Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Как мы уже видели, между составляющими электрического вектора поля излучения, прошедшего через прибор, имеется линейная связь по матрице передаточной функции прибора с составляющими вектора Е входного излучения. Экспериментально установлено, что отклик оптически прозрачной среды на воздействие электромагнитного поля небольших интенсивностей линеен, Следовательно если матрица * Смл Вайбородин Ю, В., Дерюгииа А. И., Курашов В. Н., Ма шеи ко А.
И. Деполяризации частично когерентного излучения в аиизотропных оптических напалах/! ДАН СССР.— 1987.— Т, 293,— № 4.— С. 840 — 844. является матрицей-столбцом входящего в прибор излучения, то матрица-столбец Джонса выходящего из прибсра излучении записывается в виде Е/Ехвых ох ВЫХ оВЫХ Е4ЕЗВЫХ зн Учтя (3.20), запишем матричное уравнение, описывающее метод Джонса: Е„,х = (МЕв,), (3.23) где М = ! " '"~ — приборная матрица Джонса.
(тзг твз( Физический смысл приборной матрицы М по аналогии с теорией автоматического регулирования может быть пояснен передаточной матрицей некоторого двухканального линейного оптического звена (рис. 3.4, в), причем, как это следует из постановки задачи, каналы ортогональных поляризаций должны быть слабо коррелированы. Матричное уравнение (3.23) можно записать в раскрытом виде ,Гс О л( (хб) 1 -гз О „„ ив выходе вания поляризованы~ шстаии с ме4оао "Р е =! в -и) , то Евых га4 =Е Ы Эю означает Е Если О=и ьно составляющей я запаздывает " азе иа ОО относ4 (тпл4>лиепой тиики ая, „„, „, иое поле павы~'д~, Полная ни~~~" ( м, рис.,4 яризоваио по кру у ы д с п авым вращ новой пластинки ия на входе и вы х — Е е холе четвертьв З(Ар=2Ео~ ховав Представим пала!Ощее излу ен Р ч ие мат ицей-столбцом Е=[ 1 А~ ампл д Ев, н временной хомплекс.
где А = Еве , т. е, мн где — 4"~... множитель А содержит и амплитуду в ный множитель ехр ()ыт). й фазосдвигающей пластинки не смешивает Компенсатор в в д в ви е четвертьволново о ная его матрица должна быть диаго. ный аховый сдвиг составляющих у по осям хну, а приборная его матриц нально й и создавать относительны азов а онса случае приборная матрица Лж где Евхы"е~ехвых = тттЕехатех + ттвЕзвепза; Еовы"е®ем'ых = тзтЕзхЕ'ех + тзхЕезЕГен. Элементы квадратной передаточной матрицы М являются комплексными числами и зависят от характеристик прибора; элементы матриц- столбцов входного излучения также являются комплексными числами и зависят как от амплитуд составляющих вектора Е, так и от разности фаз б = ~рз — 4р„.
Матрицы и столбцы Джонса определены для большей части поляризационных приборов и фазовых пластинок ()0). В том случае, если имеется два или более приборов с матрицами Джонса М„ М„ ..., М„ соответственно, то, пропустив последовательно через каждый из них излучение, получим на выходе матрицу Е„,х = (М,М, ... М„)Евю Следовательно, параметры такой сложной системы вычисляются перемножением соответствующих передаточных матриц на матрицу-столбец входного излучения.
Следует, однако, заметить, что произведение согласованных матриц, обладая ассоциативными свойствами, не подчиняется закону коммутации (перестановке), т. е. для матриц М и Е произведение МЕ чь ЕМ. Пример. Определить харантеристики выходного излучения, если иа четвертьволновую пластинку падает линейно-поляризованное излучение, составляющее с осью х угол О = и/4.
68 Раздел 2 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, УСТРОЙСТВО И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ Глава 4. ЛАЗЕРНЫЕ ВЕЩЕСТВА И МЕТОДЫ ИНВЕРСИИ НАСЕЛЕННОСТЕЙ 4.$. Активные лазерные среды Ве щество, в котором в процессе возбуждения накачкой может быть соз- элект дана активная лазерная среда, обладающая способ с постыл усиливать ктромагиитиое излучение иа частотах лазерного пе ехо а, ся лазе иым ве ес в р щ т ом.
Основу любого лазера составляет активный элемент — некоторая твердая, жидкая либо газообразная среда, со- в ез держащая специально выбранные атомы попы ил зы или молекулы, которые лем иа а р ультате квантовых процессов взаимодейств ия между со ой и поб й к лы акачки генерируют лазерное излучение.
Эти ато у называют активными центрами (активаторами). К л и атомы, ионы и моле- тивиых цент ов в 1 см' ак ами). оличество акр в см активной среды (иаселеииость) сравнительно мало: в твердых и жидких средах 10"...10", ...! 0". , в газоо разных 10"... б Прежде всего рассмотрим конденсированные твердые диэлектри- оваииые е ческие активные среды: ионные кристаллы и лазе и р е редкоземельными элемеитами.
Активная ср д у компонентов: матрицы (кристаллической или сте в х я среда состоит из вы) и равиоме ио асп е или стеклянной осиор распределеииых в ией активаторов. Ионы активатора находятся в кристаллической основе в положении изомо ф му радиус иона активатора должен совпадать с радиу- сом замещаемого иона матрицы, что приводит к появле леиию эиергетир в запрещенной зоне матрицы. Структура эиергетичес- ческом спект е активно" ких уровней кристалла определяется активатором, пр ричем в эиергетир активной среды образуются области селективиого по- глощения и спонтанной люминесценции.
