Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле (1967) (1095904), страница 46
Текст из файла (страница 46)
По-видимому, в значительной степени она связана с многотиповым характером колебаний в оптическом резонаторе. Об этом свидетельствуют, в частности, результаты ряда экспериментальных работ, показывающие, что для одного и того же активного вещества характер переходного процесса существенным образом зависит от конфигурации оптического резонатора. Например, при использовании резонаторов с селекцией типов колебаний обычно яаблюдается режим регулярных н затухающих пульсаций, хорошо согласующийся с теорией 1204, 205!. Аналогичный режим имеет место также и в генераторе бегущей волны !206, 207). Пнчковый режим, как показывает опыт, наиболее легко возникает в случае плоскопараллельного резонатора Фабрп — Перо со сравнительно небольшим расстоянием между зеркалами (менее одного-двух метров).
По мере раздвижения зеркал режим генераций становится все более упорядоченным 1208 — 2!О). Подавлению хаотических пульсаций способствует также использование резонаторов с концентрическими илн конфокальными сферическими зеркалами, Так, например, в генераторе иа рубине с концентрическим резонатором наблюдается режим затухающих колебаний, переходящий в стационарный режим гевара* цни !211 — 2!6, 283, 310). Указанные типы резонаторов отличаются от плоского резонатора Фабри — Перо тем, что в них генерирует гораздо большее число собственных типов колебаний, обладающих примерно одинаковой добротностью.
Таким образом, можно сделать вывод, что одновременная генерация очень большого числа собственных колебаний способствует подавлению релаксационных процессов в оптических генераторах. В работе 1217) указывается, что это явление обусловлено влиянием спонтанного излучения и физически связано с тем, что при большом количестве генерирующих типов колебаний энергия индуцировашюго излучения в каждом из них оказывается малой и сравнимой с энергией спонтанного излучения, в результате чего нестабильность отдельных типов колебаний не приводит к заметным изменениям суммарной интенсивности.
В случае тороидальных резонаторов, использующих эффект полного внутреннего отражения, генерация многих типов колебаний приводит к апериодическому характеру переходного процесса !218 †2!. Следует отметить, что для некоторых активных сред режим хаотических пульсаций не наблюдается. В случае генератора на кристалле СаГз: 8тз", например, переходной процесс является практически апериодическнм 1311. Это связано, по-видимому, с малым временем жизни мета- стабильного состояния этого материала (10 ' сек), вследствие чего постоянная затухания колебаний очейь мала. В противоположность этому кристалл Вгрз: Этз" имеет гораздо большее время жизни метастабнльного уровня ( 10 ' сил), и ему свойствен пнчковый режим излучения !32!. 7, СПЕКТР ИВЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ Многочисленные эксперименты показывают, что в обычных условиях спектр излучения оптических генераторов состоит из целого ряда отдельных узких линий, определяемых различными собственными типами ние между которыми совпадает с частотным интервалом между продольными типами колебаний применяемого оптического резонатора.
Расстояния между поперечными типами колебаний значительно меньше и существенным образом зависят от радиуса кривизны зеркал резонатора !формулы (Ж.22), (1Ъ'.81)1. В случае резонатора, образованного двумя плоскими зеркалами„ интервал между поперечными типами колебаний (при обычно используемых размерах Рис. У11.39. Возбуждение различ- "1уге!аб1ч!1)!(!1!1, '. т'.,"тул нмх продольных типов колебаний ! 1г.!1)!Й111(,'1!" !'! -'--' в рубиновом генераторе. ' ' 14!1!з(1!1!!(:1!1с' ", ! -,' ' '"! Рис. У1!,38. Интерферо грзииа лазерного излу анния.
колебаний резонатора. Частотный интервал между линиями, соответствующими продольным типам колебаний, определяется формулой (17.2) и, например, для рубинового образца длиной 10 см составляет приблизительно 10' гц. Эти линии легко разрешаются экспериментально как с помощью эталона Фабри — Перо, так и при использовании методов гетеродинирования света.
В качестве примера на рис. т111.38 приведена типичная интерферограмма лазерного излучения рубинового генератора, полученная с помощью эталона Фабри — Перо толщиной 5 мм. 1(ак видно, в спектре присутствует несколько узких линий, расстоя- резонаторов) примерно на два порядка меньше, чем между продольными. Следует отметить, однако, что, как показывает эксперимент !221, 222, 2231, торцевые поверхности рубиновых образцов, считающиеся обычно плоскими, на самом деле обладают некоторой небольшой кривизной, что связано с оптическими неоднородностями кристалла, а также неоднородностью его нагрева излучением накачки.
