Составитель:

Д.Г. Пилипцов – ассистент

РЕЦЕНЗЕНТЫ:
А. А. Рогачёв - доцент кафедры материаловедения УО «Белорусский государственный университет транспорта», кандидат технических наук
М.А. Ярмоленко — доцент кафедры радиофизики и электроники УО «ГГУ им. Ф. Скорины», кандидат технических наук

РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ:
Кафедрой оптики УО «ГГУ им. Ф. Скорины»

(протокол № __ от ____ _____________ 20__);

УО «ГГУ им. Ф. Скорины»

(протокол № __ от ____ _____________ 20__);

Ответственный за редакцию: Д. Г. Пилипцов

Актуальность изучения данной дисциплины продиктована практической необходимостью использования лазеров при разработке новых технологий обработки материалов в приборостроении, машиностроении.

Необходимость дисциплины «Физика лазеров» связана с решением новых инженерных задач, возникающих при освоении и внедрении в производство прогрессивных методов лазерной обработки материалов.

В изложении дисциплины используется комплексный подход по изучению современных проблем лазерных технологий: от разработки теоретических основ до формулировки практических рекомендаций по эффективному использованию энергии лазерного излучения в конкретных технологических процессах.

Целью дисциплины «Физика лазеров» является овладение студентами основами физики лазеров и лазерных технологий.

Задачами дисциплины являются:

• 
  изучение физических процессов усиления и генерации света на основе индуцированного испускания излучения;
  
• 
  рассмотрение методов создания инверсной населенности;
  
• 
  решение задач по созданию открытых резонаторов лазерных систем;
  
• 
  изучение принципов действия газовых и твердотельных лазеров и принципов модуляции лазерного излучения;
  
• 
  освоение методов преобразования и управления лазерного излучения.
  

В результате изучения дисциплины вузовского компонента:

• 
  знать физические основы работы лазеров,
  
• 
  принципы генерации и усиления электромагнитных волн квантовыми системами,
  
• 
  методы создания инверсной населенности в ОКГ и ОКУ,
  
• 
  теорию открытых оптических резонаторов,
  
• 
  принцип действия лазеров и способы модуляции лазерного излучения;
  

• 
  использовать полученные теоретические и практические знания, материалы справочников и специальную литературу при решении прикладных задач лазерной технологии;
  
• 
  пользоваться результатами исследований лазерных технологических процессов.
  

• 
  физическими основами работы приборов лазерной техники;
  
• 
  знаниями в области промышленного применения приборов и устройств лазерной техники;
  

• 
  навыками работы с лазерной техникой;
  
• 
  владеть методами численного анализа задач для расчета тепловых процессов при лазерной обработке.
  

Общее количество часов – 92; аудиторное количество часов – 42, из них: лекции – 20, лабораторные занятия – 22. Самостоятельная управляемая работа студентов (СУРС) – 6 часов. Форма отчётности – зачёт.

Введение. Оптическое излучение. Энергетические состояния квантовых систем. Спонтанное и вынужденное излучение. Коэффициенты Эйнштейна. Когерентность индуцированного излучения. Ширина и форма спектральных линий излучения. Естественное время жизни. Вероятность индуцированных переходов при монохроматическом излучении. Однородное и неоднородное уширения. Гауссова форма линии при доплеровском уширении.

Поглощение и усиление. Активная среда. Сечение поглощения. Эффект насыщения. Принципы генерации и усиления электромагнитных волн квантовыми системами. Условия самовозбуждения. Условия резонанса. Частота генерации. Максимальная выходная мощность. Трехуровневая квантовая система. Кинетические уравнения. Четырехуровневая квантовая система.

Коэффициент полезного действия накачки. Распределение энергии накачки внутри активного стержня. Скорость накачки. Оптическая накачка. Инверсия населённости. Кинетические уравнения.

Возбуждение электронным ударом. Возбуждение посредством резонансной передачи энергии. Методы инвертирования населенности в газовых средах. Методы получения инверсной населенности в полупроводниках. Инвертирование населенности в жидких веществах.