В результате взаимодействия активатора с электром кристаллической еш тромагиитиым полем решетки наблюдаются уширеиие и иекоторы энергетических овией. М ур ". Магнитное взаимодействие атомов активатора рыи сдвиг нению эие друг с другом и тепловые колебания решетки также ргетического спектра активной среды. Атом активато а ол- жеи иметь метастабильиый уровень с б ольшим временем жизни и шим активатора дол- рокую полосу поглощения. материал матрицы должен б т прозрачным, иметь высок д лжеи ыть оптически кую и химическую стойкость.
сокую твердость и теплопроводиость, терми чес- рубин (см. и, 4.2),а-ко и а- ! Из всего многообразия ионных кристаллов б о ратим внимание иа коруид(е А О,) актив~ро~а иый ~окам~ ,ииа след ю ий по у щ " значению и распространению лазерный маома териал — иттрий-алюминиевый гранат ( зАО) УзА! О„: (1зоз+, Сгз+), 70 активироваииый вводимом и хромом.А кти. ~ ваторами граната являются также редкозе.
мельиые элементы Но + пг зл Структура кристалла имеет объемио-цеитрироваииуюкубическую решетку и ирак-те тически четырехуровневый энергетический спектр. з+ "з'Аб, активироваииый ионами 5)б Сг'+, — уникальная лазерная среда, обладает хорошей теплопроводиостью (12,6 Вт/(м К)), большой твердостью (8,5), хорошими оптическими свойствами: показатель преломления и =! „823; )о =1,065 мкм. Кроме того, Ъ'АО является единственной твердой активной средой, иа которой пои ежиме мощность Вся '744 '744 Фг сг" ке'" " лучеиа в непрерывно р П лосы поглощеиия попов *'зи олее т ~~+ я гранате расположены от 11 500 до ких урозоея ионов я в гранат ра 25 000 см — ' и соответствуют накачке па мв л кристалле уд ~ з+ 0 длииах воли 1,„0,4...0,88 мкм.
Три возможных излучательиых перехода связаны с уровнем м; сРь — '1 (1,06 мкм); 'Г., — > '1ч„(0,94 мкм). Основным, и коицеит ации иона наиболее мощным квантовым переходом является Время жизни метастабильиогосостояиия при р 3о, римерио 200 мкс. Большое количество поглощающих до 3 составляет пример з'АО . Кйз+ Сгз, как в им уровней обеспечивает работу лазера иа з'А п льсиом, так и в непрерывном режиме, а расположение уровня выл!~, иа 2000 см — ' — малый порог возбуждения еской -10 Дж см — з).
Для большего повышения зффективиости оптическо (-1 ж см — . ля накачки в кристаллическую решетку гра аиата вводят ионы Сгз+, Од- нако Ъ'АО дорог и ие удается выращивать стержни длиной более 1 см. Типичные размеры стержней: 1 = 3...8, й = 0,3...0,5 см. Т й, ши око применяемой в лазерах, активной средой являретье, широк ются лазерные стекла — иекристаллические матрицы, ицы, в которые ионы ()з)бз+, т'Ьз+, Егз+) входят как компоненты стекла — аморф- активатора ( иала. Технологические, иог, о,неорганического,термопластического матери ° и ем оп- оптические и эк оиомические особенности стекла обеспечил у и: ост п- ределеииые преимущ е мущества перед синтетическими кристаллами: д ув за аи- ность массового прои и оизводства активных лазерных элементов с д ными и воспроизводимыми свойствами; ~~иомгимску ззржтогую- готовлеиия любых размеров активных элемеито ( с высокими оптическими свойствами (йз— й = 1,06 мкм; и == 1,518).
И остатки у лазерных стекол: малая теплопроводиость меются и иед [126...252 Вт!(м К)) и высокий коэффициеит термического ра р- иия (80...120 . 10 †' К вЂ '); ограниченная область прозрачности (0,25...4,5 мкм). Н б вантовым выходом з1, — 0,42...0,78, большой длиаи ольшим кваито ) л чшими спектроско- тельиостью люминесценции (200.„650 мкс) и лучшими иые стекла состава иическими свойствами обладают боросиликат 1ЧазОВазОз251Оз (24), 71 жидкие активные среды имеют существенные преимущества перед т твердыми в возможности создания любых объема и конфигурации аивного элемента. Жидкие среды просты и дешевы в изготовлении, к- обладают ничтожными потерями излучения.
Проблема отвода тепла ре- шается конструированием замкнутой системы циркуляции самой ак- тивной жидкости. Созданы и серийно изготавливаются жидкостные ла- зеры на органическом красителе — родамине-6О (Л, = 0,55 мкм). Выпускаются промышленностью и неорганические жидкие активные среды: Ецо+(БА)оЫао (Л, = 0,61 мкм); Кйо+-БеОС!о-БпС! -ЯЬС!о (Л, = 1,05 мкм) 124!. Помимо плавной перестройки частоты, узкого спект- ра генерации ( 0,01 нм), жидкие среды обладают потенциально не- ограниченным уровнем выходной мощности (50...220 МВт).
Основное достоинство газовой активной среды по сравнению с твер- дой и жидкой — получение высокой монохроматичности, стабильности и когерентности узконаправленного лазерного излучения (расходи- мость 1...5'). Особенностью активной среды, находящейся в газовой фазе, явля- ется ее высокая оптическая однородность, что позволяет применять большие длины резонаторов и вследствие этого получать высокую на- правленность и монохроматичность излучения. Другая особенность такой среды — ее малая плотность, в результате чего энергетический спектр активных центров (атомов, ионов, молекул) не искажается из-за чес и взаимодействия с соседними активными центрами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
