Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 176

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 176)

40.7. Для возбуждения генерации Обычно пользуются импульсными газоразрядными лампами, дающими яркую световую вспьппку длительностью порядка одной миллисекунды. Для возникновения генерации световая мощность, непосредственно используемая для возбуждения ионов хрома в 1 см' рубина, должна со- 3 ставить около 2 кВТ. Если лампа обеспечивает такую мощность возбуждения, то рубиновый лазер генерирует световой импульс с длитель- Р . 40.7. Поперечное постыл, несколько меньшей длительности све- сечение осветителя лачения лампы. На экране, расположенном па- зера с оптическим возраллельно полупрозрачному зеркалу на торце буждением рубинового стержня, можно увидеть ослепительно яркую красную световую вспышку.

Нлощадь поперечного сечения светового пятна на экране при этом практически не зависит от расстояния (в пределах десятка метров) между рубином и экраном. ') Можно ограничиться полировкой торцов рубинового стержня и установить два внешних зеркала. ЛАЗЕРЫ, НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА 716 Для освещения рубинового стержня применяются ксеноновые газоразрядные лампы, через которые разряжается батарея высоковольтных конденсаторов. Емкость такой батареи конденсаторов порядка 1000 мкФ, и заряжается она до напряжения в 2 — 3 кВ. На рис. 40.6 показана батарея конденсаторов С, включенная параллельно лампе в, но блок зарядки конденсаторов и устройство для быстрого их включения параллельно лампе не изображены.

На рис. 40.8 показаны осциллограммы интенсивности световых вспышек рубинового лазера и возбуждавшей его генерацию ксеноновой лампы. Для того чтобы эти две осциллограммы не накладывались друг на друга, ординаты одной из них (лазерной) отсчитываРис. 40.8.

Осциллограммы свече- 1отся ввеРх от горизонтальной оси сия возбужда1ощеи* лампы-вспыт- временнои Развертки, а другои— ки и излучения Рубинового лазера вниз. Из сравнения осциллограмм видно, что генерация в рубине начинается не одновременно с началом световой вспышки ксеноновой лапмы, а только после обеспечения достаточной инверсной заселенности рабочих уровней ионов хрома. Излучение лазера заканчивается, когда мощность возбуждающего света ксеноновой лампы падает ниже порога, необходимого для поддержания генерации в рубине. Спектры светового импульса ксеноновой лампы и рубинового лазера совершенно различны. Ксеноновая лампа излучает импульс света со сплошным спектром, рубиновый лазер генерирует красную спектральную линию с длиной волны 694,3 нм и шириной около 0,025 нм (и меныпе).

Энергия светового импульса рубинового лазера сравнительно невелика и составляет несколько джоулей. Но, .так как длительность импульса порядка миллисекунды, мощность лазерного импульса достигает нескольких киловатт ). О способах значительного ее иовыптения будет сказано ниже. Как уже отмечалось в ~ 225, оптический резонатор лазера обеспечивает коллимацию (направленность) излучения, выходящего из лазера. Хотя при использовании рубиновых стержней трудно достичь дифракционного предела углового раскрытия Л/В излучаемого светового конуса, но„тем не менее, можно получить расходимость светового пучка, не превышающую нескольких угловых минут.

Это значит, что на экране, расположенном на расстоянии километра от лазера, диаметр поперечного сечения светового пучка составит примерно метр без применения каких-либо фокусирующих оптических систем. Необходимо подчеркнуть пространственную когерентность излучения в сечении, лазерного светового пучка, тесно связанную с его 1'~ ) Отметим, что существуиот рубиновые лазеры. работающие в непрерывном режиме. ГЛ.

Х1,. ОНТИЧНСКИН КВАНТОВЫБ ГННИ1'АТОЕ'Ы 717 расходимостью (см. ~ 22). Если на пути лазерного светового пучка расположить две узкие параллельные щели, прорезанные в непрозрачном экране, т.е. осуществить схему интерференционного опыта Юнга (см. ~ 16), но без первой входной щели, то на экране, поставленном за этими щелями, можно наблюдать интерференционную картину с высокой видимостью (контрастностью) ее полос. Это зна 1ит, что излучение лазера пространственно когерентно. Рубиновый лазер может давать линейно-поляризованное излучение без помощи какого-либо поляризатора.

Если рубиновьпл стержень лазера вырезан из кристалла рубина таким образом, что оптическая ось кристалла перпендикулярна к оси стержня или составляет с ней угол 60', то излучение линейно-поляризовано, причем вектор индукции 1) перпендикулярен плоскости главного сечения кристалла. Если сопоставить характеристики импульсного рубинового лазера, обычно применяемого в современной лабораторной практике (мощность светового импульса, ширину спектра излучения, пространственную когерентность светового пучка, его коллимацию), с аналогичными характеристиками других источников света, то становится ясно, что оптический квантовый генератор представляет собой источник излучения принципиально иного типа. Из легко осуществимого расчета вытекает, что для излучения абсолютно черным телом «лазерной моп1ностиэ в пределах указанного спектрального интервала (0,025 нм) оно должно иметь температуру порядка 10" К.