Общие сведения о резонаторах. Типы резонаторов. Обобщенные параметры резонатора. Добротность резонатора. Виды потерь. Собственные типы колебаний оптических резонаторов. Продольные и поперечные моды резонатора.Селекция видов колебаний. Неустойчивые резонаторы.

Классификация ОКГ по агрегатному состоянию лазерного вещества, методу накачки, временному режиму генерации, частотному режиму генерации, уровню генерирующей мощности (энергии) излучения, эксплуатационным параметрам. Основные требования к активным веществам. Свойства лазерного излучения.

Атомарные газоразрядные лазеры. Механизм возбуждения He-Ne ОКГ. Устройство, характеристики, выходная мощность, спектр излучения. Механизм инверсии. К.П.Д. накачки.

Аргоновый лазер. Схема уровней. Двухступенчатое возбуждение. Зависимость от плотности тока разряда. Условие инверсии. Гелий - кадмиевый лазер. Механизм ионизации и возбуждения. Схема уровней. К.п.д. газоразрядных лазеров. Медный лазер, схема уровней, основные характеристики.

Механизм инверсии. Роль азота и гелия. Лазеры с продольной накачкой. Отпаянные лазеры. Колебательные спектры молекул. Вращательная структура. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Газодинамические лазеры.

Краткая характеристика. Спектр абсорбции и люминесценции. Рубиновый лазер. Устройство и принцип действия ОКГ на рубине. Уровни энергии иона хрома в корунде. Переходные процессы, спектр излучения. Твердотельные лазеры на основе неодимовых сред. Диаграмма энергетических уровней неодима. Неодимовый лазер. Лазерное стекло. Оптическая однородность, лучевая стойкость. ОКГ на ИАГ.

Режим свободной генерации. Переключатели добротности (ОМПД, ППД, ЭОПД, АОПД). Режим модулированной добротности. Режим синхронизации мод.

Активные среды. Гомоструктурные и гетероструктурные инжекционные лазеры. Лазеры с накачкой электронным пучком и прямым электронным возбуждением. Лазеры с оптической накачкой.

Примерный перечень лабораторных работ

1. 
   Общие вопросы обеспечения лазерной безопасности
   
2. 
   Устройство и основные элементы окг.
   
3. 
   Юстировка оптических резонаторов твердотельных лазеров.
   
4. 
   Типы и характеристики оптических резонаторов твердотельных лазеров.
   
5. 
   Селекция типов колебаний в резонаторах лазеров.
   

1. 
   Методы расчета ОКГ под ред. Б.И.Степанова. I, II т. -Минск «Наука и техника». – 1967 г. – С. 369.
   
2. 
   О. Звелто. Физика лазеров / Перевод с английского под ред. Т.А.Шамонова. -М. «Мир».– 1979 г.– С 352
   
3. 
   Н.В.Карлов. лекции по квантовой электронике. -М. «Наука» 1983 г.- С. 270
   
4. 
   Ф.Качмарек. Введение в физику лазеров. -М. «Мир» 1981 г. – С .346
   
5. 
   Дж.Бирибаум. Оптические квантовые генераторы. Перевод с английского под ред. Ф.С.Файзулава. -М. «Сов. радио» 1067 г –. С. 213
   
6. 
   Справочник по лазерной технике / Под ред. Ю.В.Байбородина. Киев «Техника» 1978 г. – С. 180
   
7. 
   Б.Р.Белостоцкий, Ю.В.Любавский, В.М.Овчинников. Основы лазерной техники. -М. «Сов. радио» 1972 г.– С. 164
   

1. 
   Э.Г.Пестов, Г.М.Лаписик. Квантовая электроника. – М. «Воениздат» 1972 г.–С. 123
   
2. 
   С.Г.Рябов, Г.Н.Торопкин, И.Ф.Усольцев. Приборы квантовой электроники. -М. «Сов. радио» 1976 г. – С 156
   
3. 
   Л.В.Тарасов. Физические основы квантовой электроники. -М. «Сов. радио» 1976 г.– С 326
   
4. 
   Квантовая электроника./ Под ред. С.А.Ахматова и др. -М. «Сов. энциклопедия» 1969 г. – С 289
   
5. 
   А.В.Успенский. Сборник задач по квантовой электронике. -М. «Высшая школа» 1976 г. – С 120