Классификация лазеров

Август 9, 2022

Главная
Физика
Классификация лазеров

Содержание

3. Лазер 1. Принцип действия лазеров Евход
4. Лазер 1. Принцип действия лазеров Евход
5. Рис. 1. Планковская кривая. Площадь под кривой – вся излучаемая энергия
6. (1) (2) где λ0 – центральная длина волны излучения, Δλ - полуширина участка излучения (на половине
7. [Дж/м2⋅нм] (3) Sn – площадь сечения лазерного пучка, [м2] EудΔλ – спектральная плотность энергии, [Дж/м2⋅нм], [Дж/м2⋅мкм]
8. Рис. 2. Параметры излучения – пространственное распределение, направленность
10. Самолет-летающая лаборатория Ил-76МД СССР-86879 (1989 г.) с авиационным вариантом боевого мегаватного лазера А-60
11. Лазерная система ATL на самолете С130-Н Hercules – художественное представление (изображение DARPA)
12. Схема лазерной установки ATL (изображение DARPA)
15. Пушка Excalibur из массива волоконных лазеров (фото DARPA)
16. Концепция уничтожения МБР рентгеновским лазером в программе SDI
17. Схема самолёта Boeing 747-400F с боевым лазером YAL (изображение: Boeing)
19. Лазерная турель YAL-1 (фото: Boeing)
20. Советский спутник Скиф с лазером
21. 2. Законы Кирхгофа, Стефана – Больцмана, Ламберта, Бугера Закон Кирхгофа описывает одно из наиболее общих свойств
22. Таким образом, закон Кирхгофа формулируется в следующем виде. В условиях термодинамического равновесия отношение плотности спектрального (интегрального)
23. Первое следствие определяет соотношение между излучательной способностью (степенью черноты) тела и его поглощательной способностью. , (3)
24. Первое следствие определяет соотношение между излучательной способностью (степенью черноты) тела и его поглощательной способностью. (3) (4)
25. Закон Стефана-Больцмана устанавливает для равновесных условий связь интегрального полусферического потока излучения элемента поверхности АЧТ с его
26. Закон Ламберта. для любой точки объема полости в состоянии равновесия удельная сила объемного излучения (угловая плотность
27. Закон Ламберта определяет угловое распределение равновесного излучения. Вследствие равновероятности испускания излучения по всем направлениям в АЧТ
28. Закон Бугера-Ламберта-Бэра. Интенсивность спектрального излучения J0 вдоль некоторого направления Ω экспоненциально уменьшается при распространении излучения в
29. Спектральной оптической толщиной отрезка луча s называют интеграл (10) В теории переноса излучения используются понятия спектральных
30. 3. Спектральное распределение излучения абсолютно черного тела. Закон Планка Закон Планка. Число атомов Nm с энергией
31. Среднее число переходов в единицу времени определяется вероятностными коэффициентами Эйнштейна: для спонтанных переходов Anm, для вынужденных
32. Полученная формула (12) – закон Планка в шкале частот для спектральной плотности энергии в единице объема
33. В спектральной шкале волновых чисел [см–1], часто используемой при расчетах переноса излучения в газах, формула Планка
34. В логарифмической шкале распределение Планка представлено на рис.1. Рис. 1. Спектральное распределение излучения абсолютно черного тела
35. Следствия из закона Планка. Из формулы Планка непосредственно вытекают: а) закон смешения Вина, определяющий положение максимума
36. Закон смещения Вина. мкм⋅К, (16) Закон смещения Вина определяет положение максимума спектральной энергии излучения, испускаемой абсолютно
37. Закон Рэлея-Джинса. Из формулы Планка [(13), (14) и (15)] можно получить некоторые упрощенные предельные выражения. Если
38. Закон Вина. Если λT >1, то выражение (14) переходит в часто используемое в пирометрии приближенное выражение
39. Интегрирование распределения Планка. Между законами Планка и Стефана-Больцмана существует естественная взаимосвязь, позволяющая найти численное значение постоянной
40. Приравнивая выражения (21) и (5) находим значение постоянной в формуле (5): (21′) σ0=5,67032·10–8 [Вт/(м2⋅К4)] – постоянная
41. Если в качестве аргумента взять λT, а в качестве функции E0/T5, то графики для разных температур
42. Излучение абсолютно черного тела в спектральных интервалах Излучение в конечном спектральном интервале выражается долей от интегрального
43. В табл. 1 для примера приведены значения границ спектральных диапазонов в см–1, которые соответствуют 1%-ным долям
44. В таблице 1 даны доли энергии для температур: 700 – 1500 0С через 100 0С, однако
45. Таблица 2. 2%-ная универсальная таблица долей энергии Табл.2 построена в виде универсальной зависимости доли энергии (через
47. Скачать презентацию

Слайд 2

Слайд 3

Лазер
1. Принцип действия лазеров
Евход

Слайд 4

Лазер
1. Принцип действия лазеров
Евход

Слайд 5

Рис. 1. Планковская кривая. Площадь под кривой – вся излучаемая энергия

Слайд 6

(1)
(2)
где
λ0 – центральная длина волны излучения,
Δλ - полуширина участка

излучения (на половине амплитуды).

