Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 45
Текст из файла (страница 45)
14.8. Атомарный водород образуется вкамере источника в результате диссоциации молекул водорода в разряде. Пучок атомоввходит в сортирующую систему с неоднородным магнитным полем. Атомы, находящиеся всостоянии F=1, mF=0, фокусируются на оси системы, а в состоянии F=0, mF=0 — уходятот оси. Поэтому в некоторой области вблизи оси создается инверсия населенностей. Еслиинтенсивность потока атомов больше пороговой, то в резонаторе возникнут СВЧ-колебания.Для ослабления влияния внешних магнитных полей на частоту перехода, а, следовательно, и настабильность частоты генератора резонатор помещен в многослойный магнитный экран.Частота водородного генератора 1420,4 МГц (λ≈21 см). Параметры водородного генератораприведены в табл. 11. Этот генератор имеет наилучшие долговременную и кратковременнуюстабильность и воспроизводимость частоты и поэтому используется как первичный стандартчастоты.
Недостатки генератора — большие габариты и масса. Цезиевый атомно-лучевойстандарт также обладает высокой воспроизводимостью и долговременной стабильностью, нонедостаточной кратковременной стабильностью. Сейчас в большинстве служб времени инациональных эталонов, использующих квантовые стандарты частоты, цезиевые атомнолучевые стандарты применяются как первичные стандарты. Пассивный рубидиевый стандартчастоты с оптической накачкой требует калибровки по первичному стандарту.Промышленность выпускает молекулярный стандарт частоты Ч1-12, водородный стандартчастоты Ч1-44, в которых по реперной частоте подстраивается кварцевый генератор.Номинальные частоты выходного сигнала этих стандартов 0,1, 1 и 5 МГц.
Выпускают такжепассивные стандарты частоты: рубидиевый с оптической накачкой Ч1-43 (номинальные частоты0,1; 1 и 5 МГц) и цезиевый с атомно-лучевой трубкой Ч1-42.201Г л а в а 15 ЛАЗЕРЫЛазером называется генератор электромагнитного излучения оптического диапазона,основанный на использовании вынужденного излучения. Вещество, в котором в процессенакачки может быть создана лазерная активная среда, т. е. среда, обладающаяспособностью усиления электромагнитного излучения на частоте перехода, называютлазерным веществом.
По виду лазерного вещества лазеры подразделяют на газовые,твердотельные, полупроводниковые и жидкостные. Типы лазеров будут рассмотрены послеобсуждения общих вопросов: роли оптических резонаторов, условий самовозбуждения и свойствлазерного излучения.§ 15.1. Оптические резонаторыПоложительная обратная связь в лазерах осуществляется с помощью оптического резонатора— системы обращенных друг к другу отражающих поверхностей (зеркал). Активная лазернаясреда находится между зеркалами.
Поэтому вынужденное излучение, возникающее в активнойсреде первоначально в результате воздействия имеющегося спонтанного излучения, будет затеммногократно отражаться от зеркал и усиливаться в активной среде.Часть излучения необходимо вывести из резонатора для использования, поэтому одно из зеркалдолжно иметь определенную прозрачность. Эту часть потерь излучения часто называютполезными потерями, а потери, имеющиеся в среде и в результате поглощения в материалезеркал, — вредными потерями. Если усиление излучения в активной среде превышаетполные потери в системе, то начинается генерация, амощность вынужденного излучения нарастает доустановившегося значения, определяемого балансоммощностей (амплитуд).Таким образом, оптический резонатор обеспечиваетобратную связь в лазере. Но резонатор одновременновыполняет и другую важную функцию — формируетсветовой поток с определенными свойствами. Ниже будутрассмотрены обе функции оптического резонатора.Разновидности оптических резонаторов.
Некоторыеприменяемые в лазерах типы резонаторов показаны на рис.15.1.Отражающимиповерхностямиоптическихрезонаторов служат зеркала различной формы (плоские, сферические и параболические).Используют также полное внутреннее отражение от граней призм и отражение от границраздела сред с различными показателями преломления.
Простейшим является резонатор сплоскими параллельными зеркалами (плоский резонатор).Лазерное вещество может занимать все пространство резонатора или часть его. Взависимости от типа лазера, определяемого видом активной среды, расстояние междуотражающими поверхностями изменяется от долей миллиметра до нескольких метров.Оптический резонатор без активной среды называют пассивным, а с ней — активным. Влазерах используют активные резонаторы.Собственные колебания оптического резонатора.
