Учебник - Оптика - Алешкевич В.А. (1238765), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Ñíà÷àëà ãåíåðèðóåòñÿ ìîäà â ñåðåäèíå ëèíèè óñèëåíèÿ (ñì.ðèñ. 7.4). Åñëè ÷àñòîòà ýòîé ìîäû ðàâíà n0, òî ïðè ìîäóëÿöèè èíòåíñèâíîñòè ñ÷àñòîòîé dn âîçíèêàþò äâå ñîñòàâëÿþùèå ñ ÷àñòîòàìè n = n0 ± dn (ñì. ëåêöèþ 13).Ýòè ñîñòàâëÿþùèå, ÿâëÿÿñü ïðîäîëüíûìè ìîäàìè ðåçîíàòîðà, ëåæàò âíóòðèïîëîñû óñèëåíèÿ øèðèíîé Dnóñ è, ñëåäîâàòåëüíî, áóäóò óñèëèâàòüñÿ. Ôàçûýòèõ ìîä áóäóò ñâÿçàíû ñ ôàçîé ìîäû ÷àñòîòû n0.
Çàòåì èç-çà ìîäóëÿöèè èíòåíñèâíîñòè âîçíèêøåé ïàðû ìîä ïîÿâÿòñÿåùå äâå ìîäû ñ ÷àñòîòàìè n = n0 ± 2dn,êîòîðûå òàêæå áóäóò óñèëèâàòüñÿ è ò. ä.Ïîäîáíûì îáðàçîì ïðîèñõîäèòñèíõðîíèçàöèÿ ìîä è ïðè ôàçîâîé ìîäóëÿöèè. Òàêóþ ìîäóëÿöèþ îñóùåñòâëÿþòñ ïîìîùüþ ýëåêòðîîïòè÷åñêîé ÿ÷åéêèáåç ïîëÿðèçàòîðîâ.Ðèñ. 24.5290Íàïðèìåð, YAG:Nd3+-ëàçåð ñ àêóñòîîïòè÷åñêèì ìîäóëÿòîðîì ïðè èìïóëüñíîé íàêà÷êå ãåíåðèðóåò öóã ïèêîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ ñ ÷àñòîòîé ïîâòîðåíèÿäî ~10 êÃö.  êàæäîì öóãå íàõîäèòñÿ ïîðÿäêà äâóõ-òðåõ äåñÿòêîâ èìïóëüñîâñ äëèòåëüíîñòüþ êàæäîãî íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ïèêîñåêóíä è ïèêîâîé ìîùíîñòüþ íåñêîëüêî ìåãàâàòò.Íà ðèñ. 24.5 öâ. âêë.
ïðåäñòàâëåíà ôîòîãðàôèÿ ïèêîñåêóíäíîãî èìïóëüñà ïðèåãî ðàñïðîñòðàíåíèè â âîäå, ñäåëàííàÿ â 1971 ã. Ì. Äþãå â ëàáîðàòîðèè «Áåëëòåëåôîí» (ÑØÀ). Îïûò áûë âûïîëíåí ñ èñïîëüçîâàíèåì íåîäèìîâîãî ëàçåðà,ãåíåðèðóþùåãî èíôðàêðàñíûé èìïóëüñ (l = 1,06 ìêì) äëèòåëüíîñòüþ îêîëî10 ïñ, êîòîðûé äåëèòåëüíîé ïëàñòèíêîé ðàçäåëÿëñÿ íà äâà èìïóëüñà.Ïåðâûé íàïðàâëÿëñÿ íà âûñîêîñêîðîñòíîé çàòâîð ôîòîàïïàðàòà, ïðåäñòàâëÿþùèé ñîáîé ÿ÷åéêó Êåððà, ïîìåùåííóþ ìåæäó äâóìÿ ñêðåùåííûìè ïîëÿðîèäàìè (ñì. ëåêöèþ 20).
