Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 74
Текст из файла (страница 74)
20.2. Выходную мощность обуславливают, следовательно, две группы атомов. В середине линии эти атомы обладают нулевой скоростью. При сдвиге частоты к середине оба провала взаимно перекрываются, образуя так называемый лэмбовский провал в выходной мощности согласно рис. 20.2, поскольку теперь лишь одна группа атомов причастна к излучению, а именно таковая с ц, = О. 1» )= — (г-го) Рве.
20.2. Распределение инвертированных атомов в газовом лазере как функция аксиаяьной скорости ог «Провалы» образуются в результате выну каенного испускания фотонов частоты лазерного излученияг"в направлении оси лазера и противоположном ему. При работе лазера на центральной частоте, то есть прну=у а или о, =О, возникает лэмбовский провал Активная стабилизация Лэмбовским провалом середина линии определена более точно, чем на основе максимума профиля усиления.
Отклонения от минимума соответствующим образом оцениваются и используются затем для управления резонатором. Это осуществляется, например, путем смещения зеркала с помощью пьезоэлектрических исполнительных элементов. При выборе способа »обратного лэмбовского провала» в резонатор встраивается газовая ячейка. Линии поглощения газа дают при этом опорную частоту. В середине линии (н, =0) присутствует меньше поглошающих атомов, чем по бокам. Таким образом, поглощение при центральной частоте газовой линии демонстрирует минимум, поэтому в мощности лазерного излучения образуется максимум. Отклонения от такого положения дел воспринимаются как сигнал к управлению резонатором.
В лабораторных условиях удавалось добиться стабильности частот гзг7г'= 1О ", в то время как коммерческие стабилизированные гелий-неоновые лазеры показывают величины около 1О '. Для гелий-неоновых и ионных лазеров нередко используются поглощающие ячейки, заполненные йодом (1,). Для линии 3,39 мкм гелнй-неонового лазера находит применение СН„а для СО,-лазера — СО,, ОвО4 или ЯГк Фазовые флуктуации Поскольку частота лазерного излучения не абсолютно стабильна, то и фаза не стабильна и может меняться в диапазоне от 0 до 2н. Тем не менее, можно так свя- (352 Г 2«С б р зать друг с другом два лазера, что разность их фаз станет практически постоянной, обнаруживая лишь минимальные изменения.
20.3. Дробовой шум, «заглушенные состояния» л у=,Я лаут=)у lж (20.4) (20. 5) При большом числе фотонов относительное отклонение невелико, более значительные относительные отклонения появляются при малом числе фотонов. Если вместо числа фотонов измеряется средняя мощность Р— с помощью детектора, имеющего ширину полосы частот В, то выходной сигнал детектора обнаруживает в данной временной области флуктуацию с характерным периодом времени Т= иВ, что легко показать на основе фурье-преобразования. Тогда с У= РТ/)(Тполучается: ЛР =,~2Ь|РВ.
(20.6) Такого рода флуктуации мощности именуются «дробовым шумом», поскольку они возникают в силу квантованного, или «дробленого» характера потока фотонов. Дробовой шум ограничивает точность экспериментов, в ходе которых измеряются небольшие изменения мощности, как бывает, например, при определении следов газов методом измерения поглощения либо при доказательстве незначительных изменений длины на основе интерферометрии. Дробовой шум можно вычислить также, представив себе световую мощность в виде статистической последовательности коротких импульсов — фотонов.
Спектральное разложение, или спектральная дисперсия таких импульсов дает так называемый белый спектр, в котором все частоты представлены с одинаковой амплитудой. Средняя мощность шумов из расчета на межчастотный интервал тогда вновь выражена через уравнение (20.6). Дробовой шум наблюдается, прежде всего, при высоких частотах, в то время как при низких частотах преобладают описанные в п.20.1 шумы от технических источников. «Заглушенные состояния» С дробовым шумом мощности световой волны связаны также флуктуации фаз и, соответственно, частот, как это показано на рис. 20.3а. По причине своего Идеальный лазер со стабильной частотой и стабильной амплитудой излучает световую волну, напряженность поля которой в определенном месте описывается через идеальное временное синусоидальное (гармоническое) колебание. Следовательно, амплитуда волны и ее мощность должны быть постоянными.
