдения интерферограмм в реальном масштабе времени. В методе двойной экспозиции на одной фотопластинке при неизменном опорном пучке регистрируются две голограммы объекта: одна до приложения возмущающих сил или до начала процесса, и вторая через некоторый интервал времени после приложения сил или начала процесса. Метод двойной экспозиции в основном используется при изучение быстро протекающих процессов. Метод наблюдения интерферограмм в реальном масштабе времени используется в большинстве случаев при наблюдении сравнительно

81

медленных процессов, либо при контроле с помощью одной голограммы серии стационарных объектов. Наибольшее распространение в настоящие время получили две схемы голографирования: двулучевая схема (по Лейту и Упатниексу) и однолучевая схема (по Ю. Денисюку). В однолучевой схеме опорной волны как таковой нет. Она формируется из волны, не претерпевшей рассеяние при прохождении через объект. В двулучевой схеме объектные и опорные пучки разделены в пространстве и падают на регистратор под разными углами. Эти схемы различны тем, что в двулучевой схеме интерферирующие волны падают на регистратор с одной стороны, а в схеме во встречных пучках – с двух сторон. Оптические схемы голографической интерферометрии

При использовании для голографической двулучевой схемы (рис.25), выходящий пучок света при помощи системы отражающих зеркал разделяется на четыре пучка – два опорных, направляемых зеркалами 1 на узлы расширения 20 и два объективных направляемых зеркалами 6 на узлы расширения 2П. Объектные пучки при помощи коллимирующих линз 3 снова трансформируются в параллельные с апертурой достаточной для освещения всей поверхности исследуемого объекта, помещённого в термоблок 5. Запись голограммы может производиться методом двух экспозиций – до и после прогрева образца, причём каждое из двух состояний поверхности регистрируется дважды при замене опорного пучка 20 на пучок 2’0 , и соответственно объектного пучка 2П на пучок 2’П. Таким образом при восстановлении изображения разными опорными пучками получаем две разных интерферограммы, соответствующие двум направлениям объекта. Тогда совместный анализ двух интерферограмм позволяет определить компоненты деформации в любых направлениях параллельных плоскости стола. На установке может быть реализован другой метод записи, когда объект при каждой экспозиции освещается одновременно двумя пучками, а из опорных пучков используется только один (один и тот же для обеих экспозиций). Тогда при восстановлении изображения получим картину муаровых полос в результате наложения двух слоёв интерференционных полос, созданных двумя объектными пучками на поверхности образца.

82

Этот метод является менее точным, чем предыдущей, но позволяет быстрее произвести качественную оценку характера деформации. Голограмма 4 может записывать световой поток, рассеянный поверхностью объекта, как непосредственно, так и через объектив 7.

Рис. 25. Оптическая в сходящихся пучках

схема

83

для

снятия

интерферограмм

В последнем случае осуществляется запись голограмм сфокусированных изображений. Таким образом, метод записи сочетает достоинства плоских голограмм – меньшие требования к разрешающей способности фотоматериала, меньшие искажения вследствие усадки эмульсии, со способностью восстанавливать изображение в белом свете, подобно трёхмерным голограммам. Запись интерферограмм с изменением направления освещения при одном направлении наблюдения позволяет устранить проблему идентификации точек поверхности на различных проекциях. Объектив 7 переставленный в положение 7’ на стадии восстановления изображения может быть использован для регистрации интерферограмм на плёнке или пластинках помещаемых в кассету 8. Расчёт поля деформации производится вручную по фотоснимкам с проектированной на поверхность объекта координатной сеткой и может быть автоматизирован при наличии устройства ввода чёрно – белых изображений в ЭВМ. При использовании схемы во встречных пучках (рис. 26) источником света также является гелий-неоновый лазер ЛГН-222. Выходящий пучок света при помощи системы отражающих зеркал 1 направляется на узел расширения 2. Далее пучок света при помощи коллимирующий линзы 3 трансформируется в параллельный с апертурой достаточной для освещения поверхности исследуемого объекта, установленного в камере термоблока 5. В схеме во встречных пучках голограмма 4 регистрирует интерферирующие волны с двух сторон. Для появления у голограммы трёхмерных свойств, необходимо, чтобы на толщине эмульсии голограммы укладывалось, по крайней мере, несколько отражающих слоёв. Указанное требование выполняется при использовании фотопластинок типа ЛОИ-2. Голографический интерферометр зарекомендовал себя как эффективный прибор при исследовании деформации поверхностей лазерных элементов, возникающих при накачке за счёт нагревания.

