Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 102
Текст из файла (страница 102)
потери на единицу д.i.rины активной среды ~. то условиеравновесия в квантовом генераторе можно записать в виде(17.18)гдеL -расстояние между зеркалами резонатора, а-коэффициент усиления на единицу длины в активной среде~Последнее выражение является условием баланса амплитуд(мощностей) для существования стационарного режима генерации, при котором индуцированное излучение компенсирует суммарные потери в системе. -Условие баланса фаз представляетсяв следующем виде:Л<р 1+ Л<р 2 + (27t/Л.)2L =где Л<р1' Л<р 2 -21tq (q =О, 1, 2, 3, ...
),(17.19)изменения фазы при отражении от зеркал резонатора.-Условие баланса фаз в формуле(17.19)означает, что в установившемся режиме генерации волна, пройдя путь2L в резонаторе и2nq, кратдважды отразившись от зеркал, получает фазовый сдвигный целому числу периодов. Тем самым в генераторе обеспечивается положительная обратная связь, благодаря которой непрерывно воспроизводятся колебания неизменной частоты (образуютсястоячие волны). Выражение(1 7 .19) по смыслу совпадает с (1 7 .12).ГлаваВ формулеe 2a.L17.Основы квантового усиления(17.18) (баланс535мощности) экспоненциальный членописывает индуцированное усиление, а остальные сомножители в левой части равенства характеризуют потери.
Отсюда следует, что стационарный режим генерации лазера установите.ялишь в том случае, если индуцированное усиление в активнойсреде компенсирует все потери в резонаторе. Таким образом, изформулы(17.18)следует условие стационарного режима генерации, сводящееся к тому, чтобы · коэффициент усиления аимел определенное стационарное значение аст(17.20)Величина аст' как следует из формулы(17.11),реализуете.япри некоторой пороговой населенности п 2 пор верхнего уровня рабочего лазерного перехода.17.5.Спектр и характеристикиизлучения квантовых генераторовЗамечательные свойства лазерного излучения обусловлены каксвойствами вынужденного и;злучени.я, так и использованием оптических резонаторов, что позволяет получить когерентное оптическое излучение, характеристиками которого можно управлять.Спектр излучения.
Количество типов колебаний, которые могутвозникнуть в резонаторе,определяете.я спектральным контуромизлучения активного веЩества (рис.17.4, а) и резонансными свой17.4, б). На рис. 17.4, бствами интерферометра (резонатора) (рис.показаны только аксиальные моды колебаний; интенсивностьизлучения представлена в относительных единицах и обозначена как Jотн·В случае когда инверсия населенностей очень мала и ни на одной из частот резонатора не выполняете.я условие самовозбуждения, в системе возможно лишь спонтанное излучение, спектр которого определяете.я· в основном формой контура спектральнойлинии активной среды.
С увеличением инверсии населенностейна рабочем переходе усиление в активной среде возрастает и условие самовозбуждения (баланса амплитуд) начинает сначала выполняться дл.я одной или нескольких аксиальных мод колебаний,Раздел 5. ПРИБОРЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ536имеющих, как правило, частоты, блиJOTHжайшие к максимуму спектральногоконтура излучения активной среды(см. рис.17.4,а). В этом случае нафоне спонтанного излучениябудутвыделяться интенсивные колебанияна отдельных частотах.vа)При дальнейшем росте инверсиинаселенностей усиление в активной(1,""среде на всех частотах резонатора уве/\/\личивается и условие самовозбужденияначинаетвыполнятьсядлявсебольшего числа мод колебаний резоq-2 q-1 q q+1 q+2vнатора, т.
е. спектр генерации лазерарасширяется (рис.б)17.4, в).В диапазоне СВЧ ширина спектральной ли\//нии излучения достаточно мала и ус\11\ловие баланса амплитуд выполняется,\1как правило, лишь для одной часто\1\/ты. В оптическом же диапазоне шири\/наq-2 q-1 q q+1 q+2vв)спектральнойлиниипревышаетнесколько сотен МГц, и в ее пределахразмещаются частотызначительного числа как аксиальных (несколькодесятков), так и поперечных типовколебаний (формула(17.15)),частоты которых группируются около аксиальных мод (рис.q-1qq+1г)Рис.17.4v17.4,г). Ширинадиапазона частот, в котором распределяются поперечные типы колебаний,составляет обыч:по единицы МГц.Анализ спектра излучения лазера показывает, что на структуру спектра существенное влияние оказывает тип активной среды, характер уширения спектральнойлинии и пространственная модуляция инверсной населенности.Наличие многих частот в спектре лазерного излучения частоявляется существенным недостатком.
