Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле (1967) (1095904), страница 47
Текст из файла (страница 47)
У!1!.!. Управление добротностью резонатора с помощью вращающегося диска. одроэои енигидщ диск Ди электра нагнал ~ ~ — )рЪ Рнс. У!! 1.4, Управление добротностью резонатора ну~ем изменения коэффициента отражения призмы. Т, Рис. Ч111ДК Управление добротностью резонатора путем вращения одного из отражателея. Актидныи одраэеи В.модное эггкано драигакгигиаск отраиате и 20 — эз ! 305 304 простейшая система с вращающимся диском [228!. Когда диск прерывает пучок света в фокусе двух линз, добротность резонатора невелика и определяется коэффициентами отражения левого зеркала, свободного торца активного образца н поверхности диска, которая обычно делается незеркальной.
В промежуток времени, когда свет проходит через небольшое отверстие в диске. добротность резо- натора резко возрастает за счет отражения от второго зеркала. Такая система позволяет одновременно осуществлять селекцию поперечных типов колебаний. Существенным недостатком ее является сравнительно большое время переключения (порядка 10 ' сед), а также разрушение краев отверстия диска при высоких уровнях мощности. Значительно больший интерес представляет метод, основанный на вращении одного из отражателей (чаще всего призмы с полным внутренним отражением), образующих оптический резонатор (рис. У11!.2) !229 — 235, 289 !. При этом высокая добротность резонатора имеет место лишь в течение короткого интервала времени, когда отражатели параллельны с большой степенью точности.
При скоростях вращения порядка 20000 — 30000 об/мин, которые легко реализуются на практике, время переключения добротности составляет примерно 10 ' сею. Для увеличения скорости переключения в резонатор можно ввести дополнительные неподвижные отражатели (рис. Ч111.3). В этом случае зависимость добротности от угла поворота зеркала становится более сильной и скорость переключения системы увеличивается вдвое.
Среди других механических методов управления добротностью оптического резонатора отметим метод, исполь- зующий эффект нарушения полного внутреннего отражения света от поверхности призмы при приближении к ней диэлектрика (рис. УП1.4). Как известно, коэффициент прохождения света через слой между двумя диэлектрическими средами (рис.
Ч! 11.5) существенным образом зависит от его толщины. Если расстояние между средами г( значи- Рнс. Ч11!.б. Прохождение света через слогг. тельно превышает длину волны излучения Х„то при достаточно больших углах падения ср имеет место полное внутреннее отражение света (предполагаем, что рассматриваемые диэлектрические среды оптически более плотные, чем вещество прослойки, т. е. е„, ез-» е,).
При уменьшении с( до значений порядка Х коэффициент отражения начинает постепенно падать, н при в( = 0 он определяется формулами Френеля для отражения света от границы двух сред с диэлектрическими проннцаемостями в, и в,. Для иллюстрации на рис. Н 11.6 приведена зависимость коэффициента пропускания слоя от его толщины «1 [236!. дв р,в Рис. Ч111.б. Зависимость ноз4крипиента пропускапия света от толщины зазора между двумя диэлектрическими средами для случая щ = 4б', )/в, = )/е, = 1,54)гзз. в дг вл вв,(в, е/л Как видно, существенное изменение коэффициента пропускания (и, следовательно, добротности резонатора) достигается прн перемещениях пластины на расстояние порядка половины длины волны, что может быть осуществлено, например, с помощью пьезоэлектрического эффекта.
Рис. и'111.7. Электрооиз и че ский затвор. Кг ~ Кт Ячейка Керри 306 Для управления добротностью широкое применение находят различные электро- и магнитооптические затворы, основанные на использовании эффектов Керра, Поккельса, Фарадея !!2, 237 — 241, 290!. На рис. и'111.7 приведена схема, иллюстрирующая принцип действия затвора с ячейкой Керра, Эффект Керра, как известно, состоит в том, что под действием электрического поля вещество становится в оптическом отношении подобным одноосному кристаллу с оптической осью вдоль направления электрического поля.
Поэтому показатели преломления для волны с электрическим вектором, параллельным приложенному полю, и для волны, перпендикулярной поляризации, оказываются различными. Разность хода, приобретаемая указанными волнами, пропорциональна квадрату напряженности поля Е и длине ячейки 1. Выражение для сдвига фаз записывают обычно в следующем виде 12421: зр ==, 2пВ!Ез, ( и'! 1! . 1) где  — постоянная Керра. Эффект Керра имеет место во многих жидкостях и газах, особенно сильно он выражен в нитробензоле, для которого величина В приблизительно равна 2 10 ' СЮЕ. Если, например, длина ячейки с иитробензолом составляет 5 см, то для получения разности фаз л/2 нужно прияожить электрическое поле напряженностью !5 000 а/с,и. В приведенной на рис.