84

Рис. 26. Оптическая во встречных пучках.

схема

для

снятия

интерферограмм

Метод расшифровки голографических интерферограмм

Интерферограммы снимались при нагревании лазерных элементов в термоблоке установки. Для расшифровки интерферогамм, позволяющей определить деформации поверхностей при помощи одной или нескольких голограмм, был использован метод, согласно которому разность оптических путей, проходящих через пару соответствующих точек к приёмнику определялась из уравнения:

G G G N λ = r ( ns − ni ) , G G ns ni

где

и

(7.1)

- единичные векторы направлений наблюдения;

вектор перемещения поверхности;

λ

85

G r

-

- длина волны, укладывающихся

в разность оптических путей. Выражая векторы через их компоненты, можно получить выражение в виде:

N λ = rx ( cos α s − cos α i )+ ry ( cos β s − cos β i )+ rz ( cos γ s − cos γ i )

α β γ

G ni

α β γ

G ns

, (7.2)

где s , s , s и i , i , i - углы между и осями координат x, y, z. G Система позволяет определить r , но для составления такой системы необходимы данные о N при изменениях направлений наблюдения и освещения, что можно получить при помощи голограмм. Способ расшифровки позволяет обходиться без определения полосы нулевого порядка. При этом требуется, плавно изменяя направление наблюдения следить за прохождением полос через фиксированную точку поверхности и подсчитать их количество. Перемещение всех точек поверхности можно определить по трём неподвижным интерференционным картинам, зафиксированным с различных направлений. Однако в этом случае необходимо идентифицировать на трёх интерферограммах полосы нулевого порядка. При исследовании деформаций поверхности лазерных элементов был предложен способ расшифровки, основанной на анализе неподвижных полос наблюдаемых с четырёх специально выбранных направлений и позволяет обходиться без определения полос нулевого порядка, при этом, не требуется производить подсчёт движущихся полос. Ещё одним преимуществом является отсутствие необходимости решать систему для каждой G Gточки G в отдельности. Если

ns = ni = n

, тогда уравнение (7.1) можно представить как:

N λ = r ⋅ n ⋅ cosδ ,

где r и n - модули векторов

G r ⋅ cosδ - проекции вектора r G G ns = ni = 1 nG Если

а модуль равен

rn = N λ

, то

2cosϕ

2cosϕ

G r

и

G n; δ

на направление

(7.3) - Gугол между векторами;

n.

совпадает с биссектрисой

ϕ

между

G ns

и

G ni

,

2 . Отсюда следует 2,

(7.4) и по одной неподвижной интерференционной картине определяют величину проекций векторов перемещения на биссектрису угла ϕ меж86

ду направлениями освещения и наблюдения. Тогда для определения векторов перемещения в координатах x, y, z ось z выбирается совпадающей с направлением освещения.

Рис. 27. К способу расшифровки голографических интерферограмм Если две интерференционные картины с направлеG зафиксировать G

n n r r ний s1G и Gs 2 в плоскости xz, то проекции 1 и 2 вектора

r

r n n ления 1 и 2 связаны с x и y уравнениями: r1 = rx cos ( n1, x ) + rz cos ( n1, z )

G r

на направ-

r2 = rx cos ( n2 , x ) + rz cos ( n2 , z ) , (7.5) G G n n ϕ1 и направления биссектрис углов где векторы 1 и 2 указывают G G ϕ2 , образуемых векторами nS1 и nS 2 с осью z.