Ýòîò çàòâîð îòêðûâàëñÿ â òå÷åíèå äåéñòâèÿ èìïóëüñà,ò. å. â òå÷åíèå 10 ïñ.Âòîðîé èìïóëüñ íàïðàâëÿëñÿ â íåëèíåéíûé êðèñòàëë, íà âûõîäå êîòîðîãîïîëó÷àëîñü èçëó÷åíèå âòîðîé ãàðìîíèêè ñ l = 0,53 ìêì. Çàòåì ýòîò óæå «çåëåíûé» èìïóëüñ ðàñïðîñòðàíÿëñÿ ñïðàâà íàëåâî â êþâåòå ñ âîäîé ñî ñêîðîñòüþîêîëî 0,22 ìì/ïñ. Íà êþâåòå íàíåñåí ìàñøòàá â ìèëëèìåòðàõ. Äëÿ ôèêñàöèèèìïóëüñà (êàìåðîé ñáîêó) â âîäó äîáàâëÿëàñü êàïëÿ ìîëîêà ñ öåëüþ óñèëèòüðàññåÿíèå ñâåòà.Ïðîòÿæåííîñòü èìïóëüñà â âîäå, åñëè áû îí íå äâèãàëñÿ, ñîñòàâëÿåò îêîëî2,2 ìì. Çà âðåìÿ ýêñïîçèöèè îí ïðîõîäèò åùå ðàññòîÿíèå 2,2 ìì. Ïîýòîìó åãîèçîáðàæåíèå ðàçìûòî è òîíêàÿ ñòðóêòóðà íå âèäíà.Êðàñíîå ïÿòíî íà ôîòîãðàôèè ýòî èçîáðàæåíèå, îñòàâëåííîå èíôðàêðàñíûì èìïóëüñîì íà ôîòîïëåíêå. Ýòîò èìïóëüñ èñïîëüçîâàëñÿ äëÿ îòêðûâàíèÿ çàòâîðà, ïîýòîìó îáà èìïóëüñà ñôîòîãðàôèðîâàíû îäíîâðåìåííî.Ãåíåðàöèÿ ôåìòîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ.
Ïîëó÷åíèå òàêèõ ñâåðõêîðîòêèõ èìïóëüñîâ ïîòðåáîâàëî êàê ïðèâëå÷åíèÿ íîâûõ ôèçè÷åñêèõ èäåé, òàê è ðåøåíèÿðÿäà èíæåíåðíî-òåõíè÷åñêèõ ïðîáëåì. Ïðè äëèòåëüíîñòè èìïóëüñà t = 30 ôñøèðèíà ëèíèè óñèëåíèÿ Dnóñ/c » 103 ñì-1.  òàêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò íåîáõîäèìîîáåñïå÷èòü ôàçèðîâêó îãðîìíîãî ÷èñëà ïðîäîëüíûõ ìîä: N ~ Dnóñ/dn ~ 105.Ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè â âîçäóõå, âñëåäñòâèå äèñïåðñèè, äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà óâåëè÷èâàåòñÿ â ïîëòîðà ðàçà íà ðàññòîÿíèè îêîëî 15 ì.  îïòè÷åñêèïðîçðà÷íûõ êîíäåíñèðîâàííûõ ñðåäàõ ýòî ðàññòîÿíèå ñîêðàùàåòñÿ äî íåñêîëüêèõñàíòèìåòðîâ. Ïî ýòîé ïðè÷èíå íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü îïòè÷åñêèå ýëåìåíòûñ êîíòðîëèðóåìûìè äèñïåðñèîííûìè ñâîéñòâàìè.Îäèí èç âîçìîæíûõ ïóòåé ïîëó÷åíèÿ ñâåðõêîðîòêèõ èìïóëüñîâ ãåíåðàöèÿ èìïóëüñîâ ëàçåðàìè íà êðàñèòåëÿõ, íàêà÷èâàåìûìè ñèíõðîííî èìïóëüñíûìè ëàçåðàìè ïèêîñåêóíäíîé äëèòåëüíîñòè.