Оптические резонаторы принадлежатк типу открытых резонаторов, так как они не со всех сторон ограничены отражающимиповерхностями.Собственное колебание электромагнитного поля в оптическом резонаторе,характеризующееся определенной частотой и особенностью распределения поля в202резонаторе, называется модой.Рассмотрим пассивный резонатор (без активной среды), образованный плоскимипараллельными бесконечно протяженными зеркалами, расстояние между которыми L (рис.15.2,а). Предположим, что L много больше длины волны.
Электромагнитное поле врезонаторе есть результат сложения плоских волн, распространяющихся между зеркаламив противоположных направлениях. Устойчивое (стационарное) поле в резонаторе имеетхарактер стоячих волн. Если направление распространения совпадает с осью резонатора(продольная мода), то условие образования стоячих волн по аналогии с линиями передачиL=qλq/2 (q=1, 2, 3, ...), где q — целое число (индекс); λq — длина волны при выбранномзначении q. Каждому индексу q соответствует своя частота колебаний νq, определяемая изизвестного соотношенияν q = c / λ q = qc / 2 L(15.1)Интервал между частотами соседних продольных мод, различающихся по величине qна единицу (рис. 15.2,б), составляет∆ν q = ν q − ν q −1 = c / 2 L(15.2)При учете коэффициента преломления среды n формула принимает вид∆ν q = c / 2 Ln(15.2а)Соответственно относительная величина интервала∆ν q / ν q = 1 / q(15.3)Например, при длине резонатора L=50 см из (15.2) ∆νq=300 МГц.
Если длина волны λq=10-4см, то из (15.1) q=106, а из (15.3) ∆νq/νq =10-6.Таким образом,индекс q продольных мод очень велик и в резонаторе можетвозбуждаться поле на очень большом числе дискретных частот сотносительно малым интервалом между соседними частотами.Кроме продольных мод в резонаторе могут возбуждатьсяколебания,образованныеплоскимиволнами,распространяющимися под некоторым малым углом θ к оси (см.рис.
15.2,а): это поперечные моды.Рассмотрим теперь колебания в резонаторе с конечнымиразмерами плоских параллельных зеркал. В этом случаенеобходимо учитывать дифракцию света на краях зеркал. Врезультате дифракционных явлений поле на поверхностизеркал имеет определенное распределение (структуру) иперестает быть синфазным. Распределения поля по203поверхности плоских зеркал показаны на рис. 15.3. Стрелки указывают направлениевектора напряженности электрического поля.
Поле в пределах зеркала меняет своенаправление.Расчеты показывают, что искривление фронта электромагнитной волны у краев зеркалаобычно не очень велико, поэтому можно приближенно считать, что отсутствует продольнаясоставляющая напряженности поля, и волна является поперечной электромагнитной волной— ТЕМ. Число перемен знака поля поповерхности зеркал принято отмечатьпоперечными индексами т и п. Этииндексы характеризуют распределениеполя на поверхности зеркал, т.
е. впоперечном по отношению к оси резонаторанаправлении. Для зеркал круглого сеченияm обозначает число перемен вдоль радиуса,a n—по азимуту.Каждойпаре индексов m иnРис. 15.4соответствует много значений индекса q.Колебание с определенной комбинацией трех чисел m, n и q может быть условно записано какTEMmnq. Индекс q называют продольным индексом. Число q очень велико (105—108) посравнению с т и п.
Поэтому в условном обозначении индекс q опускают или не выражаютчислом.Система обозначений напоминает принятую в теории объемных резонаторов, где индексыопределяют число полуволн, укладывающихся по соответствующим направлениям. В случаеоптических резонаторов такой смысл остается только у продольного индекса q. Поперечныеиндексы m и n указывают лишь на число перемен знака поля, так как размерысоответствующих областей зеркала с одним и тем же направлением поля значительнобольше длины волны.Следует отметить, что распределение поля по поверхности любого зеркала наблюдается какгруппа ярких областей свечения.Теория показывает, что спектр частот νmnq резонатора с плоскими зеркалами имеет вид,показанный на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