Слайд 7

[Дж/м2⋅нм] (3)
Sn – площадь сечения лазерного пучка, [м2]
EудΔλ – спектральная

плотность энергии, [Дж/м2⋅нм], [Дж/м2⋅мкм]

Слайд 8

Рис. 2. Параметры излучения – пространственное распределение, направленность

Слайд 9

Слайд 10

Самолет-летающая лаборатория Ил-76МД СССР-86879 (1989 г.) с авиационным вариантом боевого мегаватного

лазера А-60

Слайд 11

Лазерная система ATL на самолете С130-Н Hercules – художественное представление (изображение

DARPA)

Слайд 12

Схема лазерной установки ATL (изображение DARPA)

Слайд 13

Слайд 14

Слайд 15

Пушка Excalibur из массива волоконных лазеров (фото DARPA)

Слайд 16

Концепция уничтожения МБР рентгеновским лазером в программе SDI

Слайд 17

Схема самолёта Boeing 747-400F с боевым лазером YAL (изображение: Boeing)

Слайд 18

Слайд 19

Лазерная турель YAL-1 (фото: Boeing)

Слайд 20

Советский спутник Скиф с лазером

Слайд 21

2. Законы Кирхгофа, Стефана – Больцмана, Ламберта, Бугера
Закон Кирхгофа описывает одно

из наиболее общих свойств теплового равновесного излучения. Он устанавливает связь между способностью тела испускать и способностью поглощать энергию излучения.
(1)
Сформулированный закон, известный как закон Кирхгофа, относится к излучению в узком спектральном интервале.
(2)

Слайд 22

Таким образом, закон Кирхгофа формулируется в следующем виде.
В условиях термодинамического равновесия

отношение плотности спектрального (интегрального) потока испускаемого излучения к спектральной (интегральной) полусферической поглощательной способности тела является одинаковым для всех тел и равным спектральной (интегральной) плотности потока излучения абсолютно черного тела при той же температуре.
Из закона Кирхгофа вытекает ряд следствий, имеющих большое практическое значение.

Слайд 23

Первое следствие определяет соотношение между излучательной способностью (степенью черноты) тела и

его поглощательной способностью.
,
(3)
(4)
Второе следствие. Из всех тел при одной и той же температуре абсолютно черное тело обладает максимальным спектральным излучением для всех длин волн, поскольку оно имеет поглощательную способность a0,λ =1, а у остальных веществ aλ≤1.
Третье следствие. При условии, что между излучением и веществом имеется термодинамическое равновесие, распределение по спектру объемной плотности энергии излучения u0,λ [Дж/м3] определяется только температурой замкнутой системы полости и не зависит от величин, характеризующих вещество стен полости.

Слайд 24

Первое следствие определяет соотношение между излучательной способностью (степенью черноты) тела и

его поглощательной способностью.
(3)
(4)
Второе следствие. Из всех тел при одной и той же температуре абсолютно черное тело обладает максимальным спектральным излучением для всех длин волн, поскольку оно имеет поглощательную способность a0,λ =1, а у остальных веществ aλ≤1.
Третье следствие. При условии, что между излучением и веществом имеется термодинамическое равновесие, распределение по спектру объемной плотности энергии излучения u0,λ [Дж/м3] определяется только температурой замкнутой системы полости и не зависит от величин, характеризующих вещество стен полости.

Слайд 25

Закон Стефана-Больцмана устанавливает для равновесных условий связь интегрального полусферического потока излучения

элемента поверхности АЧТ с его абсолютной температурой.
Плотность потока равновесного излучения элемента поверхности АЧТ пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры.
E0=σ0T4, (5)
где
σ0=5,67032·10–8 Вт/(м2⋅К4) – постоянная Стефана-Больцмана.

Слайд 26

Закон Ламберта.
для любой точки объема полости в состоянии равновесия удельная

сила объемного излучения (угловая плотность потока объемного излучения) jAЧТ [Вт/(м3·ср)] является постоянной величиной и не зависит от направления
(6)
где
ηАЧТ – объемная плотность потока излучения
ω – телесный угол.
(7)
где Q – поток теплового излучения [Вт].
Энергетическая яркость – поток излучения в заданном направлении в пределах телесного угла dω, отнесенный к величине этого телесного угла и элементарной площадке dFN, перпендикулярной данному направлению.

