- •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
6.3. Динамика лазера с неустойчивым и разъюстированным плоским резонатором
Как показали данные предыдущего раздела, наибольшее расхождение измеренных параметров излучения лазера с теорией наблюдается в области максимальных коэффициентов усиления активной среды. Поэтому целесообразны исследования динамики лазера именно в таких условиях. Для увеличения порогового коэффициента усиления необходимо искусственно увеличить потери лазерного резонатора. Наиболее целесообразный способ для этого – использование неустойчивого сферического или разъюстированного резонатора.
В одном из экспериментов неустойчивый резонатор был образован «глухим» сферическим зеркалом с радиусом кривизны его поверхности 56 см и «глухим» многослойным диэлектрическим покрытием, причем, длина резонатора превышала радиус кривизны зеркала. Второе, полупрозрачное зеркало образовано плоскопараллельной стеклянной пластинкой из стекла К-8 без покрытий. Использовался рубиновый активный элемент диаметром 7 мм с длиной активной части 120 мм с сапфировыми наконечниками, срезанными под углом Брюстера.
Степень неустойчивости резонатора и его потери могли повышаться просто за счет увеличения длины резонатора. В описываемом эксперименте она устанавливалась равной 90 см, чтобы генерация возникала при максимальной энергии накачки Х 3, при которой в возбужденное состояние переводится 86% активных частиц. Замечательная особенность рубинового лазера с неустойчивым резонатором заключается в том, что он, вопреки ожиданиям, стабильно и воспроизводимо генерирует не микросекундные пички свободной генерации, а гигантские импульсы [22]. Энергия этого гигантского импульса длительностью ~ 50 нс достигает 0,1 Джоуля, хотя в резонаторе лазера отсутствуют какие-либо модуляторы добротности.
Р ис. 9.7. Временная развертка импульса генерации лазера с неустойчивым полусферическим резонатором, полученная по методу, описанному в [19].
При фотометрировании развертки рис. 9.7 ясно видно, что спонтанно генерируемый лазером моноимпульс принципиально отличается от пичка свободной генерации значительной асимметрией. Передний фронт импульса сильно растянут по сравнению с задним. Нарастание интенсивности излучения лазера с неустойчивым резронатором аналогично динамике лазера с просветляющимся затвором, хотя никаких модуляторов добротности лазерный резонатор не содержит.
Неустойчивость резонатора приводит к большим дифракционным потерям, поэтому луч лазера на рис. 9.7 окружен «ореолом» расходящегося излучения. Наблюдаемые особенности генерации лазера с неустойчивым резонатором доказывают существование нелинейного механизма самовоздействия генерируемого излучения.
Измерения динамики рубинового лазера с неустойчивым резонатором при меньших длинах резонатора (и уровнях накачки) обнаруживают две особенности. Гигантскому импульсу предшествует пичок свободной генерации (рис. 9.8), амплитуда которого в тысячу раз меньше амплитуды гигантского импульса. Изломы на кривой I(t) всегда сопровождаются возникновением высокочастотной модуляции огибающей излучения с периодом, равным времени обхода светом резонатора. При максимальной неустойчивости резонатора пичок свободной генерации непосредственно переходит в гигантский импульс, как это видно на рис. 9.7.
Рис. 9.8. Зависимость мощности выходного излучения лазера с неустойчивым резонатором от времени. Штрихам и на рисунке условно показана область существования модуляции излучения с периодом резонатора.
Самый простой способ увеличения порогового значения коэффициента усиления лазера - разъюстировка одного из зеркал устойчивого плоского резонатора. Динамика генерации лазера и в этом случае аналогична показанной на рис. 9.7 и 9.8.
Скоростной фоторегистратор СФР-2 имеет временное разрешение 15 нс. Чтобы наблюдать модуляцию генерируемого излучения с периодом, равным времени обхода светом резонатора использовалась длина резонатора 7 м. При съюстированном резонаторе лазер генерирует пички свободной генерации микросекундной длительности. Разъюстировка резонатора радикально меняет режим генерации. Её особенности показаны на рис. 4.9а и б.
а
б
Рис. 9.9а – временная развертка излучения лазера с разъюстированным резонатором; б – интегральная микрофотограмма разверток а.
На развертках рис. 9.9 видно, что каждый последующий импульс генерации развивается из остаточного излучения предыдущего. Процесс разгорания генерации завершается генерацией гигантских импульсов, амплитуда которых в 100 раз больше амплитуды затравочных пичков. Так же, как в случае неустойчивого резонатора передний фронт группы наиболее интенсивных импульсов имеет излом, что свидетельствует о включении в этой точке механизма самовоздействия излучения в лазерном резонаторе.
Как известно, в соответствии с теорией, основанной на квазистационарном вероятностном подходе, пичковый режим генерации должен всегда затухать и переходить в стационарное излучение. Такие режимы наблюдаются в некоторых частных случаях, например при использовании сферического резонатора с короткофокусными зеркалами, когда лазер генерирует на большом числе поперечных мод резонатора. В лазерах с плоским резонатором никаких признаков затухания пичковой генерации не наблюдается, напротив, налицо тенденция к последовательному возрастанию амплитуды пичков генерации, развивающихся из остаточного излучения предыдущих импульсов.
Возникновение высокочастотной модуляции излучения происходит в моменты времени, в которых резко изменяется скорость нарастания мощности излучения. Именно к такой динамике должен приводить квантовый эффект кооперативного сверхизлучения.