Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 73
Текст из файла (страница 73)
Стабилизация импульсных лазеров достигается значительно сложнее — не в последнюю очередь, в силу того, что для этой цели требуются достаточно дорогостоящие быстродействующие электронные схемы. Поэтому у импульсных лазеров труднее достигать основных границ стабильности. Но, в принципе, в отношении импульсных лазеров действуют те же ограничивающие стабильность факторы, что и у лазеров непрерывного режима работы, только у импульсных лазеров возникает ряд дополнительных проблем. 20.1. Стабильность мощности лазера Здесь рассматриваются некоторые технические проблемы, способные вызвать изменения выходной мощности. Практически всегда присутствующий дробовой шум, избежать которого полностью никогда не удается, мы обсудим в п.20.3.
У лазеров с электрическим возбуждением флуктуации связаны с ограниченной стабильностью блоков питания от сети. При этом следует различать долговременные флуктуации с постоянными времени (в минутах или часах), вызываемые, например, изменениями температуры; флуктуации в области частоты питающей сети 50 Гц и кратных данной величины; флуктуации в диапазоне нескольких десятков кГц, связанные с внутренними частотами переключений приборов с питанием от сети. Еще одним источником изменений мощности может быть недостаточная устойчивость оптомеханической структуры. Колебания температуры, сотрясения, вибрации и акустические помехи способны привести к перемене положения зеркал, изменению хода лазерного луча и в конечном итоге — к флуктуациям мощности.
Также и сама активная среда может стать причиной нестабильности — например, из-за плазменных колебаний в газоразрядных лазерах и тепловых фазовых погрешностей в стержнях твердотельных лазеров с оптической накачкой. Тогда флуктуации мощности зависят от рабочих условий — например, от тока разряда или давления газа и магнитного поля у ионных лазеров. В случае многомодовых лазеров без фазовой связи мод возникают статистические модуляции выходной мощности с разностными частотами колеблющихся поперечных и продольных мод.
Эти частоты у типовых газовых и твердотельных лазеров находятся в диапазоне от нескольких десятков МГц до 100 М Гц. Связанные с этим колебания мощности именуют «шумами распределения мод». Для характеристики флуктуаций мощности изготовители лазеров прибегают к разным способам их определения. В целях оценки стабилизации по амплитуде часто указывается изменение мощности лазера примерно в течение часа, после чего лазер функционирует уже, так сказать, в нагретом состоянии. Типовые значения для коммерческих ионных лазеров на инертных газах составляют, например, 2 — 3 % В целях стабилизации мощности эта величина при необходимости может быть сокращена более чем в 10 раз — например, на основе схемы обратной связи «Оптическим шумомь называют флуктуации мощности в частотном диапазоне примерно от 1О Гц до нескольких МГц. У признанно хороших ионных лазеров на инертных газах относительное среднее квадратичное таких флуктуаций составляет менее 1 %.
Близкое к этому значение и, следовательно, сравнимую численную величину показывает также максимальная пульсация (англ. прр!е). Стабильность направления Наряду с флуктуациями интенсивности возможны и флуктуации направления лазерного излучения. Подобные изменения оси пучка, которые можно исследовать с применением квадрантных детекторов, вызываются изменениями положения лазерной трубки в оптическом резонаторе и могут быть уменьшены путем соответствующего усовершенствования имеющейся механической конструкции.
Следует подчеркнуть, что колебания направления должны быть значительно меньше расходимости пучка. Стабильность поляризации Как известно, существуют лазеры с поляризованным и неполяризованным излучением. Неполяризованные лучи, как и естественный свет, не имеют определенной плоскости поляризации. С помощью пластинок Брюстера либо иных поляризующих элементов в резонаторе можно добиться определенного направления поляризации лазерного излучения.
Тогда направление поляризации, ортогональное этому предпочтительному направлению, лишь в малой степени будет присутствовать в пучке. У поляризованных гелий-неоновых лазеров для обеих составляющих поляризации указывается, например, соотношение интенсивностей < 0,01 %. Из неполяризованного лазерного излучения даже с помощью поляризатора вряд ли удастся получить стабильный поляризованный пучок.
Более того, в этом 20.2.С б 349)) случае излучение после поляризатора нередко демонстрирует модуляцию интенсивности с основной частотой резонатора с/2А. Помимо прочего здесь отмечаются еще и потери мощности, так что представляется более благоприятным поляризовать излучение посредством соответствующих внутренних элементов.