87

r ry

r r r Подставляя 1 и 2 в (7.4) и решая (7.5) находим x и z . Аналогичным образом составляется система для определения G G

n

n

r

и z при по-

мощи двух интерферограмм, наблюдаемых с S 3 и S 4 . Поэтому, схема эксперимента должна обеспечивать фотографирование восстановленного изображения с четырёх направлений, лежащих попарно в плоскостях xz и yz. Если выбрать все четыре угла равными ϕ , то общие решения системы (7.5) для плоскости xz и yz могут быть описаны уравнениями:

λ ( N 2 − N1 )

rx = ry = rz =

λ ( N 4 − N3 )

λ ( N1 + N 2 )

2sin ϕ ,

(7.6)

2sin ϕ ,

(7.7)

2(1+ cos ϕ )

=

λ ( N3 + N 4 )

2(1+ cos ϕ ) ,

(7.8) Таким образом, для определения каждой компоненты векторов перемещения достаточно иметь одну пару неподвижных интерференционных картин. Для определения величины деформаций измеряют относительные взаимные смещения точек поверхности, равные разностям перемеще-

r

r

ний A и 0 рассматриваемых точек поверхности A и точки 0, взятые за началоGотсчёта. G G

Δr = rA − r0

Если освещение и наблюдение производить в коллимированных пучках, то для всех точек поверхности коэффициенты пропорциональны в уравнениях (7.6 – 7.8) будут одинаковыми. Вычитая попарно уравнения (7.6), (7.8) можно для точек A и 0 получить:

λ ( ΔN 2 −ΔN1 )

Δrx =

Δry = Δrz =

2sin ϕ ,

λ ( ΔN 4 −ΔN3 )

λ ( ΔN1 +ΔN 2 )

(7.9)

2sin ϕ ,

2(1+cos ϕ )

=

λ ( ΔN3 +ΔN 4 )

88

(7.10)

2(1+cos ϕ ) ,

(7.11)

где

Δrx Δry Δrz ,

,

- компоненты вектора смещения точки A отно-

ΔN ÷ΔN

1 4 - разсительно произвольно выбранного начала отсчёта; ность порядка полос, проходящих через точки A и 0. Разности порядка полос определяются по интерферограммам путём подсчёта неподвижных полос. Компоненты тензора деформаций определяются путём дифференцирования уравнений (7.9 – 7.11) по координатам. Знаки приращения

ΔN

( x, y, z )

r K определяются за счет того, что проекция z изфункций меряется по двум парам интерферограмм и выбираются исходя из уравнения: ΔN2 + ΔN1 = ΔN4 + ΔN3

, (7.12) Отсюда возможна единственная комбинация вида:

ΔN1 −ΔN2 −ΔN3 + ΔN4

или

−ΔN1 + ΔN2 + ΔN3 −ΔN4

Эта пара комбинаций определяет два вектора равных по модулю и направленных вдоль одной прямой в разные стороны. Одним из двух возможных векторов выбирают исходя из типа деформации – растяжение, сжатие и т.п. Описание лабораторной установки

Для решения задач исследования деформаций поверхности лазерных элементов была разработана голографическая установка, позволяющая воздействовать на исследуемый объект температурным полем и определять величину деформаций в зависимости от температуры и следить за релаксацией внутренних напряжение в лазерных элементах при их отжиге. При конструировании установки решались задачи защиты её элементов от температурных воздействий и увеличение степени помехозащищённости установки от механических воздействий низких и высоких частот. Голографический интерферометр позволяет голографировать отражающие и прозрачные объекты. Наиболее важным применением является голографическая интерферометрия, позволяющая фиксировать изменения состояния объекта под воздействием температуры в промежутке между двумя экспозициями.

89

На основе зарегистрированных интерференционных картин производится определение картин деформаций в виде линий равных значений εхх, εyy, εху – компоненты тензора деформаций на поверхности. Могут быть построены также другие системы линий – например, аналогичные изохромам, изоклинам, изоникам, полученным поляризационнооптическим методом для прозрачных деталей. Установка может быть использована при голографировании объектов в статическом и динамическом режимах. Позволяет собирать различные оптические схемы записи и восстановления голографируемых объектов как в проходящем, так отражённом свете. Кроме этого установку можно использовать для макетирования двумерных оптических систем и проведения экспериментов в области температурной интерферометрии лазерных элементов. Таким образом, установка предназначена для проведения широкого круга голографических исследований при использовании лазера He-Ne непрерывного действия. Функциональная схема голографической установки приведена на рис.28. Установка содержит гелий - неоновый лазер и комплект приспособлений, позволяющих проводить следующие голографические исследования: получение голограмм стационарных объектов; голографических интерферограмм фазовых и отражающих объектов методом двойной экспозиции и в реальном масштабе времени, голографических интерферограмм фазовых микрообъектов. Для каждого случая исследования может быть применена своя оптическая схема. Вариант оптико-механических приспособлений, используемый в установке, является общим и может быть применён для любой схемы исследования лишь незначительно видоизменён и дополнен в каждом конкретном случае.