И11.7 схеме поляризациониые призмы зт!т и )и'з являются скрещенными, т. е. онн пропускают свет с взаимно перпендикулярнои поляризацией. Главные плоскости поляризаторов составляют с направлением приложенного поля угол 45'. Если внешнее электрическое поле отсутствует, то система, образованная двумя поляризаторами и ячейкой Керра, полностью непрозрачна, При наложении поля вещество ячейки становится двоякопреломляющим, и свет, выходящий из нее, приобретает эллиптическую поляризацию, так что часть излучения может пройти через оба поляризатора.
Если величина приложенного напряжения или длина ячейки выбрана таким образом, что разность хода лучей составляет половину длины волны, то выходящий свет будет иметь линейную поляризацию, перпендикулярную первоначальной, и прозрачность системы будет максимальной, В оптических генераторах обычно используется более простая конструкции электрооптического затвора с одним поляризатором (рис.
у'111.8). При этом параметры ячейки выбираются такими, чтобы сдвиг фаз составлял и при двукратном прохождении. Тогда затвор будет открыт при отсутствии поля и закрыт пря наложении его. Заметим, что при использовании в качестве активной среды рубиновых образцов с ориентацией оси С 60' или 90", генерирующих линейно-поляризованное излучение, поляризатор в схеме на рис. 7111.8 может быть исключен, Практическое применение находят также и другие конструкции затворов, в частности, такие, у которых закрытое состояние соот.
зо* 307 :ч! ° ветствует отсутствию поля. Достоинством электрооптических затворов с ячейкой Керра является малое время переключения, которое может составлять единицы наносекунд. Другой возможный способ реализации поляризацнопных затворов, принцип действия которых основан па изменении поляризации света, состоит в использовании эффекта Фарадея !240, 241!. Эффект Фарадея заключается в том, что некоторые вещества, будучи помещенными в магнитное поле, обладают способностью поворачивать плоскость поляризации света, направление распространения пение этих затворов значительно упрощает конструкцию генератора, поскочьку отпадает необходимость н использовании управляющих и синхронизирующнх систем„и позволяет получить параметры выходного импульса, близкие к предельным, т.
е. соответствующим случаю мгновенного включения добротности. К достоинству пассивных затворов относится также то, что они обеспечивают определенную селекцию типов колебаний, что приводит к сужениго спектра излучения !252, 282„305!. Принцип действия пассивных затворов будет рассмотрен ниже, Яояяоиза иианяая призна ~ сл Г ! Рнс. У!!!.8. Оптнческнй генератор с ячейкой !(ерра. актиекый одмзеа Ячейка керри которого совпадает с направлением приложенного поля, Физически это объясняется тем, что при наличии магнитного поля появляется различие в фазовых скоростях волн круговой поляризации с противоположными направлениями вращения. Угол поворота плоскости поляризации тр пропорционален напряженности магнитного поля Н и длине пути света в веществе ! зр =- р1Н а (Ч!П.2) где р — постоянная Верде.
Направление вращезмйи определяется направлением приложенного поля и не зависит оз направления распространения света. Для наиболее активных сортов стекол величина р составляет приблизительно 0„1 мин!цн. э. Следует отметить, однако, что оптические затворы, использующие эффект Фарадея, широкого распространения не получили вследствие сравнительно больших потерь н управлягощем элементе и недостаточно высокой скорости переклзочения (по сравнению с ячейкой Керра). Среди многочисленных методов управления добротностью резонатора следует особо выделить использование так называемых пассивных затворов, прозрачность которых меняется под действием светового излучения, Приме- 308 2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРОВ С УПРАВЛЯЕМОЙ ДОБРОТНОСТЬЮ Некоторые важные особенности работы оптического генератора с управляемой добротностью могут быть теоретически исследованы на примере мгновенного вклгочеиия добротности.
Такое исследование, проведенное впервые в работе /2431, а затем в работах 1!25, 149, 234, 244 †2, 285 †2! н др., позволяет, в частности, рассмотреть основные зависимости энергетических и временных характеристик излучения от различных параметров резонатора и активной среды, а также оцепить предельные значения длительности импульса, выходной мощности и энергии, В настоящем разделе эти вопросы рассматриваются применительно к трехуровневому рубиновому генератору. Мощность и энергия излучения. В случае мгновенного включения добротности исходные уравнения могут быть записаны и следующем виде (см. гл. Ч): 'Ч." ! йтк — — =- оя,б,у — ф зя !)з),кУ, (ЧП! 3) с!д йе --' — 2оггЛ.тзч: (УП1.
4) Ф'. где,7, и А -- средние по длине резонатора значения плотности потока фотонов и плотности инверсной населенности (этики усреднения опущены); !! — внутренниепотери в резонаторе; ! 1 !)х -=; — 1и — — потери па излучение й! Действием накачки и спонтанного излучения мы пренебрегаем, поскольку длительность импульса излучения очень мала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