Ïåðèîä ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâíàêà÷êè ðàâåí èëè êðàòåí âðåìåíè ïðîõîæäåíèÿ ãåíåðèðóåìûì èìïóëüñîìðåçîíàòîðà ëàçåðà íà êðàñèòåëå. Âûõîäíîå èçëó÷åíèå ýòîãî ëàçåðà ïðåäñòàâëÿåòñîáîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èìïóëüñîâ, ñëåäóþùèõ ñèíõðîííî ñ èìïóëüñàìèíàêà÷êè. òèïè÷íûõ ñõåìàõ äëÿ íàêà÷êè èñïîëüçóåòñÿ âòîðàÿ ãàðìîíèêà (l = 530 íì)èçëó÷åíèÿ YAG:ND3+-ëàçåðà ñ àêòèâíîé ñèíõðîíèçàöèåé ìîä. Ïåðèîä ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ íàêà÷êè äîëæåí ïðåâûøàòü âðåìÿ æèçíè âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ êðàñèòåëÿ t2 ~ 10-9 ñ (ñì. ëåêöèþ 7).
Äèíàìèêà ôîðìèðîâàíèÿ ñâåðõêîðîòêîãî èìïóëüñà ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 24.6.291IIнGGtнGпор0GIнItаGGпор0IнIGGGпорt00tбвÐèñ. 24.6tÑïëîøíîé ëèíèåé ñëåâà ïîêàçàí èìïóëüñíàêà÷êè (ðèñ. 24.6), à ðÿäîì ñ íèì ïðàâåå óñèëèâàåìûé èìïóëüñ. Øòðèõîâîé ëèíèåéèçîáðàæåíà çàâèñèìîñòü îò âðåìåíè êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ G. Ãîðèçîíòàëüíàÿ øòðèõîâàÿ ëèíèÿ ñîîòâåòñòâóåò ïîðîãîâîìó óñèëåíèþ Gïîð.Ïðè ïåðâûõ ïðîõîäàõ ïî ðåçîíàòîðó(ðèñ. 24.6, à), êîãäà óñèëåíèå ïðåâûøàåòïîòåðè â òå÷åíèå äëèòåëüíîãî ïðîìåæóòêà âðåìåíè, óñèëèâàåìûé èìïóëüñ äîñòàòî÷íî øèðîêèé.
Ïðè óâåëè÷åíèè åãî èíòåíñèâíîñòè(ðèñ. 24.6, á ) èç-çà ïîÿâëÿþùåãîñÿ íàñûùåíèÿ óñèëåíèÿ ýòîò ïðîìåæóòîê ñîê-ðàùàåòñÿ.Äëèòåëüíîñòü ãåíåðèðóåìîãî èì-ïóëüñà çà ñ÷åòïðåèìóùåñòâåííî óñèëèâàþùåéñÿ ñåðåäèíûèìïóëüñà óìåíüøàåòñÿ. Ýòî ñîêðàùåíèåçàêàí÷èâàåòñÿ, è óñòàíàâëèâàåòñÿ ñòàöèîíàðíûé ðåæèì (ðèñ. 24.6, â).Êàê ïîêàçûâàþò ðàñ÷åòû, äëèòåëüíîñòü t0èìïóëüñà ñâÿçàíà ñ äëèòåëüíîñòüþ tí èìïóëüñà íàêà÷êè ñîîòíîøåíèåìt0 »t ít 2 ,(24.28)ãäå t2 âðåìÿ çàòóõàíèÿ ñâîáîäíîé ïîëÿðèçàöèè; äëÿ êðàñèòåëÿ t2 ~ 10 ôñ.Äëÿ óñèëåíèÿ èìïóëüñà äëèòåëüíîñòü íàêà÷êè tí äîëæíà ïðåâûøàòü âðåìÿtð êîëåáàòåëüíîé ðåëàêñàöèè, çà êîòîðîå ìîëåêóëà êðàñèòåëÿ ïåðåõîäèòíà íèæíèé ïîäóðîâåíü ñîñòîÿíèÿ 2 (ñì.