90

Рис. 28. Функциональные схемы установок

91

Рис. 29. Общий вид голографического интерферометра: 1 – юстировочный столик термоблока; 2 – термоблок со светопрозрачными окнами; 3 – фото кассета, содержащая голографическую пластину; 4 – оптический элемент (зеркало, линза) в оправе; 5 – расширительный узел, содержащий микрообъектив и микродиафрагму; 6 – оправа в рейтере, предназначена для размещения прямоугольных оптических элементов (зеркал, линз и т.п.); 7 – рейтер, обеспечивающий крепление оптических элементов на основании голографической установки; 8 – рейтер для крепления лазера; 9 – основание установки, изготовленное из плавленого кварцевого стекла; 10 – система гидроцилиндров обеспечивающих помехозащищённость установки от механических воздействий на низких частотах.

92

Все оптические узлы установки располагаются на массивном основании из кварцевого стекла. Оптические схемы, которые могут быть использованы на установке, весьма различны. В данном случае рассматриваются две основных схемы – двулучевая и во «встречных» пучках. Голографический интерферометр выполнен, как устройство, состоящее из жёсткой конструкции установленной на специальных гидроцилиндрах. Гидроцилиндры устанавливаются дополнительно на плиту монолит рамной конструкции, которая опирается через резиновый коврик на фундаментные столбики («развязанный» фундамент). Назначение фундаментных столбиков, резиновых ковриков, плиты–монолита – не допускать, имеющие место помехи высококачественных и низкочастотных колебаний на основание голографа. Для предохранения основания голографа от действия низкочастотных колебаний служат специальные гидроцилиндры. Конструкция гидроцилиндра представляет собой корпус, в который установлена пружина, на которую в свою очередь, опирается шток с фланцем. Фланец служит опорой для плиты из кварцевого стекла. В гидроцилиндрах рассчитывались пружины, и оценивалась степень демпфирования установки от низкочастотных колебаний. Для предохранения установки от высокочастотных колебаний служат амортизаторы (резиновые коврики, прокладки и втулки). Амортизаторы установлены между частями системы установки: плита-монолит – гидроцилиндр - основание установки (рис. 29). Где: 5 – резиновая прокладка; 6 – система крепления кварцевого основания с гидроцилиндром. Позициями 7, 8, 10, 11 показан переходной узел, обеспечивающий крепление гидроцилиндра с «развязанным» фундаментом.

93

Рис. 30. Конструкция гидроцилиндра. Позициями указаны: 1 – корпус гидроцилиндра; 2 – пружина; 3 – поршень; 4– крышка; 5 – шток; 6 – рукоятка; 7 – резиновая прокладка; 8 – гайка; 9 – резиновый амортизатор; 10 – платформа опорная; 11 – пружина; 12 – винт перепускной; 13 – шарик.

