Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Предполагается, что в указанном материале (например, стекловолокне) интенсивность не меняется. Как можно использовать изменившуюся ширину полосы импульса после прохождения через эту среду? 17.6. Определить минимально достижимую лазером на 77-сапфире длительность импульсов из спектра испускания данного кристалла ( рис. 9.14). 17.7. В случае генерации коротких импульсов посредством синхронизации мод вычислить сумму напряженностей поля %соседних аксиальных мод в лазере с синхронизованными модами, то есть при ф = О.
В целях упрощения ампч литуда напряженности поля в уравнении (17.7) принимается постоянной, то есть Е =Е,. Определйть также изменение общей интенсивности во времени и показать, что она состоит из серии коротких импульсов. Какова здесь частота следования импульсов при длине резонатора 1 м и 1 мм? Проследить зависимость максимальной интенсивности и длительности импульсов от числа дГ синхронизованных мод. Определить число синхронизованных мод (при длине резонатора 1 м) и достижимую длительность импульсов для: — аргонового лазера (ширина полосы усиления = 7 ГГц), — лазера на красителе (ширина полосы усиления = 1О ТГц), — Т1-сапфирового лазера.
ГЛАВА 18 ЧАСТОТНАЯ СЕЛЕКЦИЯ И ПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ В лазерном резонаторе возбуждается обычно несколько аксиальных (продольных) и неаксиальных (поперечных) типов волн (мод). Частоты, или длины волн этих мод могут принимать разные значения в диапазоне ширины линии перехода (около 1,5 10' Гц у гелий-неонового лазера 633 нм, несколько!О" Гц или почти 50 нм у лазера на красителе). За счет применения частотно-селектнвных элементов в резонаторе можно сократить число типов возбужденных волн и, следовательно, диапазон излучения лазера — до небольшой части ширины линии. Как крайний вариант предлагается возбуждение одного отдельного типа аксиальных волн. Благодаря изменениям с помощью частотно-селективных элементов (например, при опрокидывании призмы, решетки или эталона) удается непрерывно перестраивать излучение лазера в диапазоне ширины линии.
С другой стороны, и за пределами лазера возможно преобразование частоты при использовании нелинейных оптических эффектов. На основе такого рода процессов достигается сдвиг частоты: либо на дискретные величины (умножение частоты, генерация суммарной и разностной частот, комбинационное рассеяние), либо непрерывно (параметрический генератор, комбинационный лазер с переориентацией спинов; см. здесь также главу 19).
18.1. Подстройка частоты На рис. 18.1 представлено несколько коммерческих лазерных систем, непрерывно перестраиваемых на больших диапазонах длин волн. Лазеры на красителях могут перестраиваться — за счет выбора разных красителей и соответствующих перестраивающих элементов — в диапазоне от 0,3 до ! мкм. Благодаря удвоению частоты в нелинейных кристаллах диапазон длин волн в ультрафиолетовом диапазоне может расшириться до 0,2 мкм. Расширение до инфракрасной области спектра 5 мкм возможно с помощью параметрических генераторов либо на основе вынужденного комбинационного рассеяния. Лазеры на центрах окраски дополняют спектры лазеров на красителях ближней инфракрасной зоной.
Лазеры на красителях и на центрах окраски все чаше заменяются специальными твердотельными лазерами, которые более стабильны и просты в обращении. Параметрические генераторы подробно описаны в п.19.4. Полупроводниковые лазеры могут перестраиваться только на относительно небольшой ширине полосы, хотя за счет применения разных сред для лазеров этого типа создается широкий диапазон излучения от 0,35 до 30 мкм. !д.д С д д д д 323)) Частота, ГЧ 101'1 д 015 1013 0,5 1 5 10 50 длина волны,мам — и 0,1 Рис. 18.1. Распределение спектра светового излучения непрерывно перестраиваемых лазерных систем На рис. 18.1 в дополнение показаны также длины волн диодных лазеров, описанных в главе 1О.
