А.Н. Матвеев - Оптика (1120557), страница 80
Текст из файла (страница 80)
Расчет показывает, по условие цикличности для отраженных волн имеет вид [гпг + (1/я) (2)э+ 4+ 1) агссоз (1 — Е)рЦ)„= 21., (53.14) где гп„р, 4 — целые числа, характеризующие моду. Решение для электрического поля может быть записано в цилиндрических координатах с осью в направлении х в виде 'е Ев Ее Ее Е=ФЕ~ а (53.17) маз Т = 2я/сзы = 2лб(с, (53.18) зм' Слолвнве емаллтул ара сннкроин- званв ыел (53.19) откуда (53.20) Какие карактермстик» лазер- ного излучения обусловлива- ются аксиальнынн и боковы- нв надеин 1 Чен оиреаепяетси щнрнна пи- нии излучения в лазере и ка- ков теоретический предепот- носнтгльмоа щмрнны пинии щлучвнмеу Какие относительные щнрн- ны линна достнгнутьз в на- стоящее еремку Как влозерак осуществляется сннкромнзаамя нодЗ нейшем увеличении Ез г амплитуда уменьшается, а затем начинает возрастать. Исходная ситуация, когда амплитуды складываются в одинаковой фазе, повторится через промежуток времени Т, кбэ удовлетворяющий очевидному условию.
ЕзыТ = 2л. Из (53.17) с учетом (53.7) получаем т. е. Т вЂ” продолжительность цикла. Таким образом, ситуация, при которой фазы различных мод оказываются в нехоторый момент времени равными друг другу, повторяется через цикл. Согласование фаз различных мол называется синхронизацией мол. В тот момент, когда амплитуды мод складываются в одинаковой фазе, интенсивность лазерного излучения резко возрастает в наблюдается импульс излучения (рис. 28зь Импульсы слелуют лруг за прутом с частотсй 1)Т= с/(2лб). Продолжительность импульса.
Она определяется нз условия обращения в нуль суммарной амплитуды. Обозначая ЬТ— продолжительность импульса, )т' — число мод, участвующих в пропессе синхронизации, условие обращения амплитуды в нуль аналогично (53.17) запишем в виде Продолжнтезшность импульса тем меньше, чем больше число синхровизованных мод Например, для д 1, Е = =10 ' м, )9= 10' получаем (зТ 0,0 10 ' с. Методом синхронизации мод удается получить рекордно короткие импульсы, применение которых для изучения быстропротекающих процесссв очень эффективно.
Мощность излучения в импулые может быть оценена из закона сохранения энергии. Благодаря синхронизации мод практически вся энерпгя излучения, приходящаяся на промежуток времени Т=2Ел/с, испускаетса в импульсе продолжительностью бТ=Т)1з). Это означает, что мощность излучения в импульсе увеличивается в Т)ЬТ раз по сравнению со срелней мощностью.
Осуществление синхронизации мод. Синхронизация мод может возникать самопроизвольно. В этом случае синхронизуется обычно небольшое число мод и поэтому продолжительность импульсов мазю отличается от периода их повторений (продолжительности цикла3 для уменьшения продолжительности импульсов применяются различные иетоды, в частности модуля- заз Пнкосекуилные импульсы н рмкн- ме сннкроинеипип мон ция добротности с периодом цикла 2у.
л/с. для этого используются нелинейные эффекты, играющие в лазерах большую роль. С учетом нелинейности между различными модами имеется связь и их нельзя рассматривать как независимые. Синхронизация мед перестает быть полностью случайным процессоле, и имеется возможность на нее воздействовать В качестве примера рассмотрим генерацию лазерного излучения, когда в резонатор ввелен фильтр, коэффициент пропускания которою увеличивается с увеличением интенсивности проходжцего черду него света.
Фильтр действует практически безынерционно. Если в результате случайной синхронизации небольшого числа мод произошло усиление интенсивности, то при прохождении черш фильтр зти синхронизованные моды будут меньше нсего ослаблены и получат преимущеспю по сравнению с другими модами, которые проходят фильтр в другие моменты времени щи меньшей интенсивности поля и, следовательно, сильно ослабляются. При последующих прохождениях фильтра синхронизованные моды создают условия относительного усиления других мод, которые оказались случайно синхрониэованными с уже существующими.
Таким образом, усиливаются лишь моды, находящиеся в режиме синхронизации или впервые случайно попадающие в режим синхронизации. Благодаря этому укеличивается число мод, находящихся в режиме синхронизации, продолжительность импульса уменьшается, а его мощность соответствующим образом увеличивается. В настоящее время получены импульсы, продолжительность которых существенно меньше 1О "с. Лазерные свеклы; Поверхность большинства предметов, освещенных лучом лазера, предстанляется пятнистой. Пятна распределяются по поверхности случайно, их можно сфотографировать.