Слайд 27

Закон Ламберта определяет угловое распределение равновесного излучения. Вследствие равновероятности испускания излучения

по всем направлениям в АЧТ и принципа детального равновесия в каждой точке объема и поверхности распределение потока излучения во всех направлениях одинаково (изотропно).
(6)
где
ηАЧТ – объемная плотность потока излучения
ω – телесный угол.
(7)
где Q – поток теплового излучения [Вт].
(8)
Интенсивность излучения Iθ единицы поверхности в каком-нибудь направлении θ пропорциональна косинусу угла между этим направлением и нормалью к поверхности N.

Слайд 28

Закон Бугера-Ламберта-Бэра. Интенсивность спектрального излучения J0 вдоль некоторого направления Ω экспоненциально

уменьшается при распространении излучения в поглощающей среде, а показатель экспоненты равен интегралу от текущего объемного коэффициента ослабления по длине пути, пройденного излучением.
Математическое выражение закона Бугера-Ламберта-Бэра имеет вид
(9)
где
s – координата вдоль луча с направляющим вектором Ω;
Jν(s=0) – спектральная интенсивность излучения, падающего на элементарную площадку с координатой s=0 в направлении Ω;
kν – спектральный коэффициент ослабления излучения [м–1] (kν=αν+βν, где αν – спектральный коэффициент поглощения; βν – спектральный коэффициент рассеяния)

Слайд 29

Спектральной оптической толщиной отрезка луча s называют интеграл
(10)
В теории

переноса излучения используются понятия спектральных оптических толщин по отношению к отдельным процессам:
– спектральная оптическая толщина по поглощению;
– спектральная оптическая толщина по рассеянию

Слайд 30

3. Спектральное распределение излучения абсолютно черного тела. Закон Планка
Закон Планка.
Число

атомов Nm с энергией возбуждения Wm в состоянии m в состоянии равновесия определяется формулой Больцмана
, (11)
где N – число атомов в единице объема;
gm – статистический вес энергетического уровня Wm (кратность вырождения уровня энергии – число различных квантово-механических состояний, которым соответствует данное значение энергии) при температуре Т, К;
g0 – статистический вес основного состояния (состояния с энергией возбуждения W0=0).
При переходе из состояния n в состояние m (Wn>Wm) атом испускает квант энергии hν=Wn–Wm.

Слайд 31

Среднее число переходов в единицу времени определяется вероятностными коэффициентами Эйнштейна: для

спонтанных переходов Anm, для вынужденных переходов Bnm, для обратных переходов Bmn.
По принципу детального равновесия в термодинамическом равновесии для каждого перехода должно соблюдаться равенство
где
u0,ν – спектральная объемная плотность энергии излучения АЧТ.
Отсюда
(12)
где
с0 – скорость света в вакууме;
Nm - число атомов в состоянии m
Nn - число атомов в состоянии n

Слайд 32

Полученная формула (12) – закон Планка в шкале частот для спектральной

плотности энергии в единице объема АЧТ [Дж/(м3⋅Гц)].
Для потока излучения единицы поверхности E0,ν [Вт/(м2⋅Гц)] (с учетом Е = 0,25 c0u) формула Планка записывается в виде
(13)
В спектральной шкале длин волн λ для спектральной яркости B0,λ, Вт/(м3⋅ср), используемой в пирометрии, формула Планка записывается с постоянными c1 и c2:
, (14)
где первая и вторая постоянные Планка равны соответственно:
c1=2πhc02=3,71832·10–16 Вт⋅м2;
c2=hc0/k=1,438786⋅10–2 м⋅К.

Слайд 33

В спектральной шкале волновых чисел [см–1], часто используемой при расчетах переноса

излучения в газах, формула Планка обычно записывается для спектральной интенсивности излучения [Вт/(м2⋅см–1·ср)]
(15)
где волновое число в [см–1], а температура Т в [К].

Слайд 34

В логарифмической шкале распределение Планка представлено на рис.1.
Рис. 1. Спектральное

распределение излучения абсолютно черного тела (АЧТ) в логарифмических координатах.

Слайд 35

Следствия из закона Планка.
Из формулы Планка непосредственно вытекают:
а) закон

смешения Вина, определяющий положение максимума излучения;
б) законы излучения Рэлея-Джинса и
в) Вина как предельные случаи при больших и малых значениях аргумента λT,
г) а также закон Стефана-Больцмана.

