Оптические детали лазеров

Характеристика лазеров. Известно, что в лазерах активным веществом может быть твердое тело или газ.

Лазеры с активным телом из неодимового стекла или кристалла рубина выпускаются в серийном производстве и используются в научных и технологических целях.

Лазеры на стеклянных активных телах применяются для работы в стационарных режимах.

Активные тела служат для возбуждения атомов и генерации световой энергии лампы-вспышки на различных длинах волн. По изготовлению они аналогичны плоскопараллельным пластинам, которые имеют отношение D /ℓ =1: 20 и более, что делает их недостаточно жесткими при обработке цилиндрической поверхности неустойчивыми при обработке торцевых поверхностей (рис. 15.6)

Свойства материала, характер эксплуатации, размеры, технологические свойства и способы обработки стержней из неодимового стекла и рубина несколько различны.

Основные преимущества изготовления активных тел лазеров и неодимового стекла следующие: практически неограниченные размеры, низкая стоимость материала, простота серийного изготовления активных тел; активатор Nd⁺³, вводимый в необходимых концентрациях, равномерно распределяется по объему стержня, оптические и технологические свойства материала изотропны, возможны изменения показателя преломления n _λ = 1, 5 – 2 для λ = 1060 нм путем изменения химического состава стекла, высокая оптическая однородность до Δ n = ±0, 8∙ 10^-6.

Активные тела лазеров. Неодимовые генераторные лазерные стекла для изготовления активных тел лазеров варятся в горшковых печах и разливаются в блоки, которые разделываются алмазными кругами АДК на бруски – дроты. Если неодимовое стекло варится в высокочастотных электрических печах в платиновых тиглях малого объема, то выпускаются сразу дроты. По обрабатываемости неодимовые стекла близки к стеклу К19.

Блочное и дротевое стекло проходит отжиг в электрических печах, который начинается при температуре ~600°С и длится 2 – 3 недели. После отжига дроты отбраковывают по внутренним напряжениям.

При шлифовании и полировании обоих торцев для устойчивости дроты блокируются по нескольку штук, при этом достигается параллельность. Через полированные торцы дроты просвечивают ртутной лампой СВДШ-250 и по изображению на экране или фотопленке контролируют бессвильность.

Заготовки активных тел из дротов получают продольным распиливанием алмазными отрезными кругами АДК или высверливанием стержней алмазным трубчатым инструментом, заготовки по диаметру круглят на металлообрабатывающих круглошлифовальных станках алмазными кругами АПП, при этом достигается шероховатость поверхности R_a = 1, 25 мкм.

Последующей обработкой цилиндрическую поверхность стержня делают блестящей, гладкополированной, хорошо пропускающей энергию накачки, с шероховатостью такой же, как после шлифования алмазным порошком АСМ зернистостью 7/5. На концах стержня оставляют шлифованные полоски, которые служат в дальнейшем для герметизации его в приборе.

Последующими операциями – шлифованием абразивными порошками и глубоким полированием на станках ШП – при обычных режимах и приемах обработки доводят торцы стержней в соответствии с чертежом. Для поштучной обработки стержней можно применить конструкцию приспособления, которая показана на рис. 15.7. Стержень 1, зажатый текстолитовыми вкладышами 2, с помощью юстировочных винтов 3устанавливают в корпусе 4 приспособления перпендикулярно поверхности обработки. Приспособление перемещается с помощью шарового шарнира поводка 5. Стержень 1 внизу укреплен наклеечной смолой 6и находится в центре между дополнительными кусками 7 стекла той же марки. Полировочная смола 8наклеена на корпус инструмента 9.

При установке стержень с помощью юстировочных винтов базируется по сплошному точному диску стекла. Вспомогательные куски стекла располагают так, чтобы достигалось равномерное изнашивание инструмента при соответственно подобранной настройке станка.

Контроль отклонения от плоскостности обработанной торцевой поверхности стержня выполняют накладным интерферометром (рис. 15.8). Интерференция происходит между поверхностью торца и измерительной (нижней) поверхностью эталонной пластины 4. Свет от ртутной лампы отражается от параболического отражателя 2 и проходит разделительную 3 и эталонную 4 пластинки. Фольга 5 разделяет контролируемый торец активного тела 6 и дополнительные куски 7 стекла. При этом достигается следующая точность контроля качества обработки поверхностей торцев: и на диаметре 10 мм.

15.4. Основы технологии изготовления волоконно–оптических элементов (воэ)

Волоконные светопроводящие устройства используют для передачи световой энергии, переноса и трансформации изображения в оптических и оптико-электронных приборах [13]. Все волоконно-оптические детали состоят из одного или множества элементарных световодов (волокон) или световедущих жил, уложенных в жгут, спаянных или же заданным образом переплетенных. Световод — это материальный канал, по которому может распространяться излучение. Световоды могут быть одно- и многожильными, каждая жила которых передает независимый от других световой поток.

По размеру сечения существуют световоды от единиц микрона до нескольких сантиметров. Световоды диаметром до 0, 3 мм обладают гибкостью, и их условно называют волокнами. Пучки гибких волокон называют жгутами. Форма сечения единичного световода может быть цилиндрической, многогранной или прямоугольной (слоевой). По длине световоды могут иметь постоянное или переменное по размерам и форме сечение. Они бывают жесткими, прямыми или заранее изогнутыми, гибкими [14].

В подавляющем большинстве случаев используют круглые двуслойные диэлектрические световоды, состоящие из световедущей жилы с малыми потерями и окружающей ее оболочки, коэффициент преломления которой несколько меньше коэффициента преломления жилы (n _об < n _ж).

Передача световой энергии вдоль световода происходит за счет полного внутреннего отражения света от границы раздела световедущей жилы и окружающей среды (при этом диаметр волокна должен быть не менее 6λ, а толщина светоизолирующей оболочки – не менее 2, 0-2, 5λ распространяющегося по жиле света).

При уменьшении диаметра световодов до размеров, соизмеримых с длиной волны передаваемого излучения, волокна работают как волноводы, т. е. светораспределение по выходному торцу жил не усредняется, а определяется модовым составом прошедшего светового потока. Принципиальной особенностью волоконно-оптических устройств (за исключением граданов) является то, что они лишь переносят изображение, но сами не формируют его (как это делают линзово-зеркальные оптические системы), поэтому изображение на выходе мозаично.

Одиночное волокно передает лишь энергию излучения как таковую и, следовательно, может переносить только один элемент изображения.

Жила является каналом для передачи энергии излучения. Оболочка предохраняет поверхность жилы от загрязнений и повреждений, а также препятствует рассеянию передаваемого излучения с поверхности волокна в стороны. Поверхность раздела жилы и оболочки, являясь основной «рабочей» частью волокна, должна быть ровной, чистой и свободной от посторонних включений. Различные неоднородности этой поверхности в виде микроскопических трещин, пузырьков, а также непостоянство диаметров сердечника и оболочки приводят к нарушению правильного хода лучей в волокне и большим потерям энергии излучения. Поэтому одно из основных требований к технологии изготовления волокна состоит в получении однородной поверхности раздела жила – оболочка.