Документ описывает лабораторную работу по изучению физики и конструкции твердотельного лазера непрерывного излучения модели лтн-102а. Основное внимание уделяется трем ключевым элементам лазера: активному элементу, системе накачки и резонатору, а также энергетическим переходам ионов неодима, которые обеспечивают лазерное излучение. В заключение описывает процесс резки материалов с использованием лазерного луча и методы оценки результата работы.

1. Лабораторная работа № 6 (Лазер – 1)
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
И КОНСТРУКЦИЯ
ЛАЗЕРА ЛТН-102А
Цель работы: изучить физические основы работы и конструкцию
твердотельного лазера непрерывного излучения модели ЛТН-102А и лазерной
установки для резки материалов.

2. Физические основы излучения лазера
Твердотельный лазер непрерывного излучения модели ЛТН-102А состоит из
излучателя и блока электрического питания и управления.
Излучатель лазера имеет три основные части:
1. Активный элемент – источник индуцированного излучения;
2. Систему накачки – источник возбуждения активного элемента;
3. Резонатор – систему создания обратной положительной связи, предназначенную для
превращения квантового усилителя в квантовый генератор.
Активный элемент выполнен в виде круглого стержня диаметром d = 6,3 мм,
длиной l = 100 мм и изготовлен из монокристалла иттрий-алюминиевого граната
(Y3Al5O12), активированного трехвалентными ионами неодима (Nd3+).
Требуемое излучение дают энергетические переходы ионов неодима.
В твердотельном лазере ЛТН-102А используется оптическая накачка светом
газоразрядной дуговой лампы непрерывного горения с криптоновым наполнителем.
Резонатор лазера состоит из двух параллельных зеркал: глухого и полупрозрачного.
Глухое зеркало полностью отражает электромагнитную волну. Полупрозрачное зеркало
часть излучения пропускает для использования, а часть – отражает обратно в активный
элемент для компенсации потерь.

3. Упрощенная схема энергетических переходов иона неодима (рис.1).
Энергетический спектр иона неодима имеет четыре
энергетических уровня Е1 – основной и Е2, Е3, Е4 –
возбужденные.
Уровень Е3 является метастабильным со временем
жизни τ 3 = 10-3 с. Время жизни уровней Е2 и Е4
τ 2 = τ 4 = 10-8 с.
В состоянии теплового равновесия большинство
ионов неодима имеют энергию Е1, то есть находятся
на основном энергетическом уровне.
Рис.1. Энергетический спектр иона Nd3+
Под действием оптической накачки ионы неодима повышают свою энергию с Е1 до Е4.
Уровень Е4 имеет малое время жизни. Поэтому ионы Nd3+ быстро переходят с уровня Е4 на
уровень Е3, выделяя при этом энергию Е4 – Е3 = hν43 .
Переход является безызлучательным, а выделившаяся энергия идет на нагрев активного
элемента.
Уровень Е3 является метастабильным, что приводит к увеличению его населенности N3.
Индуцированные переходы ионов Nd3+ с уровня Е3 на уровень Е2 дают
электромагнитное излучение с энергией Е3 – Е2 = hν32 и длиной волны = 1,06 мкм.

4. УСТАНОВКА ДЛЯ РЕЗКИ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ

5. Пульт управления лазером ЛТН-102А
Пульт блока управления подачей детали

6. Проведение эксперимента и представление результата
После подготовки установки к работе и закрепления обрабатываемой заготовки
включить лазер.
Устанавливая 3-4 значения (от 20 до 35 А) тока лампы накачки и перемещая заготовку в
горизонтальном направлении при I = const и υ = const (назначаются преподавателем)
провести обработку лазерным лучом.
Охарактеризовать полученный след: «темный след от луча», «темный след с
отдельными прорезанными участками», «ровный разрез», «разрез с неровными краями и
заусенцами» (табл.).
υ=
I,А
Сделать выводы по работе.
Таблица
мм/с
Характеристика следа