ðèñ. 7.19). ðåàëüíûõ ýêñïåðèìåíòàõ óäàåòñÿ ñôîðìèðîâàòü èìïóëüñû äëèòåëüíîñòüþt ³ 200 ôñ. Òåîðåòè÷åñêèé ïðåäåë, îãðàíè÷èâàþùèé ñíèçó äëèòåëüíîñòü èìïóëüñîâ, ãåíåðèðóåìûõ ëàçåðîì íà êðàñèòåëå ïðè ñèíõðîííîé íàêà÷êå, ïîëó÷àåòñÿ èç (24.28), åñëè tí = tð. Ïîëàãàÿ tð » 10-2 ñ, ïîëó÷àåìt 0 min »t ðt 2 » 100 ôñ.(24.29)Äàëüíåéøåå ñæàòèå èìïóëüñà äî äëèòåëüíîñòåé t0 ~ 5 10 ôñ îñóùåñòâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ îïòè÷åñêèõ êîìïðåññîðîâ. ñåðåäèíå 90-õ ãîäîâ XX â. áûëè ñîçäàíû íîâûå êðèñòàëëû, îáëàäàþùèåðåêîðäíî øèðîêîé ïîëîñîé óñèëåíèÿ.  êðèñòàëëå Ti3+Al2O3 (òèòàíàò ñàïôèðà)ïîëîñà óñèëåíèÿ Dnóñ /c = 3 500 ñì-1. Ñëåäîâàòåëüíî, ïðè ôàçèðîâêå âñåõ ìîäëàçåðà ìîæíî äîñòè÷ü äëèòåëüíîñòè t0 = 1/Dnóñ » 10 ôñ.Òèòàí-ñàïôèðîâûé ëàçåð íàêà÷èâàåòñÿ âòîðîé ãàðìîíèêîé ëàçåðà íà ãðàíàòåñ íåîäèìîì ëèáî èçëó÷åíèåì àðãîíîâîãî ëàçåðà.
 íàêà÷èâàåìîì ëàçåðå óäàëîñü îñóùåñòâèòü âíóòðèðåçîíàòîðíóþ êîìïðåññèþ. Íåëèíåéíàÿ ôàçîâàÿ ìîäóëÿöèÿ âîçíèêàåò â êðèñòàëëå Ti3+Al2O3, îáëàäàþùåì êóáè÷íîé íåëèíåéíîñòüþ, à åå êîìïåíñàöèÿ, ïðèâîäÿùàÿ ê ñæàòèþ, îñóùåñòâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþïàðû ñòåêëÿííûõ ïðèçì, ïîìåùåííûõ â ðåçîíàòîð. Ëàçåð ãåíåðèðóåò èìïóëüñûíà äëèíå âîëíû l = 800 íì, äëèòåëüíîñòü èìïóëüñîâ ñîñòàâëÿåò t0 ~ 10 ôñ,à ýíåðãèÿ W ~ 10-9 Äæ.292Ôåìòîñåêóíäíûé âîëîêîííûé ëàçåð.Êàê îòìå÷àëîñü â ëåêöèè 16, øèðîêîåðàñïðîñòðàíåíèå â êà÷åñòâå èñòî÷íèêîâ ñâåòà â âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ ëèíèÿõ ñâÿçè ïîëó÷èëè âîëîêîííûå ëàçåðû, ãåíåðèðóþùèå èìïóëüñû ôåìòîñåêóíäíîé äëèòåëüíîñòè.Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà èìïóëüñíîãî ýðáèåâîãî âîëîêîííîãî ëàçåðà, ñîÐèñ. 24.7çäàííîãî â Èíñòèòóòå îáùåé ôèçèêèèì.
