1612045808-897604033167dc1177d2605a042c8fec (533738), страница 109

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 109)

Пусть на двойной длине резонатора укладывается целое число длин волн: 2Л=тЛ. Этим обеспечивается положительная обратная связь: при втором н всех следующих прохождениях через резонатор волна согласована по фазе с исходной, т. е. фактически неотличима от нее. Все элементарные волны, возникающие в разные моменты времени при вынужденных переходах атомов, расположенных в разных точках активной среды, создают одну когерентную волну.

Таким образом, оптический резонатор увеличивает эффективное расстояние, которое распространяющаяся вдоль его оси волна проходит в активной среде, и способствует формированию когерентного монохроматического излучения, выходящего через полупрозрачное зеркало. Оптический резонатор можно рассматривать как колебательную систему, в которой собственные нормальные колебания (моды) имеют вид стоячих электромагнитных волн с узлами на зеркалах. Частоты ые таких мод определяются условием 2Л=дЛ, где в — целое число, т. е. они образуют эквидистантный спектр: ые=2яс~(аЛ,) =в(яс/(аЛ)), (9.39) где п — показатель преломления активной среды. Поэтому лазер представляет собой автоколебательную систему, в которой возможны незатухающие колебания на одной из собственных частот резонатора.

Описанная выше волновая картина возникновения когерентного излучения при вынужденном испускании света находягцимися в разных местах атомами активной среды имеет следующую квантовую интерпретацию. Одна из мод резонатора может возбудиться в результате спонтанного испускания фотона каким-либо возбужденным атомом. В дальнейшем каждый акт вынужденного испускания приводит к увеличению на единицу числа фотонов в этой моде. Фотоны одной моды тождественны, несмотря на то что они были испущены находившимися в разных местах атомами активной среды в разные моменты времени.

Этим объяСняется когерентность результирующего излучения. Падающая на полупрозрачное зеркало волна частично выходит из резонатора. Это и есть генерируемый лазером пучок. Кроме того, существуют и другие (бесполезные) потери энергии излучения, обусловленные рассеянием света на неоднородностях заполняющей резонатор среды, дифракцией на краях зеркал и т. п. Очевидно, что генерация возможна только тогда, когда падающая на полупрозрачное зеркало после очередного прохода волна имеет энергию не меньшую, чем при предыдущем падении.

Это значит, что усиление света в активной среде должно быть достаточно большим, превышающим некоторое значение, называемое пороговым. Если усиление на двойном проходе резонатора больше суммарных потерь, то с каждым проходом интенсивность волны возрастает. Это возрастание не может, конечно. продолжаться беспредельно. При фиксированной мощности источника накачки инверсия населенностей рабочих уровней будет убывать с увеличением плотности энергии излучения в резонаторе, что в соответствии с (9.37) приведет к уменьшению коэффициента усиления.

В результате этого нелинейного эффекта насыщения (см..$ Ю.1) в лазерах непрерывного действия устанавливается стационарный режим генерации, когда суммарные потери энергии в точности компенсируются усилением в активной среде. При этом мощность генерируемого излучения пропорциональна превышению ненасыщенного коэффициента усиления над его пороговым значением, т. е.

линейно зависит от мощности источника накачки, поддерживающего в активной среде инверсную населенность. Спектральная линия, соответствующая переходу между рабочими уровнями атомов активной среды, имеет конечную ширину. Возможные причины уширения были рассмотрены в $ !.8. Помимо 'радиационного затухания вклад в ширину линии дают столкновения и тепловое движение атомов (в газовой среде), а также возмущение энергетических уровней атомов под влиянием окружения (полей заряженных частиц в газовом разряде, кристаллических полей в твердых телах и т.

и.). При однородном уширении контур спектральной линии г (ы) с хорошей точностью описывается лоренцевской функцией, при неоднородном — гауссовой. Ширина линии Ьеи много меньше частоты ые. соответствующей центру линии, поэтому спектральная зависимость коэффициента усиления а(ы) (9.37) повторяет ход функции формы линии г (ы). Обычно в пределах контура усиления умещается несколько собственных частот резонатора (рис.