20.2. Стабильность частоты При проведении спектроскопических измерений и для прочих применений в области измерительной техники требуются лазеры со стабильной частотой. В принципе, ширина полосы частот Ь/одномодового лазера ограничена влиянием спонтанного испускания: ДГ= й((Д(,)'р/Р (20.1) где/ есть центральная частота излучения, а Р— выходная мощность. Постоянная Планкасоставляет: Ь=б,б 1О '4Дж.с, фр = (1 — А) с/2л/. есть ширина полосы пассивного резонатора, состоящего из зеркал с коэффициен- том отражения Я в оптическом интервале Л, р =)у,/(дг, — дг,), означает показатель, характеризующий интенсивность спонтанного испускания, причем М, есть величина населенности верхнего лазерного уровня, а (У, — Ф,)— разность величин населенности на пороге генерации лазера (англ. Г)згезпоИ).
Для гелий-неонового лазера с характеристиками: Х = 632 нм, /= 5 1О 4 Гц, )1/= 3,3 1О " Вт с, Р= 1 мВт, 1. = 10 ем, Я=99%, р=! полагаем: Л/(Не-)че) =5 1О-' Гц. Впрочем, столь малая ширина линии достижима только при условии чрезмерно высоких затрат. Флуктуации длины лазера 2, становятся причиной гораздо более значительной нестабильности частоты, о чем подробнее будет говориться ниже. Для полупроводникового лазера с характеристиками; 1= 085 мкм,/= 35. 1О 4 Гц, Р=3 мВт, /,=л!=3,5-300 мкм, А=30%, р=3 имеем: о/(ПаАз) =1,5.10' Гц.
Проведенные измерения дают результаты в 10 — 100 раз выше, что можно объяснить модуляцией показателя преломления в активной среде лазера. Такая модуляция возникает в результате флуктуаций плотности электронов при спонтанном испускании. Точная центральная частота определяется собственной частотой/резонатора, которая зависит от расстояния между зеркалами (длины резонатора) 2,: (20.2) Г= тс/21, т = целое число.
Дифференцирование этого уравнения показывает, что изменения расстояния между зеркалами приводят к следующим частотным флуктуациям: (20.3) ~~збб Г Рб. С б р Как правило, частотные флуктуации бзГлазерного излучения, технически обусловленные изменениями расстояния между зеркалами ЛЕ, бывают существенно больше теоретически возможной ширины линии з!г"согласно уравнению (20.1). Кратковременные (< 1 сек.) изменения частоты ззГвызываются акустическими и механическими помехами в резонаторе, а также колебаниями тока в газовых разрядах.
Изменения температуры, напротив, ведут к долговременным флуктуациям (» 1 сек.), Пассивные меры по стабилизации частоты включают в себя подходящие конструктивные методы — например, применение инвара в качества материала с малым коэффициентом растяжения для фиксации расстояния между зеркалами, достижения устойчивой структуры резонатора, экранирования колебаний и турбулентности воздуха. Дальнейшее повышение точности частоты удается получить за счет активной стабилизации, для чего опять-таки существуют разные способы, как то: зеемановская стабилизация или стабилизация по лэмбовскому провалу. Лэллбовский провал Казалось бы, можно ожидать максимальной выходной мощности одномодового лазера, когда частота резонатора стабилизирована на середину линии усиления.
Однако — по причине так называемого спектрального выгорания провалов — этого не происходит у лазеров на стекле с линиями доплеровского уширения. Оказывается, у лазеров с доплеровским уширением линий мощность, в зависимости от частоты, обнаруживает небольшой лэмбовский провал как раз в середине линии (рис. 20.1). Этот эффект можно использовать в целях стабилизации частоты на центральную частоту. и а х и о о Х о. Ф Ф а % о я Х р и Рис.
2ВД. Выходная мощность газового лазера с доплеровским уширением в одномодовом режиме как функция частоты. В середине линии уширения образуется лэмбовский провал» 6 Изменение частоты Лэмбовский провал основан на эффекте Доплера при испускании потока термоподвижных атомов. Если свет излучается в аксиальном 2-направлении с частотой у, то излучение исходит от атомов с проекцией скорости иг Но если — при той же частоте — имеет место непускание в — д-направлении, то за такое излучение отве- 202 е б з~~! чают атомы с проекцией скорости — ън Тогда при лазерном излучении с частотойу' образуется два «провала» в распределении скорости по рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