94

Рис. 31. Общий вид основания интерферометра

95

Резиновые амортизаторы рассчитывались для защиты установки от воздействия на неё высококачественных помех, которые могут быть переданы или от работающего рядом оборудования, имеющего несбалансированные подвижные части, или в результате использования прибора в сложных динамических условиях, когда непосредственно на него передаются внешние нестационарные нагрузки. Защиту приборов от внешних воздействий разделяют два вида: - активная амортизация, когда источник возмущающих воздействий изолирующих от опорного основании - пассивная амортизация, когда сам прибор изолирует от основания, к которому приложены динамические нагрузки. В данном случае была использована пассивная амортизация, которая обеспечивалась резиновыми элементами (резина, армированная рупорами звуковыми «ловушками») в системе «развязанный» фундаментгидроцилиндр-основание установки. При расчёте резиновых амортизаторов проверялась прочность резины на сжатие от воздействия нагрузки, и обеспечивались условия сохранения демпфирующих свойств резины. При расчёте электронагревательного элемента термоблока исходили из необходимости нагревания заданного количества материала известной теплоёмкости от начальной температуры до конечной температуры в заданное время. Установка комплектуется оптическим квантовым генератором ЛГН222. Так как голография предъявляет количественно требования к источникам излучения, длина когерентности, стабильность излучения во время экспозиции, то для голографических схем необходимым требованиям по когерентности и стабильности удовлетворяют только лазеры. Для голографирования стационарных объектов, как правило, применяют лазеры, работающие в непрерывном режиме. Наиболее широкое применение получили гелий – неоновые лазеры (λген ∼628,3Нм). Основные параметры используемого лазера (ЛГН-222): длина активного элемента – 2000мм; Мощность излучения – 50мВт; Длина когерентности – 0,45м. Лазер устанавливается в направляющих, закреплённых на основании. Для трансформации луча лазера в нужном направлении используются зеркала со световым диаметром 20мм, а для деления пучка – светоделительные зеркала с соотношениями коэффициентов отражения и пропускания R/τ = I:I; 2:3; I:9; I:9. Деление на опорный и объектный пучок производится так, что отражённый пучок является опорным, а прошедший – объектным.

96

Рис. 32. Конструкция расширительного узла

97

Существующий набор светоделителей позволяет подбирать оптимальное соотношение интенсивностей пучков в соответствии с отражающей способностью поверхности исследуемого объекта. Всего в двулучевой оптической схеме используется 7 отражающих и светоделительных зеркал. Зеркала крепятся в оправы резьбовым кольцом. Такие же конструкции оправ используются для двух зеркал данного диаметра, направляющих расширенные коллимированные пучки на объект. Все зеркала, как отражающие, так и светоделительные, устанавливаются на стойках, закреплённых в основании установки. Для расширения световых пучков в установке используются расширительные узлы, укреплённые на стойках, установленных на основании. Расширительный узел имеет подвижную часть, в которой крепится микро диафрагма - пластинка из фольги с отверстием диаметров от 10 до 50 мкм. Для расширения пучков используются микро объективы 10х, 20х и 40х. При помощи подвижек вдоль оптической оси объекта и перпендикулярно ей, отверстие микро диафрагмы может быть совмещено с пятном Эйри в фокусе микро объектива. Этим осуществляется пространственная оптическая фильтрация светового пучка с устранением высокочастотных помех, являющихся следствием дифракции на дефектах и загрязнения в объективе. Это означает, что на освещённой поверхности не будет наблюдаться дифракционные кольца от различных препятствий. К остальным оптическим конструктивным узлам относятся кассеты для фотопластинок (голограмм), обеспечивающих жесткость крепления фотопластинок и оправы для нейтральных светофильтров, позволяющих при необходимости ослабить световой поток с целью выравнивания освещённостей. В схеме используется также объектив для получения голограммы сфокусированного изображения. В принципе для этого может быть применён любой стандартный фотообъектив с фокусным расстоянием от 100 до 2 мм. Установка обеспечивает снятие интерферограмм при изменении температуры объекта от 20 до 1500 С. Для этой цели в голографическом интерферометре используется новый конструктивный элемент – термоблок. Термоблок представляет собой закрытую камеру, в которую устанавливается объект. При проведении исследований в термоблоке нагревание объекта до определённой температуры. Одновременно снимают голограмму, по которой судят об изменениях с объектом, в процессе его нагревания или остывания. Так же как и все конструктивные элементы оптической схемы, термоблок устанавливается на предметный столик, закреплённый на основании установки.