Слайд 36

Закон смещения Вина.
мкм⋅К, (16)
Закон смещения Вина определяет положение максимума

спектральной энергии излучения, испускаемой абсолютно черным телом.
[Вт/м3]. (17)

Слайд 37

Закон Рэлея-Джинса.
Из формулы Планка [(13), (14) и (15)] можно получить

некоторые упрощенные предельные выражения. Если λT>>c2, то разложив в ряд выражение (ехр(с2/λТ) – 1) в формуле (14):
(18)
(это так называемая длинноволновая аппроксимация функции Планка)

Слайд 38

Закон Вина.
Если λT<>1, то выражение (14) переходит в

часто используемое в пирометрии приближенное выражение для спектральной яркости излучения
(19)
которое иначе называют законом излучения Вина (это так называемая коротковолновая аппроксимация функции Планка).
Этот закон часто используют для определения излучательной способности по яркостной температуре (Тя), которая определена как температура АЧТ, имеющего одинаковую спектральную энергетическую яркость с излучением реального тела при температуре (Т):
(20)
где
ελ – степень черноты.

Слайд 39

Интегрирование распределения Планка.
Между законами Планка и Стефана-Больцмана существует естественная взаимосвязь,

позволяющая найти численное значение постоянной Стефана–Больцмана (σ0). Найдем интегральную плотность потока равновесного излучения Е0= из закона Планка (13):
(21)
где ξ=с2/λТ;
с0 – скорость света в вакууме [м/с];
k – постоянная Больцмана [Дж/К];
h – постоянная Планка [Дж·с].

Слайд 40

Приравнивая выражения (21) и (5) находим значение постоянной в формуле (5):
(21′)
σ0=5,67032·10–8

[Вт/(м2⋅К4)] – постоянная Стефана–Больцмана.
Плотность потока излучения в заданном спектральном интервале численно равна площади под кривой распределения Планка в том же интервале.
Интегральная плотность потока Е0 – полной площади под кривой при данной температуре.

Слайд 41

Если в качестве аргумента взять λT, а в качестве функции E0/T5,

то графики для разных температур сольются в одну общую кривую, представленную на рис.2:
(22)
Удобство этой формы в том, что доля общей площади под кривой, т. е. доля энергии АЧТ в интервале будет едина для всех температур.
Рис.2. Распределение энергии излучения АЧТ в процентных долях от общей энергии излучения в зависимости от λТ

Слайд 42

Излучение абсолютно черного тела в спектральных интервалах
Излучение в конечном спектральном интервале

выражается долей от интегрального потока излучения Е0 = σ0Т4, испускаемого в участке спектра λ1–λ2 или 0–λ:
(23)
где
ΔЕΔλ - плотность потока излучения в спектральном интервале Δλ = λ1–λ2;
Еλ - спектральная плотность потока излучения.
Границы спектральных интервалов рассчитаны по формуле
(24)
где
- энергия излучения в интервале ;
W – интегральная энергия излучения АЧТ при температуре Т.

Слайд 43

В табл. 1 для примера приведены значения границ спектральных диапазонов в

см–1, которые соответствуют 1%-ным долям энергии излучения АЧТ при данной температуре.

Таблица 1.
Распределение излучения абсолютно черного тела по долям энергии в спектральных интервалах

Слайд 44

В таблице 1 даны доли энергии для температур: 700 – 1500

0С через 100 0С, однако ею можно пользоваться и для определения спектральных границ того же энергетического интервала при любой температуре Тx.
Пересчет производится по формуле
(25)
где
- искомая граница спектрального диапазона данного % энергии, для которого взяты табличные значения Ттаб и .

Слайд 45

Таблица 2.
2%-ная универсальная таблица долей энергии
Табл.2 построена в виде универсальной

зависимости доли энергии (через 2%) от диапазона сложного аргумента λТ (мкм⋅К), поэтому по ней могут быть прослежены как положение границ диапазонов при фиксированной температуре, так и перемещение границы отдельного диапазона при изменении температуры.