Наряду с представленными системами генерации непрерывно перестраиваемого лазерного излучения существуют и другие варианты, пока еще редко используемые в устройствах коммерческого назначения, в том числе; системы умножения и сдвига частоты в газах и парах для генерации УФ-излучения в вакууме (до 20 нм), газовые лазеры высокого давления (молекулярные И К-лазеры и лазеры на эксимере с небольшим диапазоном перестройки), комбинационные лазеры с переориентацией спинов для перестройки СО,— и СО-лазеров. Краткий перечень перестраиваемых лазеров приведен на рис.
3.1. В разнообразных веществах лазерное излучение мож ет достигаться не только на одном, но и на нескольких переходах с разными центральными частотами. Так, СО,-лазеры и другие молекулярные лазеры выдают серию тесно прилегающих друг к другу линий. С помощью частотно-селективного элемента (например, решетки) можно перестраивать эту частоту на дискретные величины между отдельными линиями излучения. В пределах ширины одной линии возможна и дальнейшая перестройка. 18.2. Селекция продольных ййод Спектральноееыгораниепроеалое При неоднородном уширении наступает эффект спектрального выгорания провалов. Это приводит к уменьшению перенаселенности в диапазоне частот отдельных При использовании модовой диафрагмы обеспечивается генерация лазера на поперечной основной моде ТЕМ, .
Селекция же продольных мод и соответствующий одномодовый режим достигаются сложнее и с более высокими затратами. При этом следует различать однородное и неоднородное уширение линий. АААА1 мод. Плотность населенности достигает, таким образом, минимума согласно рис. 2.7. Отдельные моды колеблются независимо друг от друга, между ними нет «конкуренции», поэтому возбуждаются все моды выше порогового усиления. Пространственное выгорание провалов Иначе обстоит дело с однородным уширением линий. Сначала генерируется мода с максимальным усилением. Но при этом не образуется «дырки» в спектре усиления, поскольку данная мода вступает во взаимодействие со всеми атомами или молекулами. Весь профиль усиления становится при этом более плоским, как это отчетливо видно на рис.
2.6. Спектрального выгорания провалов здесь не происходит. При отсутствии последующих эффектов мог бы иметь место одномодовый режим. На практике же наблюдается несколько мод со скачками между ними. Это явление объясняется феноменом пространственного выгорания провалов. Возбуждаемая мода представляет собой стоячую волну в резонаторе, как это видно на рис.
18.2. В пучностях стоячих волн сильно уменьшается инверсия населенностей (эффект выгорания провалов). Напротив, в узлах она сохраняется. Поэтому и последующие продольные моды могут генерироваться, создавая в итоге многомодовый режим. 'Зеркало Зеркало Пространственного выгорания провалов удается избежать в кольцевых лазерах, ибо там имеются бегущие световые волны. Так достигается одномодовый режим, что приводит к лазерному излучению с одной единственной частотой. Лазеры небольшой длины для одночастотной генерации излучения Уменьшение длины резонатора Е вызывает увеличение продольного межмодового интервала гт('= с/2Х.
В особых случаях это способно привести к одномодовому режиму. Примером служит, в частности, гелий-неоновый лазер с шириной линии (в результате эффекта Доплера) 1,5 ГГц. При длине А = 10 см также получается межмодовый интервал гтг"=с/21= 1,5 ГГц. Таким образом, только одна мода возбуждается в пределах данной ширины линии. Путем точной настройки длины резонатора можно уложить эту частоту моды в максимум профиля усиления. ~324 Г 1К % ц ~р Рис. 1Яд. Пространственное выгорание провалов. На одной моде инверсия пространственно молулируется в продольном направлении. (Š— напряженность поля, р — плотность энергии или излучения, Х,— Х, — разность величин населенности, Т = З«'с — период колебаний) где Йп/Й определяется на основе зависимости показателя преломления от длины волны, а а есть угол отклонения согласно рис.