Например, в связной линии оптического диапазона это может привести к появлению вприемнике ряда комбинационных частот, которые представляют помеху для сигнала. Сужение спектра излучения принципиально может быть достигнуто различными путями: снижением интенсивности накачки до величины, близкой к порогу воз-Глава17.Основы квантового усилениябуждения генератора (ситуация,рис.17.4,537подобная изображенной нав); путем увеличения потерь для нежелательных типов колебаний до величин, при которых условие порога самовозбуждения (баланса амплитуд) не выполняется; использованием фокусирующих линз и диафрагм в резонаторе (селекциячастот резонатора); применением полусферического резонатора, состоящего из плоского и сферического зеркал, которые располагаются на расстоянии,приблизительно равном ради:усукривизны сферического зеркала (этим методом селектируютсяпоперечные типы колебаний).
Применение неустойчивых резонаторов, в которых поле вне их внутренней полости зеркаламинеконцентрируется,а рассеивается,расположение диспергирующих призм между плоскими зеркалами и т. д. также позволяют устранить нежелателтные типы колебаний.Направленность и поляризация излучения. Характерной чертой лазеров является высокая направленность пучка (малая угловаярасходимость) излучения, что обусловлено как самим механизмомлазерной генерации, так и большими характерными размерамиизлучающей системы по сравнению с длиной волны излучения Л..Предельно достижимая расходимость пучка определяется дифракционными явлениями на зеркалах или пятне, через котороевыводится излучение, в этом случае угловая ширина диаграм(0 0 , 5 ) опапертура пучка намы направленности по уровню половинной мощностиределяется формулой00 , 5 ::::: 1,221../D,гдеD -выходном зеркале.Типичные значения величины00 , 5для многих типов лазеровзаключены в диапазоне от единиц до нескольких десятков угловых минут, что превышает предельные теоретические значения в20 ...
50 раз.Таким образом, для лазеров направленность излучения является весьма высокой, что позволяет получить высокоеугловое разрешение в оптических локаторах и высокую угловую точность в системах наведения по лучу, обеспечить хорошую скрьrтность при передаче информации, повысить дальностьдействия систем связи, локации и управления без увеличенияизлучаемой мощности.Увеличение расходимости луча реального лазера по сравнению с предельными теоретическими значениями обусловленоследующими причинами: сферичностью волны на выходе ОКГ,многомодовостью излучения, наличием неоднородностей в активной среде и несовершенством элементов резонатора.
Все эти538Раздел 5. ПРИБОРЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИпричины в основном вызывают искажения распределения поляна зеркалах резонатора. Искажения диаграммы направленности излучения сводятся к появлению нескольких максимумов,их смещению относительно центральной оси всей диаграммы.Влияние оптических неоднородностей наиболее сильно проявляется в полупроводниковых, в меньшей мере-в твердотельных, и почти отсутствует в газовых лазерах.Уменьшение расходимости излучения на выходе лазеров достигается в первую очередь путем устранения высших поперечных типов колебаний.
Наибольшую направленность имеют одномодовыелазеры, в которых возбуждается только один поперечный тип колебаний ТЕМ 00 • Проблема обеспечения одномодового режима в газовых лазерах небольшой мощности решена. Для твердотельныхлазеров, активная среда которых обладает большим усилением,обеспечение одномодового режима достаточно сложно, так кактрудно создать значительные потери для высших типов колебаний, не ухудшая энергетических характеристик лазера.Важным параметром лазеров является поляризация излучения,под которой понимается преимущественное направление вектора электрического поля. В лазерах поляризация излучения определяется величиной усиления в резонаторе для волн различной поляризации, что обусловливается или самой активной средой, или введенными в резонатор поляризующими элементами.Когда поляризующие элементы (устройства) отсутствуют и акти:~;шая среда изотропна, условия возникновения колебаний длявсех плоскостей поляризации одинаковы, т.
е. излучение оказывается неполяризованным. В большинстве случаев излучениелазеров оказывается плоскополяризованным, что часто связанос мерами по уменьшению внутренних паразитных потерь на отражение. В резонаторе для уменьшения паразитных отраженийграничные поверхности активной среды выполняются не перпендикулярными к оси резонатора, а наклонными.Зависимость коэффициента отражения плоскопараллельнойстеклянной пластинки от угла падения луча для различной ориентации вектора напряженности поля показывает, что отражениедля излучения, поляризованного.в плоскости падения при некотором угле <р 0 (угле Брюстера), близко к нулю.
Это свойство широко используется в лазерах. В газовых лазерах окна газоразряднойкюветы выполняются под углом Брюстера. То же самое можносказать и о твердотельных лазерах, где грани стержней активноговещества также часто скашивают под углом Брюстера. Такое вы-Глава17.Основы квантового усиления539полнение элементов активной среды определяет поляризацию излучения. Для излучения, поляризованного в плоскости падения,. потерив резонаторе минимальны, что обычно и реализуется вбольшинстве лазеров.Поляризация излучения может определяться и самой активной средой, особенно кристаллической. Как правило, усилениев кристалле зависит от угла ме~ду его оптической осью и плоскостью поляризации света.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