98

Основание голографического интерферометра выполнено таким образом, что возможен свободный доступ к любому конструктивному элементу оптической схемы. Все детали и узлы установки, чернёные во избежание «бликов». Верх установки задрапирован бархатом чёрного цвета во избежание попадания света и пыли на оптические устройства и оптику. Порядок выполнения работы

Включите лазер ЛГН-222. После трехминутного прогрева автоматически включается режим «поджиг». При появлении генерации установите ток, соответствующий максимуму генерации. Установите детали голографической системы согласно выполняемому пункту задания и приведенным выше оптическим схемам. Установите с помощью объективов необходимое расширение лучей. Следите, чтобы лучи попадали только на соответствующие им элементы схемы. Проверьте жесткость закрепления деталей голографической установки. Установите и закрепите на предметном столике (или в термостате) исследуемый предмет. Установите нагрузки (или температуру) Получите фотоматериал у преподавателя и узнайте время экспозиции. Проверьте схему. Установите фотопластинку в кассете, предварительно закрыв луч лазера черной фотобумагой. Уберите фотобумагу на время экспозиции. Экспонированную пластинку не вынимайте из кассеты. Измените величину нагрузки (или температуру) на исследуемый предмет. Уберите черную фотобумагу на время второй экспозиции. Экспонированную фотопластинку выньте из фотокассеты. После выполнения всех съемок проявите и зафиксируйте фотопластинку. Узнайте особенности проявления данного фотоматериала у преподавателя. Высушите голографическую интерферограмму. подготовьте установку для восстановления интерферограммы. Восстановите интерферограмму в опорном пучке лазера. Наблюдая интерферограмму, убедитесь в трехмерности полученного голографического изображения. Установите фотоаппарат на предметный столик и переснимите интерферограмму на фотопленку. Проявите и зафиксируйте фотопленку. Сделайте отпечатки полученных интерферограмм на фотобумаге.

99

Содержание отчета

Оптическая схема установки и описание ее основных узлов. Графики по результатам расшифровки интерферограммы. Литература [19], [20], [21]. Вопросы для самопроверки: Объясните, в чем заключается принцип записи перемещений с использованием метода голографической интерферометрии. В чем отличие голографической схемы Ю.Н.Денисюка от схемы Д.Габора? Схема Е.Лейта и И.Упатниекса как частный случай схемы Ю.Н.Денисюка. Каковы особенности голограммы? Как получить и восстановить голограммы плоских и объемных объектов? Объясните, в чем заключается физическая сущность процессов, лежащих в основе получения и записи голограмм? Запишите уравнения голограммы и покажите, в каком из слагаемых заложена информация о фазе волны, идущей от объекта. В чем отличие голограммы от интерферограммы? Как математически расшифровать голографическую интерферограмму?

100

Литература

1. Алексеев В.А. и др. Температурная зависимость энергетических параметров лазеров на основе неодинсодержащих кристаллов./ В.А. Алексеев, А.В. Лукин, С.В. Гагарский и др.// Квантовая электроника: Межвуз.сб.- СПб.: ИТМП, 2002.-вып.1.-С.5-15. 2. Аналитическая лазерная спектроскопия / Под ред. Н. Оменетто.-М.: Мир, 1982.-С.606 3. Анохов С.П. и др. Перестраиваемые лазеры/ С.П. Анохов, Т.Я. Марусий, М.С. Соскин; Под. ред. М.С. Соскина.- М.: Радио и связь, 1982.- С.360 4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики./ М. Борн, Э.Вольф - М.: Наука, 1973.-С.856 5. Воеводин А.А. и др. Расшифровка галографических интерферограмм при измерении деформаций поверхностей / А.А. Воеводин, В.А. Казак, И.М. Нагабина //НСТФ.-1982.-№ 4.- С.280-293 6. Голография, методы и аппаратура / Под. ред. В.М. Гинзбург, Б.М. Степанова.- М.: Сов.радио, 1974.-С.373 7. Зайдель А.Н. и др. Таблица спектральных линий/ А.Н. Зайдель, В.К. Прокофъев, С.М. Райский.- М., Л.:Гос.изд. технико-теоретической литературы, 1952.-С.560 8. Звелто О. Физика лазеров / Под. Ред. Т.А. Шмаонова.-М.:Мир,1979.С.369 9. Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия/ Под. ред. С.А. Ахматова, М.Е. Жаботинского, Д.Н. Клышко и др..-М.:Советская энциклопедия, 1969.-С.431. 10. Коули Дж. Физика дифракции / Дж.Коули.-М., 1979.- С.311 11. Кухлинг Х. Справочник по физике / Х. Кухлинг ; Под ред. Е.М. Лейкина – М.: Мир, 1982.- 519с. 12. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии/В.В. Лебедева; Под ред. Ф.П. Королева.- М.: Московский университет, 1977.- С.383 13. Лукьяненко С.Ф. и др. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия./ С.Ф. Лукьяненко, М.М. Макачон, Л.Н. Синица.- Новосибирск: Наука, 1985.- С.120 14. О´шиа Д. И др. Лазерная техника/ Д. О´шиа, Р.Коллен, Р.Родс.- М.: Атомиздат,1980.-С.254 15. Оптическая голография / Под. Ред. Г.Колфилда, С.Б. Гуревича.-М.: Мир, 1982.- С.374 16. Поляков В.Е., Потапов А.И. Лазеры на красителях: Учеб. пособие / В.Е. Поляков, А.И. Потапов.-Л.: СЗПИ, 1993.-С.121 17. Поляков Е.В., Потапов А.И. Внутрирезонаторная спектроскопия в проблеме исселедования фазовых превращений вещества/ Е.В. Поля101

