- •Содержание
- •VI. Лазерные стандарты длины и частоты
- •Yi. Автомодуляция излучения в резонаторе лазера на твердом теле
- •Yii. Лазеры ультракоротких импульсов
- •Yiii. Свойства ультракоротких импульсов
- •IX. Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов
- •X. Полупроводниковые лазеры
- •Краткая история создания лазеров Цезиевый атомно-лучевой квантовый стандарт частоты
- •Принцип работы лазера
- •Лазер, как автоколебательная система
- •I. Взаимодействие света с веществом
- •1.1. Спектр излучения
- •1.2. Тепловое излучение
- •1.3. Коэффициент поглощения
- •1.5. Люминесценция
- •1.7. Сверхизлучение
- •1.8. Энергетические характеристики электромагнитного поля
- •Объемная плотность энергии в пучке
- •1.9. Оценки частоты Раби и мощности излучения, необходимой для проявления когерентрных эффектов взаимодействия поля с веществом
- •2.1. Газоразрядные лампы для оптической накачки лазеров
- •2.2. Многослойные диэлектрические зеркала
- •2.3. Лазеры на активированных кристаллах
- •2.4. Система оптической накачки лазеров на твердой активной среде
- •2.5. Неодимовый лазер
- •III. Лазерные резонаторы
- •3.1. Лазерные пучки
- •3. 3. Гауссовы пучки света
- •3.4. Фокусировка гауссова пучка линзой
- •3.5. Идеальный открытый оптический резонатор
- •Iy. Лазерная генерация
- •4.1. Вероятности переходов
- •4.2. Схемы накачки активной среды лазеров
- •4.4. Энергетическое условие стационарной генерации
- •4.5. Расчет коэффициента усиления активной среды для твердотельных лазеров с импульсной оптической накачкой
- •4.6. Пороговая энергия накачки лазера с импульсной накачкой
- •4.7. Определение коэффициента усиления и скорости накачки по
- •4.8. Фазовое условие генерации
- •4.9. Селекция мод лазерного резонатора
- •4.10. Принцип конкуренции мод
- •4.11. Принцип максимальной ширины спектра излучения лазера
- •4.12. Перестройка частоты излучения одночастотного лазера путем микроперемещения лазерного зеркала
- •4.13. Лазеры со стабилизацией частоты излучения
- •4.14. Оптическое гетеродинирование
- •4.15. Лазерные стандарты длины и частоты. Измерение частоты и длины волны лазерного излучения
- •4.16. Многочастотный спектр излучения лазера
- •4.17. Мощность стационарной генерации лазера
- •5.2. Моноимпульсная генерация
- •5.3. Пассивная модуляция добротности резонатора
- •5.4. Измерение энергии и мощности лазерных импульсов
- •5.5. Регистрация формы лазерных импульсов электронно-оптической камерой
- •Yi. Автомодуляция излучения в лазерном резонаторе
- •6.2. Измерения мощности лазерного излучения в широком динамическом диапазоне
- •6.3. Динамика лазера с неустойчивым и разъюстированным плоским резонатором
- •6.4. Механизмы автомодуляции потерь лазерного резонатора
- •6.4.1. Самонаведенная линзовость в активной среде лазера
- •6.4.2. Автомодуляция излучения лазера самонаведенной амплитудно-фазовой решеткой
- •6.4.3. Автомодуляция излучения в сложном резонаторе
- •Yii. Лазеры ультракоротких импульсов
- •7.1. Первые исследования сверхкоротких лазерных импульсов
- •7.2. Автокорреляция лазерных импульсов. Интерферометр Майкельсона
- •7.3. Автокорреляционная функция лазерного импульса
- •7.4. Описание излучения на выходе лазера как суперпозиции эквидистантных монохроматических плоских волн
- •7.5. Модулированные оптические волны
- •7.6. Сверхкороткие импульсы, генерируемые двухчастотным лазером с постоянной накачкой
- •Зависимость интенсивности излучения от времени можно записать следующим образом:
- •7.7. Пульсации излучения непрерывного двухчастотного гелий-неонового лазера
- •7.8. Регулярные пульсации излучения гелий неонового лазера, в спектре которого регистрируются 7 дискретных частот
- •7.9. Современные лазеры ультракоротких импульсов
- •Yiii. Свойства ультракоротких импульсов
- •Зависимость спектра импульсного лазерного излучения от времени
- •8.2. Квазимонохроматическое приближение
- •8.3. Импульс гауссовой формы в среде с дисперсией
- •8.4. Фазовая модуляция — уширение и сжатие импульсов с линейным чирпом
- •8.5. Фемтосекундные лазерные системы
- •IX. Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов
- •9.1. О некоторых заблуждениях в области корреляционных измерений длительности ультракоротких лазерных импульсов
- •9.3. Измерение акф для периодической последовательности импульсов
