Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Пример. Рассчитать конфокальный резонатор газового лазера длиной Ь = 250 см для генерации излучения основной моды ТЕ)Ы, с максимальной коллимацией пучка излучения длиной волны Х = 0,63 . 1О см. Определить кривизну зер— ( кал (с„й„диаметр монета (У» и параметры пучка излучения. Типовая модел резо. В ь нато а показана на рис. 5.6, б. 'Т! ринимаем показатель преломления газовой смеси гелия с неоном и, = 1.
Тогда приведенная длина резонатора и оптическая сила зеркал Т = ь — †" ! 250 см; Р, = РВ = 2!(х 2!0,25 = 8, ИВ так как (х1 (хз = Ь. Вычисляем передаточную матрицу преобразования =! А В! !1 — Р,Т ° 2РВТ+Р,Р,Т' Т(2 — Р,Т!) С ОС С вЂ” Р,— Р,— РРТ 1 — РТ Проверка правильности вычисления АТ! — ВС = 1 — 0 = 1. След матрицы ! ~=~ с С равенБр)М ! А+0 — 2 2соз(В(р.Отсюда сох вр= — 1; СОС С 0 — 1С ' Д(р = и, т.
е. сдвиг фазы волнового фронта на зеркалах равен 180'. Действительно, сумма комплексных корней А + Р характеристического уравне ния для диагонализации матрицы М А = соз ЬЧ) + 1 Мп б(р + 0 = соз ЛЧ) — ! Мп о(Р А + О = 2 созо(ь, т. е. сумма диагональных элементов диагональной матрицы принимает значения от + 2 до — 2.
Запись следа матрицы М з виде функции сдвига фазового угла волнового фронта удобна и отвечает поставленной цели, так как условие баланса фаз, выполнено 101 н генерация стационарна. Следовательно, энергия излучения сосредоточена в приосевой области и е резонаторе распространяется гауссов пучок. Применяя формулу для радиуса «перетяжки пучка» лазерного излучения внутри резонатора йг« = и' Х,Ь/(йс) = О,!6 мм, находим для Хе = 0,63 ° !0 «см, (. = 250 см радиус дифракционной расходимости ае = п)у~%, = 6,5 см. Угол расходимости пучг ка Ои = )««/(пйт«) = 1,3 мрад. Для генерации моды ТЕМ«» диаметр кювета о« = = 2(Р« т 0,4 мм.
Диаметр зеркал из практических соображений уменьшения дифракциониых потерь выбираем 2п 10е„т 4 мм, Глава 6. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ 6.1. Классификация, принцип действия и основные характеристики Приборы, способные за счет внутренней енергни электронов, свизаиных с атомами н молекулами активной среды, усиливать малые оптические сигналы без искажении формм электромагнитного поля, называютси о»мничеекими квантовыми усилителями (ОКУ). От всех прочих типов электронных усилителей, в которых используются свободные электроны, подчиняющиеся законам классической механики, они отличаются малым уровнем шумов и принципом действия.
Проблема создания малошумящих усилителей чрезвычайно волновала ученых-радиофизиков, так как эти приборы смогли бы обнаруживать весьма малые сигналы. Успехи радиоспектроскопии — науки, которая исследует поглощение радиоволн атомами и молекулами различных веществ, привели их к мысли применить для этой цели внутреннюю энергию и свойства квантовых частиц.
В основе работы ОКУ лежит свойство возбужденных квантовых частиц отдавать свою внутреннюю энергию под воздействием внешнего электромагнитного поля. За счет внутренней энергии квантовой системы происходит квантовое усиление излучения, так как пролет фотонов через активную среду вызывает рождение новых, точно таких же фотонов. При этом происходит лавинное умножение фотонов в веществе. Движение частиц и связанная с ним кинетическая энергия в процесс усиления не вовлекаются, благодаря чему отсутствуют характерные для обычных электронных приборов дробовые шумы. Основными же источниками шумов являются спонтанное излучение активной среды и тепловое излучение диссипативных элементов. При индуцированном излучении кванты электромагнитного поля, как исходные, так и напученные квантовой системой, полностью тождественны, т.
е. имеют одинаковые частоты, поляризацию и направления распространения, что и определяет когерентность процесса квантового усиления. Создание инверсии населенностей энергетических уровней активной среды является необходимым, но не достаточным условием для получения усиления. В усилителе важно также обеспечить должное взаимодействие активной среды и усиливаемого излучения.
Это взаимодействие может происходить как в режиме бегущей волны (квантовые усилители бегущей волны — ОКУБВ), так и в режиме стоячей волны. В последнем случае излучение многократно проходит через !02 один и тот же элемент активной среды, помещенный в открытый резонатор. На таком принципе построены резонаторные (регенеративные) квантовые усилители, которые разделяют на проходные, кольцевые, однонаправленные и отражапгельные.