18. 5, С углом дивергенци и 6 лазерного излучения получаем; па=6. (18.3) Таким образом, мы имеем диапазон длин волн, зеркально отражаемый в схеме по рис. 18.5а обратно в резонатор. Диапазон излучения лазера выражен, следовательно, через: ИХ = 6 6 (18.4) «1а/ЫХ 2адл/ЫХ Для кварцевого стекла в видимой области спектра дл/Ы = 1000 см ' угловая дисперсия составляет тогда оа/оХ = 2000 см'. Расходимость пучка для лазера на основной моде будет примерно: 6=1/яю, = 2 1О 4 при 1=0,5 мкм, вз,=0,8мм. Следовательно, имеем; Ы = 1 нм.
Диапазон излучения лазера может заметно отклоняться от этих показателей. Он зависит от усиления в активной среде лазера и от частотной зависимости этой среды. Для дальнейшего сужения диапазона излучения можно использовать несколько призм, установленных последовательно друг за другом. Призмы находят применение, кроме прочего, для частотной селекции в ионных лазерах на основе инертных газов, причем их поверхность выполняет функцию зеркала ( рис. 18.5б). Призма может быть смонтирована с таким расчетом, чтобы луч падал под углом Брюстера.
Путем вращения призмы достигается перестройка лазера. 18.4. Решетки Для селекции по длинам волн используют в большинстве случаев отражательные решетки, которые могут иметь разные названия, в том числе: блестящая профилированная решетка в схеме Литтрова, а также эшель, или эшелетт. Они состоят из определенного количества параллельных штрихов ( рис. 18.б), выполненных, например, в стекле или пластмассе. При этом свет, падающий на поверхность фацета, отражается и дифрагируется. Дифрагированные на отдельных фацетах парциальные волны складываются в волну, бегущую в направлении, противоположном падающей волне, если разность хода между парциальными волнами есть целочисленное кратное длины волны Х: 2д гйп а = ш)., где т = 1, 2, 3...
(18.5) Угол между плоскостью фацета и средней поверхностью решетки называют «углом блеска» а,. При нормальном падении на плоскости фацета свет отражается с длиной волны блеска Ха=(2И гйп аа)/гл ( рис. 18.6). Для Ха решетка имеет максимальный коэффициент отражения. При легком опрокидывании решетки закон отражения уже не действует на снабженных зеркальным покрытием фацетах, ч32В Г !Ю.Ч ц Орр Ип (апа г(Х (18.6) Такая решетка может устанавливаться в резонаторе аналогично рис. 8.5. Тогда имеет силу да = 0 (см. уравнение 18.3), и вычисляется диапазон длин волн: гБ~ = 0 гГа/е(Л (18.7а) б) "Х рве. 18.6. (8) Отражательная решетка для перестройки резонаторов.
(6) Сегмент для расчета Лв = (2д йл а,)/го Л /2 ~Лв/2 Для решетки с в=1, Ж=2000 линий/мм, гг'=0,5 мкм, Х=)ьв=0,5 мкм, а=30' находим в качестве примера угловую дисперсию порядка ди/Ы = 104см '. С такой решеткой можно, согласно уравнению (18.7а), при расходимости пучка 0 = 2 10-4 получить диапазон лазерного излучения Ы= 0,2 нм. Это меньше, чем с призмой, описанной в предыдущем разделе, причем предполагается получить лазерный пучок с со, = 0,8 мм. Таким образом, мы имеем разрешающую способность Х/г)). = 2500. Для разрешающей способности действительно также: (18.76) где /зг есть число высвеченных штрихов решетки. При использовании решетки шириной 1,6 мм и с 2000 линий/мм в первом порядке (т= 1) получилась бы разрешающая способность = 3600.
Это примерно соответствует результатам нз уравнения (18.7а). В целях максимального повышения разрешения в лазерных резонаторах перед решеткой используются расширяющие пучок телескопы или схемы с призмами. Одновременно с этим понижается плотность энергии на решетке, что позволяет избежать возможных повреждений. Например, при высвечивании 50 мм для верхней решетки получают разрешающую способность = 10'. Отражательные решетки находят применение, в частности, в лазерах на красителях для селекции по длинам волн. Путем вращения решетки можно — в соответствии с уравнением (18.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