À. Ì. Ïðîõîðîâà ÐÀÍ, ïîêàçàíà íà ðèñ. 24.7.Èçëó÷åíèå íàêà÷êè îò ëàçåðíîãî äèîäà ËÄ ïî ïàññèâíîìó îïòè÷åñêîìó âîëîêíó ââîäèòñÿ â îïòè÷åñêèé ñïåêòðàëüíî-ñåëåêòèâíûé îòâåòâèòåëü Î1. Íàêà÷êà îñóùåñòâëÿåòñÿ íà äëèíå âîëíû 1 480 íì, à óñèëåíèå è ãåíåðàöèÿ íàäëèíå âîëíû 1 550 íì, äëÿ êîòîðîé ìèíèìàëüíû ïîòåðè è äèñïåðñèÿ ãðóïïîâîé ñêîðîñòè â âîëîêîííî-îïòè÷åñêîé ëèíèè ñâÿçè. Ïðè ýòîì ýðáèåâûé ñâåòîâîä èìååò ïîëîæèòåëüíóþ äèñïåðñèþ ãðóïïîâîé ñêîðîñòè (k2 = 0,0195 ïñ2/ì),ïîýòîìó èìïóëüñ â àêòèâíîì âîëîêíå âñëåäñòâèå äèñïåðñèè áóäåò ðàñïëûâàòüñÿ è ïðèîáðåòàòü ïîëîæèòåëüíûé ÷èðï ÷àñòîòû.
Äîïîëíèòåëüíûé ÷èðï òîãîæå çíàêà èìïóëüñ ïðèîáðåòåò è âñëåäñòâèå îïèñàííîé âûøå íåëèíåéíîéôàçîâîé ñàìîìîäóëÿöèè. ×òîáû óìåíüøèòü ýòîò ñóììàðíûé ÷èðï, êîíöû àêòèâíîãî ñâåòîâîäà ïðèïàèâàþò ê êîíöàì ïàññèâíîãî ñâåòîâîäà, îáëàäàþùåãîîòðèöàòåëüíîé äèñïåðñèåé ãðóïïîâîé ñêîðîñòè (k2 = -0,022 ïñ2/ì). Îáùàÿ äëèíà L îáðàçîâàâøåãîñÿ êîëüöåâîãî ðåçîíàòîðà ñîñòàâëÿåò 8 ì. ðåçîíàòîð âìîíòèðîâàí èçîëÿòîð, ñîñòîÿùèé èç ÿ÷åéêè Ôàðàäåÿ Ô è äâóõêîíòðîëëåðîâ ïîëÿðèçàöèè (ïîëÿðèçàòîðîâ) Ï1 è Ï2. Èçîëÿòîð îáåñïå÷èâàåòðàñïðîñòðàíåíèå èìïóëüñîâ â îäíîì íàïðàâëåíèè, óêàçàííîì ñòðåëêîé(ñì. ëåêöèþ 20). ëàçåðå îñóùåñòâëÿåòñÿ ïàññèâíàÿ ñèíõðîíèçàöèÿ ìîä çà ñ÷åò íåëèíåéíîãî(ïðîïîðöèîíàëüíîãî èíòåíñèâíîñòè) ïîâîðîòà ïëîñêîñòè ïîëÿðèçàöèè ñâåòàâ îòðåçêå âîëíîâîäà ìåæäó äâóìÿ êîíòðîëëåðàìè. Åñëè âñïëåñê èíòåíñèâíîñòè(èìïóëüñ) â íåêîòîðîé îáëàñòè êîëüöåâîãî ðåçîíàòîðà áóäåò èìåòü çíà÷åíèå,äîñòàòî÷íîå äëÿ ïîâîðîòà ïëîñêîñòè ïîëÿðèçàöèè íà óãîë, ðàâíûé óãëó ìåæäóãëàâíûìè ïëîñêîñòÿìè êîíòðîëëåðîâ, òî ýòîò èìïóëüñ ïðîéäåò ÷åðåç èçîëÿòîð è áóäåò óñèëåí.Åñëè ìîùíîñòü íàêà÷êè ïðåâûøàåò 150 ìÂò, òî íà÷èíàåòñÿ ñàìîïðîèçâîëüíàÿ ãåíåðàöèÿ èìïóëüñîâ, ñëåäóþùèõ ñ ÷àñòîòîé 25 ÌÃö, îáðàòíîé âðåìåíèt = 2L/u (u ãðóïïîâàÿ ñêîðîñòü â âîëîêíå) ïðîáåãà èìïóëüñîì êîëüöåâîãîðåçîíàòîðà.
Ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü ãåíåðàöèè P = W/t = 24 ìÂò.Èç ðåçîíàòîðà ñâåòîâîé èìïóëüñ âûâîäèòñÿ ÷åðåç äðóãîé îòâåòâèòåëü Î2.Äëÿ òî÷íîé êîìïåíñàöèè ÷èðïà ÷àñòîòû è ïîëó÷åíèÿ êîðîòêîãî ñïåêòðàëüíîîãðàíè÷åííîãî èìïóëüñà èç îòâåòâèòåëÿ èìïóëüñ ïîñòóïàåò â îòðåçîê âîëíîâîäà äëèíîé 85 ñì, îáëàäàþùåãî îòðèöàòåëüíîé äèñïåðñèåé ãðóïïîâîé ñêîðîñòè.  ýòîì ñëó÷àå äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà â êîíöå îòðåçêà ðàâíà 80 ôñ. Ïîñêîëüêó t = 4 × 10-8 ñ, ýíåðãèÿ îäíîãî èìïóëüñà W = Pt » 10-9 Äæ.Èçìåðåíèå äëèòåëüíîñòè ñâåðõêîðîòêèõ èìïóëüñîâ. Äëèòåëüíîñòü èìïóëüñàt0 îïðåäåëÿþò èç êîððåëÿöèîííîé ôóíêöèè èíòåíñèâíîñòè BI(t) = I(t)I(t + t),ãäå I(t) ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè â èìïóëüñå.
Ýòó ôóíêöèþ èçìåðÿþò293ñ ïîìîùüþ êîððåëÿòîðà, îäíà èç âîçìîæíûõ îïòè÷åñêèõ ñõåì êîòîðîãî ïîêàçàíà íà ðèñ. 24.8.Ñâåòîâîé ïó÷îê ñ ïîìîùüþ ïîëóïðîçðà÷íîãî çåðêàëà Ç1 ðàçäåëÿåòñÿ íàäâà ïó÷êà. Ïðè îòðàæåíèè îò ïðèçì Ï1è Ï2 èìïóëüñû ïðèîáðåòàþò âðåìåííóþçàäåðæêó t. Ýòà çàäåðæêà ìîæåòèçìåíÿòüñÿ ïåðåìåùåíèåì ïðèçìû Ï1.Îáà èìïóëüñà ñ ïîìîùüþ ëèíçû ËÐèñ.
24.8ïîïàäàþò â êðèñòàëë, â êîòîðîì ãåíåðèðóåòñÿ âòîðàÿ ãàðìîíèêà. Äèàôðàãìà Ä îòñåêàåò èìïóëüñû íàêà÷êè. Ýíåðãèÿ W2(t) èìïóëüñà âòîðîé ãàðìîíèêèçàâèñèò îò âðåìåíè çàäåðæêè t:¥W 2 (t) = [const] ò I (t )I (t + t)dt = [const]B I (t).(24.30)-¥Çäåñü êîíñòàíòà îïðåäåëÿåòñÿ ïàðàìåòðàìè êîððåëÿòîðà K.Ïðè ïîñòåïåííîì óâåëè÷åíèè âðåìåíè çàäåðæêè áóäåò ìîíîòîííî óìåíüøàòüñÿ ýíåðãèÿ èìïóëüñà âòîðîé ãàðìîíèêè.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