- •9.4. Влияние линейной фазовой модуляции несущей частоты на корреляционные функции излучения
- •X. Полупроводниковые лазеры
- •10.1. Оптические свойства полупроводников
- •10.2. Cвойства p-n переходов
- •10.3. Полупроводниковые лазеры на гетеропереходах
- •11.1. Накачка газовых активных сред
- •11.2.2. Химическая накачка
- •11.2.3. Лазеры с газодинамической накачкой
- •11.3. Лазеры на нейтральных атомах
- •11.3.1. Гелий-неоновый лазер
- •11.4. Молекулярные лазеры
- •11.5. Газовые лазеры на ионах аргона
- •11.4.1. Гелий-кадмиевый лазер
- •11.5. Эксимерные лазеры
- •Основные принципы, соотношения и константы физики лазеров
- •Тестовые задания
- •Раздел 1. Общие вопросы. Конструктивные элементы лазеров
- •Раздел 2. Взаимодействие излучения с веществом
- •Раздел 3. Лазерные резонаторы и световые пучки
- •Раздел 4. Лазерная генерация
- •Раздел 5. Динамика лазеров
2.5. Неодимовый лазер
Рис. 2.11. Диаграмма энергетических уровней иона неодима Nd3+ в кристалле алюмоиттриевого граната.
Рис. 2.12. Спектры люминесценции (4F3/2 – 4I11/2) кристалла алюмоиттриевого граната, активированного неодимом - I и неодимового стекла марки ЛГС-1 – II при комнатной температуре.
Литература
P.P Sorokin, M.J. Stevenson/ Phys. Rev. Lett. 5, 557 (1960).
L.F. Johnson, K. Nassau/ Proc. IRE, 49, 1704 (1961).
J.E. Geusic, H.M. Marcos, L.G. Van Uitert. Appl. Phys. Lett. 4, 182 (1964).
III. Лазерные резонаторы
После создания мазеров, работающих в диапазоне сантиметровых волн, на пути к лазерам оптического диапазона встала проблема создания оптического резонатора. Число собственных колебаний объемного резонатора, используемого в мазерах, пропорционально отношению размеров резонатора к половине длины волны излучения. Поэтому объемный оптический резонатор в виде зеркальной полости явно не годился для лазера, так как число его собственных колебаний, попадающих в спектральную область усиления активной среды, равняется многим миллионам при сантиметровых размерах активной среды. Для получения генерации было необходимо, чтобы вблизи максимума спектрального контура усиления существовало небольшое число, а лучше всего единственная резонансная частота.
Выход из этой ситуации был предложен А.М. Прохоровым [1], который предложил использовать открытый резонатор без боковых стенок в виде двух параллельных зеркал. В этом случае в резонаторе должны отсутствовать поперечные типы колебаний и спектр резонансных частот сильно прореживается.
Как известно, первым резонатором лазера послужил обычный интерферометр Фабри-Перо в виде двух плоских зеркал, одно из которых частично пропускает свет. Интерферометр Фабри-Перо оказался настолько удачной резонаторной системой, что он и по сей день является самым распространенным типом лазерного резонатора.
Недостаток открытого резонатора заключается в невозможности получения однородного лазерного луча без изрезанной пространственной структуры в поперечном сечении в случае использования неоднородной активной среды. Так как излучение циркулирует внутри резонатора, многократно отражаясь от зеркал, то даже малые фазовые искажения, связанные с неоднородностями активной среды, постепенно накапливаются, что приводит к полному разрушению регулярной пространственной структуры в луче.
Именно поэтому в наиболее распространенных современных лазерах вернулись к конструкции с объемным резонатором, которые поддерживает существование простейшей поперечной моды в сечении луча. Как известно, в наиболее перспективных для применений полупроводниковых лазерах и лазерах на волоконных световодах резонатор образован отрезком волновода планарного или кругового сечения, который поддерживает единственную поперечную моду излучения. При этом поперечные размеры активной среды должны быть малы и соизмеримы с длиной волны генерируемого излучения.
Это не позволяет получать от таких лазеров большие мощности в импульсных режимах работы из-за ограничений, накладываемых оптической прочностью поверхностей активной среды или зеркал резонатора. Впрочем, этот недостаток оборачивается преимуществом для лазеров, работающих в режиме непрерывной генерации. Если торец лазерного резонатора поместить в фокальной плоскости линзы, тогда на выходе линзы можно сформировать мало расходящийся световой луч, необходимый в большинстве применений лазеров.