Рассмотрим основные характеристики ОКУ. Коэффициент усиле нил К вЂ” величина, показывающая, во сколько раз мощность выходного сигнала усилителя превышает мощность входного сигн л . Коэффициент усиления всегда зависит от частоты усиливаемого излучения. Интервал частот, в котором коэффициент /(' достаточно велик, называют полосой пропускания усилителя Атт. Полоса пропускания определяется как область частотной характеристики, в которой квадрат коэффициента усиления Кт отличается от квадрата наибольшего коэффициента усиления Ко не более чем в два раза, т. е. (К,/К,)г = '/,.
(6.1) На практике часто пользуются таким понятием, как широкополое. ность ОКУ П /)чт)//(э, где Ке — коэффициент усиления на резонансной частоте те. Третьей важнейшей характеристикой усилителя является мощность шума Р, обусловливающая в основном чувствительность ОКУ, т, е. его способность усиливать очень слабые входные сигналы. Чувствительность нельзя повышать бесконечно, ибо она ограничена флюктуациями случайного сигнала во входных элементах и уровнем принципиально неустранимого спонтанного излучения.
Добротность ОКУ определяется отношением резонансной частоты излучения к полосе пропускания: (« = те/Ачт. (6.2) Динамический диапазон измеряется изменением во времени уровня выходного сигнала от минимального значения, ограниченного шумами, до максимального значения, приводящего к насыщению рабочего квантового перехода, т. е. уменьшению инверсии населенностей до нуля. Динамический диапазон можно увеличить, если уменьшить время релаксации активной среды. Коэффициент квантового усиления б (и) характеризует увеличение амплитуды, проходящей сквозь активную среду электромагнитной волны, по экспоненциальному закону Е = Ее ехр (О (т) г), (6.3) где Š— амплитуда входящей волны; г — расстояние, пройденное " в активной среде.
На расстоянии г = 1/О (т) амплитуда поля волной в активной н, чем большее возрастает в е=2,71 раза. Активная среда тем эффективнее, чем число квантовых частиц находится на инвертированном уровне, т. е. чем больше инверсия населенностей АА/ и дипольный момент квантового перехода 10„„~ (1.10): 1бп» ч» ) )з (6.4) Ьс Ач Потребность в малошумящих ОКУ весьма велика. ОКУ в сочетании с лазерами дают возможность получать высокие уровни энергии 103 (до 1О' Дж) и мощности (до 10»е Вт) когерентного оптического излучения.
Они генерируют сверхкороткие импульсы лазерного излучения длительностью 10 ' ...10 "с. ОКУ входит в состав приемной части оптической линии связи и служит для обнаружения слабых световых сигналов в широкой полосе частот. До появления ОКУ в оптике отсутствовали способы когерентного усиления света. В Физическом институте АН СССР им. П. Н.
Лебедева создана уникальная установка аДельфина для лазерного термоядерного синтеза *. Установка имеет 216 параллельных каналов с каскадами ОКУ. В каждом канале формируются световые импульсы с энергией 50 Дж и длительностью 1 нс, которые одновременно фокусируются на термоядерную мишень в световое пятно диаметром 50 мкм, где реализуется плотность мощности 2 10»з Втгсмз. Надо заметить, что лазерное излучение, проходя через каскад ОКУ, ухудшает свою когерентносгь, так как накапливаются искажения волнового фронта и происходит расфокусировка пятна на мишени.
Поэтому необходима управляемая корректировка волнового фронта лазерного излучения. 6.2. Схемы оптических квантовых усипитепей Резонаторные ОКУ (РОКУ) нашли широкое применение при работе с активной средой, обладающей поглощением и имеющей малую степень активности.
Принцип работы такого усилителя основан на явлении регенерации, а использование положительной внешней или внутренней обратной связи позволяет значительно повысить коэффициент усиления по сравнению с коэффициентом усиления активной среды за один проход (Сгв). Считая, что резонатор заполнен активной средой, имеющей коэффициент поглощения а (рис.
6.1), для коэффициента квантового усиления за один проход можно записать следующее: что = ехр ( — 2сс5), где 5 — длина резонатора. В общем случае коэффициент усиления РОКУ К (! 11) (! 12) 6з (6.5 ( ) (! — )г гггх 6,)' где г„г, — коэффициенты отражения зеркал оптического резонатора. Проходные РОКУ могут работать в двух режимах: в режиме полного согласования входа усилителя и передачи усиленного сигнала в направлении выхода и в режиме симметричного усиления (гз = г, = г). Первый режим характерен тем, что усилитель не отражает поступающий на него сигнал н не излучает в направлении входа.
Коэффициент усиления при выполнении режима согласования 123) 21„, = га(!а определяется подстановкой этого условия в (6.5): (! 12) 6с Ксогл — (! 6 )и Для симметричного режима соответственно К, (! — ')'6 16 71 сим (! 6 )1 * Смл Т а р асов Л, В. Лазеры и ии применение.— М., !983.— С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
