- •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
6.4.3. Автомодуляция излучения в сложном резонаторе
Сдвиг частоты, связанный с рефракционной нелинейностью активной среды лазера, приводит к дополнительному автомодуляционному эффекту в случае, когда отражатель лазерного резонатор образован несколькими отражающими поверхностями. Как уже указывалось, частота генерации лазера в пороге вследствие конкуренции мод автоматически настраивается на интерференционный максимум коэффициента отражения системы отражающих поверхностей, образующих зеркало лазерного резонатора. При экспоненциальном нарастании мощности генерации возникающее изменение показателя преломления приводит к отстройке частоты излучения от резонанса. При этом коэффициент отражения резонансного отражетеля уменьшается, а пропускание увеличивается. Если процесс нелинейной отстройки частоты резонатора происходит быстро, за время соответствующее периоду резонатора, то генерируемое излучение не успевает следить за изменением свойств врезонатора. При этом возникает нестационарный эффект автомодуляции излучения.
В простейшем случае отражатель образован двумя поверхностями, например, зеркалом резонатора и торцом активного стержня, нормальным оптической оси резонатора.
а б
Рис. 9.13. (а) Схема лазера. (б)Отражательная характеристика резонансного отражателя. Вертикальными линиями обозначены резонансные частоты основного резонатора, образованного зеркалами R1 и R2 . В приведенном на рисунке случае L1>L2.
Частота генерации в пороге генерации из-за конкуренции мод возникает на частоте, находящейся посредине между i и i+1. Таким образом, при L1>L2 сдвиг частоты на несколько межмодовых интервалов не приводит к изменению коэффициента отражения резонансного отражателя. В этом случае эффект автомодуляции излучения отсутствует.
Иная ситуация возникает при использовании резонатора Фокса-Смита. Генерация возникает на резонансных частотах i или i+1 (рис.9.14). Величина нелинейного дрейфа частоты за время генерации моноимпульса может быть соизмерима с шириной максимума отражения сложного резонатора. Режим генерации лазера при этом напоминает режим открытия резонатора, но происходит не за счет действия электрооптического затвора, а автоматически. Сдвиг частоты генерации приводит к резкому уменьшению коэффициента отражения системы зеркал R, R2, R3. При этом излучение, накопленное в резонаторе, излучается во внешнее пространство в виде короткого импульса.
а б
Рис. 9.14. Схема моноимпульсного лазера с резонатором Фокса-Смита и отражательная характристика резонансного отражателя в случае L1>L2.
Систему зеркал в правой части резонатора можно рассматривать как одно зеркало с эффективным коэффициентом отражения 2, зависящим от частоты генерируемого излучения ,
.
В эксперименте использовались зеркала с коэффициентами отражения R = 0,69; R1 =R2= 1. L1 = 85 см, L2 = L3 = 17 см. Поэтому в пороге генерации эффективный коэффициент отражения системы зеркал R, R2, R3 равен единице. Активный элемент – рубиновый стержень диаметром 8 мм с длиной активной части 120 мм. Накачка осуществлялась импульсной газоразрядной лампой. Для модуляции добротности резонатора применялся просветляющийся затвор (этанольный раствор красителя ПК-169) с начальным пропусканием Т0 = 0,4. С целью уменьшения потерь на второй поверхности светоделительного зеркала рубин ориентировался таким образом, чтобы плоскость поляризации электрического вектора излучения лежала в плоскости рисунка 9.14.
а
б
Рис. 9.15. Осциллограммы моноимпульсного излучения рубинового лазера. (а) плоский резонатор, (б) резонатор Фокса-Смита.
Ввиду недостаточно высокой оптической однородности кристалла рубина пятно излучения на выходе лазера состояло из нескольких интерференционных полос, положение которых зависит от температуры кристалла и энергии импульса накачки. При нелинейном изменении оптической длины кристалла за счет генерируемого излучения система интерференционных полос сдвигается в направлении нормали к оптической оси резонатора. Поэтому эффект автомодуляции излучения, показанный на рис. 9.15б наблюдался при регистрации выходного излучения лазера через диафрагму диаметром 1,5 мм и был невоспроизводимым от вспышки к вспышке. Максимальное, наведенное излучением изменение показателя преломления обеспечивало смену трех интерференционных максимумов на оси резонатора.
Таким образом, эффекты автомодуляции добротности лазерного резонатора в некоторых случаях действительно оказывают существенное влияние на динамику лазера. Однако вопрос о причинах возникновения сверхкоротких импульсов в неселективном лазерном резонаторе по-прежнему остается открытым. Рассмотренные эффекты автомодуляции слишком слабы и инерционны для ударного возбуждения устойчивого лазерного резонатора на ранних стадиях развития генерации, когда и возникают высокочастотные колебания интенсивности с характерными временами меньшими, чем период резонатора.