Но поскольку свет может восприниматься и как поток фотонов, то флуктуации интенсивности и мощности все же имеют место. Если во временном интервале Тподсчитывается среднее число фотонов дг, то среднее статистическое отклонение ЛЮ выражено через: »О».Др б О у у «ЗБ~Д фотонного характера световая волна не может существовать как идеальное синусоидальное колебание. В последнее годы различными экспериментами было доказано, что дробовой шум света удается снизить с помоШью разных нелинейных процессов — например, путем параметрической генерации либо на основе смешения четырех волн.
При этом возникают так называемые «заглушенные состояния» (англ. зг)цеехегз агатез), характеризующие световые лучи пониженного шума с: (20.7) Ряс. 20.3. Напряженность электрического поля для трех разных состояний. (а) Нормальное когерентное состояние с флуктуациями интенсивности и фазы. (б) Заглушенное состояние со стабилизацией амплитуды.
(Представленной полной стабилизации по амплитуде ло сих получить не удавалось). (в) Заглушенные состояния со стабилизацией по фазе. Средняя напряженность поля показана в виде сплошной линии. Пунктирные линии обозначают область флуктуаций В любом случае здесь необходимо принимать во внимание, что флуктуации фазы гзФ возрастают как это видно на рис. 20 Зб. Могут быть также созданы «заглушенные состояния» с пониженной флуктуацией фазы или частоты, при которых возрастают колебания числа фотонов. Тогда действительно отношение неопределенностей: (20.8) Ь)ь) Лф >!.
«Заглушенное» лазерное излучение видимого диапазона могло бы успешно использоваться для многочисленных чувствительных способов измерения, а также для улучшения качества оптической передачи информации, учитывая, что флуктуации интенсивности и частоты в этом случае могут быть значительно уменьшены. К сожалению, способы достижения описанных выше состояний еще довольно дороги в реализации, и подавление колебаний амплитуды пока столь ничтожно, что вопрос о широком их применении рассматривать, пожалуй, рано.
'х3%4 Г ЫОсб р 20.4. Когерентность Термин <когерентность», в принципе, означает «связность», «связь» или «зависимость» и описывает, в какой степени напряженность электрического поля в реальном волновом поле со статистически флуктуируюшей амплитудой и фазой согласуется с разными точками либо разными моментами времени, приближаясь тем самым к идеальной волне с определенной амплитудой и фазой. Проще говоря, когерентность есть согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Идеальная плоская или сферическая волна считается когерентной.
Когерентен и идеальный гауссов пучок, излучаемый лазером. Обычные источники света, как и реальные лазеры, излучают световые волны, которые лишь в ограниченных пространственно-временных зонах соответствуют идеальным волнам. В этом случае говорят о частичной когерентности. Если эти зоны слишком малы, волна считается некогерентной. Реальные источники света частично когерентны, причем под «когерентным светом» понимается идеальный вариант полной когерентности, а под «некогерентным светом» вЂ” крайний случай исчезающей когерентности. Стабилизированный лазер является в этом смысле (почти) когерентным источником света, а вот белый свет солнца или лампы накаливания — некогерентен.
Свет спектральной лампы либо неидеального лазера является частично когерентным. Для количественного описания частичной когерентности вводятся функции когерентности или, соответственно, функции корреляции, которые здесь рассматриваться не будут. Когерентность света особенно важна, прежде всего, в интерференционных приборах. С когерентным светом можно наблюдать интерференционные эффекты, то есть конструктивные наложения и тушение напряженностей поля, в то время как при некогерентном свете интерференций не бывает, а интенсивности показывают аддитивное наложение.
При частично когерентном свете уменьшается контраст интерференционных явлений относительно идеального варианта. Следовательно, когерентность можно рассматривать также как «способность интерферировать». Временная когерентность Различают пространственный и временной виды когерентности. В последнем случае напряженности поля в световолновом поле сравниваются, или «коррелируются» в определенном месте, но в разное время. Обычно оказывается, что между напряженностями поля в два разных момента времени существует практически постоянная разность фаз.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