9А). Если постепенно увеличивать степень возбуждения активной среды, т. е. инверсию населенностей уровней рабочего перехода, то первой достигает порога мода, частота которой расположена ближе к центру спектральной линии. На ней н начинается генерация. Дальнейшее увеличение уровня возбуждения активной среды приводит к достижению порога другими модами. Тогда становится возможной генерация излучения одновременно на нескольких частотах. В случае однородно уширенной линии перехода различные моды получают энергию от одних и тех же атомов, что приводит к эффек- и там нелинейного взаимодействия (конкуренции) мод. Насыщение усиления до уровня потерь происходит быстрее для той моды, частота которой лежит гч г ечгг дальше других от центра линии усиле- ле М ния.

Продолжающийся рост поля других мод вызывает уменьшение усиле- Сиектрлльииа нилнтур линии уснния и приводит к затуханию этой ленни моды. В результате возможно затухание всех мод, кроме одной, частота которой наиболее близка к центру линии усиления. При неоднородном уширеиии линии перехода каждая мода получает энергию от тех атомов, центральные частоты которых совпадают с ее частотой. Поэтому эффекты насыщения приводят к образованию в контуре усиления «провалов» на частотах соответствующих мод резонатора.

Это способствует многомодовой генерация, так как становится возможным почти независимое усиление мод, отстоящих друг от друга по частоте больше чем на ширину линии отдельного атома. Я условиях стационарной генерации потери в резонаторе компенсируются за счет вынужденного излучения в активной среде.

Отсутствие затухания означает, что добротность, сопоставляемая соответствующей «активной» моде, бесконечно велика, а спектральная линия излучения лазера на этой моде бесконечно узка. Другими словами, усиление в активной среде поддерживает постоянную амплитуду гармонического выходного сигнала, препятствуя его затуханию, но при этом не вносит возмущений в его фазу. Спектр такого излучения состоит из единственной частоты. Фактичвски же излучение одномодового лазера, хотя и обладает очень высокой степенью монохроматичности, все же по ряду причин имеет конечную спектральную ширину. До сих пор не учитывалось спонтанное непускание возбужденными атомами активной среды, которое также способствует вводу энергии в резонатор. Так как вводимая за счет спонтанных процессов энергия не скоррелирована с полем излучения генерируемой моды, спонтанное излучение вносит случайные флуктуации в его фазу и амплитуду, что приводит к конечной ширине спектра выходного излучения.

Иначе можно сказать, что в стационарном режиме при учете спонтанного испускания потери в резонаторе не полностью компенсируются вынужденным излучением (какая-то часть потерь компенсируется спонтанным излучением). Поэтому добротность активной моды уже не обращается в бесконечность, хотя и может быть очень большой.

Чем больше выходная мощность, тем уже спектральная линия излучения, так как с ростом плотности энергии поля в резонаторе вынужденное непускание все в большей степени преобладает над спонтанным в механизме передачи энергии от активной среды в моду резонатора.

Как показывают расчеты, естественная ширина линии лазерной генерации, обусловленная спонтанным излучением, для гелий-неонового лазера (Л= 632,8 нм) с выходной мощностью 1мВт при пропускании зеркал 1 % и длине резонатора ! м составляет Лт-5-10 ' Гц. Это фантастически малая величина. Соответствующее ей время когерентности тж1/Ьт 2-!О' с, а длина когерентности Е = ст -6.! 0" м больше диаметра земной орбиты! На опыте реализовать столь узкую линию излучения не удается из-за технических причин ушнрения спектра.

Согласно (9.39), 44$ частота моды ы„ зависит от длины резонатора и от показателя преломления среды и. Это обстоятельство позволяет плавно перестраивать частоту генерации, например перемещением одного из зеркал. Но изменения длины резонатора и показателя преломления могут происходить и случайным, неконтролируемым образом из-за вибраций, колебаний температуры и давления и т.

Характеристики

Список файлов книги