Если фотоаппарат сфокусирован на точки до поверхности или за поверхностью, то на фотографии все равно получается изображение пятен. Если при наблюдении пятен глазом попытаться аккомодировать глаз на точки до поверхносги или за поверхностью, зрительные впечатления о наличии пятен не изменятся. Если, глядя на поверхность, наблюдатель движется, то одни пятна исчезают, друпсе появзяются — создается впечатление, что пятна мигают и движутся относительно поверхности. Этн ляпы принято называть спеклами. Их возникновение обусловлено большой степенью когерентьюспу лазерного излучения.
Большинство поверхностей, не отполированных специально с высокой оптической точностью, имеют случайные неровности, высота которых больше длины волны. Лазерное излучение с большой степенью когерентности отражается лиффузно ст поверхности. От различньп точек поверхности распространяются волны с постоянными разностями фаз.
При попадании на сет; чатку глаза или на фотопластинку образуется интерференционная картиуп в виде чередующихся темных и светлых спеклов. Если поверхность отполирована с оптической точностью до долей длины волньс то происходит зеркальное отражение лазерного излучения, не вносящее разности хода между различными лучами в пучке, н никаких спеклов не наблюдается Не наблюдаются спеклы также и при диффузном отражении от поверхности жидкости, когда ее неровности с течением времени меняются и, ' следовательно, меняются разности хола лучей, отраженных ог различных точек поверхности, в результате чего происходит усреднение интенсивности интерференционной картины по времени.
С физической точки зрения возникновение спеклов является шумовым эффектом. Этот эффект может иметь полезные применении С его помощью можно измерять малые смещения твердой поверхности, например в направлении, параллельном поверхности. Для этого делаются две последовательные фотографии спеклоп Если между моментами фотографирования поверхности не смещалась, то спеклы на обоих снимках наклалывают друг на друга При наличии смещения на фотографии видны две совершенно одинаковые картины спеклов, сдвинутые друг относительно друга.
Зная расположение фотоаппарата относительно поверхности в моменты фотографирования, нетрудно по относительному сдвигу изображенв1 спеклов на фотографии рассчитать перемещение поверхности. Аналогичным способом можно опрелелить поворот поверхности вокруг некоторой оси. Известны такие другие применения опеклов. Спеклы возникают не только при диффузном отражении от понерхпостн, ио и при прохождении света через рассеивающий объект, поскольку разности фаз волн, приходящих в данную точку от различных рассеивателей, неизменны по времени.
Образующиеся прн этом спеклы также имеют многие применения. голуба» велеса 88ЕЕБ ый за Ес 23б Схеме зксргезич еких урееисй р>- бина ! 8 54 Хлриктерисзикн некоторых лазеров даюгся «рагкие харакгерисгнки наиболее гииичных лазеров. 2бу Г хама ивкечки (в) к кила лучей (б) в рубивевам лазере 2)-2бр Разнообразие лазерож В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Нет необходимости все их описывать. Поэтому здесь дается краткое описание лазеров, которые достаточно полно представляют характеристики основных типов лазеров 1режим работы, способы накачки и т.
д.). Рубиновый лазер Первым квантовым генератором света был рубиновый лазер, созданный в 1960 г. Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристалл оксида алюминия А1,0, (коруцп), в который при выращивании введен в виде примеси оксил хрома СгзОз. Красный цвет рубина обусловлен положительным ионом Сг'и.
В решетке кристалла А1,02 ион Сг" замещает ион АГ з. Вслелствие этого в кристалле возникают две полосы поглощения; одна — в зеленой, другая — в голубой части спектра (рис. 286). Густота красного цвета рубина зависит от концентрйции ионов Сг'+: чем больше концентрация„тем гуще красный цвет. В темно-красном рубине концентрация ионов С гз' достигает 1%. Нарялу с голубой и зеленой полосами поглощения имеется лна узких энергетических уровня Е~ и ЕК при перекопе с которых на основной уровень излучается свет с длинами волн 694,3 и 692,8 нм. Ширина линий составляет при комнатных темпера- 322 турах примерно 0,4 нм.
Вероятность вынужденных переходов для линии 694,3 нм больше, чин для 61»2,8 нм, ввиду того, что 20 В- а э. Поэтому проще работать с линией 694,3 нм. Однако можно осуществить генерацию и линии 692,8 нм, если использовать специальные зеркала, имеющие большой коэффициент отражения для излучения с 8 =692,8 нм и малый — для й = = 694,3 нм. Схема энергетических уровней рубина показана на рис. 286. При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра поглощаются, а красная отражается.
В рубиновом лазере используется оптическая накачка ксеноновой лампой, 'которая дает вспышки света большой интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до нескольких тысяч кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому по лампа при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы. Возникающее излучение близко по своим характериспткам к излучению абсолютно черного тела.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