Но даже при этом условии поток равновесного излучения не был бы пространственно когерентен. Сравнивая спектральные мощности излучения единицы поверхности Солнца и лазера, получим, что лазер излучает в 10 раз 4 больше, чем Солнце. Если найти амплитуду напряженности электрического поля в несфокусированном лазерном световом пучке указанной выше мощности, то окажется, что она составляет величину порядка 104 В!см.

Для сравнения укажем, что напряженность поля в солнечном свете на экваторе у поверхности Земли в ясный солнечный день порядка. 10 В,'см. Как мы увидим в дальнейшем, напряженность поля в лазерном световом пучке можно повысить еще на несколько порядков. Рассмотрим некоторые способы повышения мощности излучения импульсного рубинового лазера. Так, можно увеличивать длину и повышать качество рубинового кристалла, а также мощность его оптического возбуждения.

Это дает несомненные положительные результаты и позволяет повысить мощность излучаемого импульса примерно на один порядок при неизменной его длительности. Другая возможность повышения мощности лазерного импульса основана на совершенно иных соображениях. Мощность импульса пропорциональна его энергии с, деленной на длительность импульса Ьт. Поэтому, если при данном зна'1ении энергии импульса сократить его длительность, то мощность импульса повысится.

Изложим один из методов сокращения длительности импульса излучения, получивший название метода модулированной добротности. Выше неоднократно подчеркивалось значение резонатора для самовозбуждения генерации лазера. Генерация начинает развиваться, 718 ЛАЗЕРЫ, НЕЛИНЕЙНАЯ ОП'1'ИКА как только инверсная заселенность примет пороговое значение, определяемое потерями энергии в резонаторе. Поэтому це,1есообразно иметь большие потери на первом этапе освещения кристалла с тем, чтобы задержать начало развития генерации и накопить в освещенном кристалле более высокую концентрацию возбужденных ионов хрома. Можно расположить перпендикулярно пучку только одно зеркало, а другое зеркало или призму полного отражения (рис.

40.9) вводить в рабочее положение лишь после того, как будет достигнута высокая инверсная заселенность. В момент правильной ориентации зеркала или призмы лавинообразно нарастает амплитуда импульса индуцированного излучения, получающего почти всю энергию, запасенную в активной среде, и имеющего длительность порядка 10 ~ — 10 в с. Существует несколько способов импульсного уменыпения потерь.

Призму полного внутреннего отражения вращают вокруг оси, перпендикулярной к ребру А и лежащей в плоскости чертежа (на рис. 40.9 Рис. 40.9. Схема лазера с модулированной добротностью она показана штриховой линией), с угловой скоростью около 500 об,1с. Начальную фазу вращения подбирают таким образом, что призма занимает рабочее положение через заданный промежуток времени после включения ксеноновых ламп, когда инверсная населенность уровней ионов хрома велика.. Срезы торцов рубинового стержня, используемого в данном случае, делаются косыми и, разумеется, неметаллизированными для того, чтобы при высокой инверсной заселенности уровней, т.е.

при высоких значениях коэффициента усиления, сам кристалл не стал оптическим резонатором. Таким образом, повышение мощности лазерного импульса достигается сокращением его длительности за счет специального приема «включениями в работу оптического резонатора. Описанный метод сокращения длительности импульса до 10 7 с (правда, при некоторой потере его энергии ) дает возможность получить импульсы с мощностью 10 Вт. Как нетрудно понять, изменение ориентации призмы изменяет добротность оптического резонатора. Поэтому описанный метод формирования коротких мощных импульсов получил наименование модуллиии добротности оптического резонатора. Лазеры, работающие в таком режиме, называются лазерами с модулированной добротностью.

Соответственно условия работы лазера с неизменной во времени добротностью называют режимом свободной генерации. ГЛ. Х1,. О11ТИЧНСКИН КВАНТОВЫБ ГЕНЕРАТОРЫ 719 Значительно более быструю модуляцию добротности резонатора можно осуществлять, используя электрооптические затворы (см. ~ 152). Действие этих затворов основано на практически безынерционном изменении или возникновении оптической анизотропии некоторьгх жидкостей и кристаллов под действием электрического поля.

Относящийся к явлениям этого типа эффект Керра описан в ~ 152. С этой же целью применяется и другое электрооптическое явление, так называемый эффект Поккельса, возника1ощий в кристаллах и столь же малоинерционный1, как и эффект Керра. Модуляция добротности резонатора с помощью эффекта Керра осуществляется следующим образом. В резонатор, кроме кристалла рубина, введен затвор, состоящий из ячейки Керра и призматического линейного поляризатора,, ориентированного таким образом, чтобы он полностью пропускал линейно-поляризованное излучение рубинового стержня, когда он начнет генерировать. Схема затвора Керра изображена на рис. 27.2, Перед включением ламп возбуждения рубина на ячейку Керра подается такое напряжение., чтобы она была эквивалентна полуволновой пластинке, надлежащим образом ориентированной по отноп1ению к плоскости поляризации излучения рубина. При этих условиях свет, излучаемый рубином, не может распространяться вдоль оси резонатора.

Характеристики

Список файлов книги