Классификация лазеров

Содержание

Лазер1. Принцип действия лазеров Евход

Лазер1. Принцип действия лазеров Евход

Рис. 1. Планковская кривая. Площадь под кривой – вся излучаемая энергия

(1)(2)где λ0 – центральная длина волны излучения, Δλ - полуширина участка

[Дж/м2⋅нм] (3)Sn – площадь сечения лазерного пучка, [м2] EудΔλ – спектральная

Рис. 2. Параметры излучения – пространственное распределение, направленность

Самолет-летающая лаборатория Ил-76МД СССР-86879 (1989 г.) с авиационным вариантом боевого мегаватного

Лазерная система ATL на самолете С130-Н Hercules – художественное представление (изображение

Схема лазерной установки ATL (изображение DARPA)

Пушка Excalibur из массива волоконных лазеров (фото DARPA)

Концепция уничтожения МБР рентгеновским лазером в программе SDI

Схема самолёта Boeing 747-400F с боевым лазером YAL (изображение: Boeing)

Лазерная турель YAL-1 (фото: Boeing)

Советский спутник Скиф с лазером

2. Законы Кирхгофа, Стефана – Больцмана, Ламберта, БугераЗакон Кирхгофа описывает одно

Таким образом, закон Кирхгофа формулируется в следующем виде.В условиях термодинамического равновесия

Первое следствие определяет соотношение между излучательной способностью (степенью черноты) тела и

Первое следствие определяет соотношение между излучательной способностью (степенью черноты) тела и

Закон Стефана-Больцмана устанавливает для равновесных условий связь интегрального полусферического потока излучения

Закон Ламберта. для любой точки объема полости в состоянии равновесия удельная

Закон Ламберта определяет угловое распределение равновесного излучения. Вследствие равновероятности испускания излучения

Закон Бугера-Ламберта-Бэра. Интенсивность спектрального излучения J0 вдоль некоторого направления Ω экспоненциально

Спектральной оптической толщиной отрезка луча s называют интеграл (10)В теории

3. Спектральное распределение излучения абсолютно черного тела. Закон ПланкаЗакон Планка. Число

Среднее число переходов в единицу времени определяется вероятностными коэффициентами Эйнштейна: для

Полученная формула (12) – закон Планка в шкале частот для спектральной

В спектральной шкале волновых чисел [см–1], часто используемой при расчетах переноса

В логарифмической шкале распределение Планка представлено на рис.1. Рис. 1. Спектральное

Следствия из закона Планка. Из формулы Планка непосредственно вытекают: а) закон

Закон смещения Вина. мкм⋅К, (16)Закон смещения Вина определяет положение максимума

Закон Рэлея-Джинса. Из формулы Планка [(13), (14) и (15)] можно получить

Закон Вина. Если λT<>1, то выражение (14) переходит в

Интегрирование распределения Планка. Между законами Планка и Стефана-Больцмана существует естественная взаимосвязь,

Приравнивая выражения (21) и (5) находим значение постоянной в формуле (5):(21′)σ0=5,67032·10–8

Если в качестве аргумента взять λT, а в качестве функции E0/T5,

Излучение абсолютно черного тела в спектральных интервалахИзлучение в конечном спектральном интервале

В табл. 1 для примера приведены значения границ спектральных диапазонов в

В таблице 1 даны доли энергии для температур: 700 – 1500

Таблица 2. 2%-ная универсальная таблица долей энергииТабл.2 построена в виде универсальной

Похожие презентации

Лазер
1. Принцип действия лазеров
Евход

Лазер
1. Принцип действия лазеров
Евход

(1)
(2)
где
λ0 – центральная длина волны излучения,
Δλ - полуширина участка

[Дж/м2⋅нм] (3)
Sn – площадь сечения лазерного пучка, [м2]
EудΔλ – спектральная

2. Законы Кирхгофа, Стефана – Больцмана, Ламберта, Бугера
Закон Кирхгофа описывает одно

Таким образом, закон Кирхгофа формулируется в следующем виде.
В условиях термодинамического равновесия

Закон Ламберта.
для любой точки объема полости в состоянии равновесия удельная

Спектральной оптической толщиной отрезка луча s называют интеграл
(10)
В теории

3. Спектральное распределение излучения абсолютно черного тела. Закон Планка
Закон Планка.
Число

В логарифмической шкале распределение Планка представлено на рис.1.
Рис. 1. Спектральное

Следствия из закона Планка.
Из формулы Планка непосредственно вытекают:
а) закон

Закон смещения Вина.
мкм⋅К, (16)
Закон смещения Вина определяет положение максимума

Закон Рэлея-Джинса.
Из формулы Планка [(13), (14) и (15)] можно получить

Закон Вина.
Если λT<>1, то выражение (14) переходит в

Интегрирование распределения Планка.
Между законами Планка и Стефана-Больцмана существует естественная взаимосвязь,

Приравнивая выражения (21) и (5) находим значение постоянной в формуле (5):
(21′)
σ0=5,67032·10–8

Излучение абсолютно черного тела в спектральных интервалах
Излучение в конечном спектральном интервале

Таблица 2.
2%-ная универсальная таблица долей энергии
Табл.2 построена в виде универсальной