Лабораторная работа: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНОГО СПЕКТРА «красного» He-Ne ЛАЗЕРА С ПОМОЩЬЮ СКАНИРУЮЩЕГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА

Большая часть коммерческих лазеров работает в режиме многочастотной генерации, т.е. они не являются, строго говоря, монохроматическими излучателями. В ряде практических применений лазерного излучения это ограничение является существенным, что приводит к необходимости корректного учета спектра генерируемого многомодовым лазером излучения.

1. Природа и детали многочастотной генерации

Как известно из курсов «Физические основы лазеров» и «Лазерная техника», многочастотная генерация даже одномодовых (ТЕМ_00q) лазеров возникает в первую очередь при неоднородном уширении лазерного перехода (∆ν_неод>>∆ν_одн) и большой длине резонатора L_опт. Количественное условие многочастотной генерации в простейшем виде имеет вид ∆ν_неод>>∆ν_рез, где ∆ν_рез=с/2L_опт (в случае линейного резонатора длиной L_опт; для кольцевого резонатора ∆ν_рез=с/L_опт). Второе приближение дает количество генерируемых продольных мод N_ген=Int(∆ν_ген/∆ν_рез), где полоса генерации ∆ν_ген=∆ν_неод*(lnX₀/ln2)^1/2 определяется не только величиной неоднородного уширения ∆ν_неодн (по уровню 0,5), но и (в значительно меньшей степени) кратностью превышения ненасыщенного усиления (для центральной частоты лазерного перехода ν₀=(Е_в-Е_н)/h) над потерями резонатора X₀ =2l₀k₀(ν₀) / (-lnR_эф)≈ 2l₀k₀(ν₀) /(τ+Σα); в последнем выражении l₀ – длина активной среды, R_эф= ρ[1-( Σα/2)²] ≈ ρ(1-Σα) – эффективный коэффицинент отражения выходного устройства (обычно это выходное зеркало с коэффициентом отражения ρ=1-τ ; Σα – полная (за цикл) сумма диссипативных потерь резонатора и активной среды, т.е. лазера в целом.
Таким образом, в «длинном» (∆ν_неод>>∆ν_рез) резонаторе возникает генерация на N_ген продольных модах, т.к. для каждой (из N_ген) собственной продольной моды n_mnqi=∆ν_рез [q_i+ (β_mn/180˚)] ненасыщенное (начальное) усиление активной среды с неоднородным уширением 2l₀k₀(ν₀-∆ν_ген/2≤ ν_i≤ ν₀+∆ν_ген/2) превышает суммарные потери резонатора (за цикл) -lnR_эф≈ τ+Σα. При этом в первом приближении на каждой из N_ген продольных мод плотность энергии внутри линейного резонатора (в квазистационарном режиме генерации) U_i≈ 2β_i(X_i²-1), где β_i= β(ν_i) – параметр насыщения для частоты n_i, практически совпадающий с частотой n_mnqi , а X_i =2l₀k₀(ν_i) / (-lnR_эф) – кратность превышения начального усиления на частоте ν_i над потерями резонатора. Следует отметить, что последние, как правило, практически не зависят от частоты – за исключением случая частотно-селективных резонаторов (с призмой, дифракционной решеткой и, особенно, трех- и