ков, А.И. Потапов – СПб.: Изд-во международного фонда истории науки, 1988.- 43 с. 18. Потапов А.И., Черкасов В.Н. Лазерные методы дистанционного контроля атмосферы: Учеб.пособие/ А.И. Потапов, В.Н. Черкасов.- Л.: СЗПИ,1992.-С.75 19. Прикладная оптика / Под ред. Н.П. Заказнова.-М.: Машиностроение, 1988.-С.308 20. Справочник по лазерам. В двух томах/Под ред. А.М. Прохорова.-М.: Советское радио,т.1,1978.-С.503, т.2,1978.-С.400 21. Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения./ Л.В. Тарасов. - М.: Радио и связь, 1981.-С.439

102

СОДЕРЖАНИЕ Охрана труда и техника безопасности при проведении лабораторных работ Общие указания Лабораторная работа №1: Измерение параметров излучения твердотельного ИАГ:Nd3+- лазера с ламповой накачкой Цель работы Основные теоретические положения Описание лабораторной установки Порядок выполнения работы Содержание отчета Лабораторная работа №2: Определение спектральной эффективности излучения импульсной лампы для оптической накачки твердотельного ИАГ:Nd3+- лазера с использованием теории свечения черного тела Цель работы Основные теоретические положения Порядок выполнения лабораторной работы Содержание отчета Лабораторная работа №3: Определение элементного состава неизвестного вещества с использованием метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС) Цель работы Основные теоретические положения Описание лабораторной установки Порядок выполнения работы Содержание отчета Лабораторная работа №4: Изучение температурного тушения люминесценции в активных средах жидкостных лазеров на красителях Цель работы Основные теоретические положения Описание лабораторной установки Порядок выполнения работы Содержание отчета Лабораторная работа №5: Определение длины волны лазерного излучения методом совмещенной дифракции Цель работы Основные теоретические положения Описание лабораторной установки Порядок выполнения работы 103

3 9 11 11 11 16 16 18

18 18 18 24 25 36 36 36 40 45 46 47 47 47 50 52 53 54 54 54 56 57

Содержание отчета Лабораторная работа № 6: Определение состава и концентрации вещества с использованием методов калориметрии Цель работы Основные теоретические положения Описание лабораторной установки Порядок выполнения работы Содержание отчета Лабораторная работа №7: Исследование деформационных свойств лазерных элементов (при их нагревании) методами голографической интерферометрии Цель работы Основные теоретические положения Методы голографической интерферометрии Оптические схемы голографической интерферометрии Метод расшифровки голографических интерферограмм Описание лабораторной установки Порядок выполнения работы Содержание отчета Литература

104

58 59 59 59 67 69 70 72 72 72 81 83 86 89 99 100 101

Поляков Виталий Евгеньевич, Парахуда Сергей Евгеньевич, Потапов Анатолий Иванович

ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ТАМОЖЕННОМ КОНТРОЛЕ Учебно-методическое пособие для выполнения лабораторных работ

Сводный темплан 2004 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Санитарно-эпидемеологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 21.11.2003 г. Подписано в печать Б. кн.- журн. П. л. Тираж

. Формат 60х84 1/16 . Б. л. . РТП РИО СЗТУ. экз. Заказ .

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186 Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5

105