Поэтому в действительности характер поперечных типов колебаний практически всегда соответствует не плоскопараллельному, а сферическому резонатору. При этом по мере уменьшения эффективного радиуса кривизны зеркал расстояния между поперечными типами колебаний возрастают. Заметим, что возбуждение типов колебаний, соответствующих сферическому резонатору, приводит к увеличению расходимости луча генератора !222!. Ширина спектральных линий, соответствующих отдельным типам колебаний оптического резонатора, очень мала (порядка 10' гз! !224!) и значительно меньше расстояния между ними. Поэтому общая ширина спектра излучения 301 определяется главным образом количеством генерирующих типов колебаний.
Минимальная ширина спектра достигается прн небольшом превышении порога, когда генерирует неболыпое число Линий. С увеличением уровня возбуждения спектр расширяется. В случае рубинового генератора общая ширина спектра при комнатной температуре обычно порядка 1 вм '[214, 215, 284!. Существенное сужение спектра излучения оптических генераторов может быть получено при использовании селекции типов колебаний.
Следует отметить, что частота излучения оптических генераторов, вообще говоря, меняется в процессе генерации. В случае рубина, например, происходит постепенный сдвиг линии генерации в сторону более длинных волн, что связано с соответствующим смещением линии 11, при нагревании кристалла [189, 215, 225 !. Этот ж[хрект легко наблюдается при достаточно больших длительностях импульса и может быть использован для экспериментального исследования баланса энергии в кристалле!190!. Наряду с плавным изменением средней частоты генерации нмшот место и скачки отдельных спектральных компонент, которые могут носить довольно хаотический характер.
В качестве примера на рис. И[.39 показана последовательность возбуждения продольных типов колебаний рубинового генератора (с селекцией одного поперечного типа) совместно с осциллограммой интенсивности излучения [223[. В эксперименте использовался рубиновый образец длиной 2,54 вм, так что расстояние между продольными типами колебаний составляло 3,3 Ггц.
Как видно, линии генерации беспорядочно изменяются от пичка к пичку. Приведенные результаты получены при очень небольшом превышении порога генерации. При высоких уровнях накачки в изменении спектра со временем можно выделить отдельные последовательности, внутри каждой из которых длина волны излучения постепенно увеличивается. В работе [291[ описывается рубиновый лазер с нерезонаисяой обратной связью, которая осуществляется путем введения в резонатор Фабри — Перо рассеивающего элемента.
Такой генератор излучает сплошной спектр частот (шириной менее 0,0!5 вм '), причем частота генерации соответствует центру линии люминесценции активной среды и не зависит от длины резонатора. ГЕНЕРАТОРЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ДОБРОТНОСТЬЮ 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ДОБРОТНОСТЬЮ РЕЗОНАТОРА Для целого ряда областей науки н техники большой интерес представляют оптические генераторы, излучающие мощные и короткие импульсы длительностью порядка 10 ' век и менее. Обы шые импульсные генераторы, рассмотренные в предыдущей главе, для этой цели оказываются мало пригодийми, поскольку столь короткие импульсы излучения не могут быть получены с помощью ламп-вспышек, применяемых в настоящее время для накачки оптических генераторов, Наиболее просто задача генерации коротких импульсов решается путем использования резонаторов с управляемой добротностью.
Получаемые при этом импульсы света имеют длительность !О ' — 1О ' век при пиковой мощности излучения 10 — - 1000 Мвт. Принцип действия оптических генераторов с управляемой добротностью основан на сокращении времени излучения посредством накопления активных атомов на мета- стабильном уровне. Это достигается искусственным уменьшением добротности резонатора во время действия импульса накачки, в результате чего условия самовозбуждения ие выполняются.
При достаточной мощности накачки иа метастабильном уровне можно накопить почти все атомы активного вещества. По окончании действия накачки быстро восстанавливается нормальная добротность резонатора, и возбужденные атомы переходят на нижний уровень, излучая мощный короткий импульс света. Для управления добротностью оптического резонатора могут быть применены различные методы (механические, электрооптические и др.). На рис. Ъ'111.1 изображена 303 Нелоддикнми отрататгнн ! ! ! ! ! ! Вн~коднон зерна и Рнс. У1!!.3. Увеличение скорости переключения прн использовании дополннтелыюго неоодвнжпого отражателя. ~-С:~-=()1 Антианма Рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
