2.4.3 Одномодовая и многомодовая генерация

Реально, оптический резонатор имеет набор продольных и поперечных собственных типов колебаний (мод). Частоты продольных мод отделены друг от друга интервалом , где - оптическая длина резонатора с учетом показателя преломления активного вещества. Поперечные моды группируются около продольных мод. В оптическом диапазоне обычно ширина спектральной линии излучения превышает частотный интервал между модами и в пределы спектральной линии попадает большое количество мод. Поэтому генерация лазерного излучения имеет многомодовый характер. Генерация лазерного излучения высокой когерентности (одномодовая генерация) возможна только при подавлении многомодовой генерации. Однако многомодовая генерация может быть полезна для генерации мощных импульсов излучения очень короткой длительности. Поскольку временной интервал между соседними частотами равен , то при сложении N колебаний продольных мод с одной и той же фазой возможна генерация сверх импульсов с длительностью . При N порядка и интервала между соседними продольными модами Гц возможно получение импульсов с длительностью В импульсных лазерах синхронизация продольных мод осуществляется за счет помещения в оптический резонатор нелинейного просветляющего фильтра, в котором коэффициент оптического поглощения резко падает под действием излучения. В непрерывных лазерах синхронизация мод осуществляется путем модулирования энергии накачки с частотой, равной межмодовому интервалу.

2.4.4. Пространственная когерентность и расходимость лазерного пучка

Пространственная когерентность обусловлена корреляцией фазы колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени. Корреляцию колебаний в определенной точке пространства можно наблюдать только в определенном интервале времени; называемом временем когерентности, а путь, проходимый оптическим пучком за это время – длиной когерентности. Так для солнечного света чему соответствует длина когерентности равной долям микрометра. Для одночастотных лазеров может доходить до долей секунды, а измеряется многими тысячами километров. Степень когерентности определяет устойчивость интерференционной картины в пространстве и во времени двух взаимодействующих когерентных оптических пучков.

Пространственная когерентность определяет форму волнового фронта лазерного излучения и его расходимость. Распределение интенсивности излучения I для нулевой моды описывается функцией Гаусса и имеет вид (рис. 2.6.1), а для спонтанного излучения контур линии имеет лоренцову форму (рис. 2.6.2).

Рис. 2.6. Гауссова (1) и лоренцова (2) формы линий

Расходимость определяется генерируемой модой резонатора и оптической однородностью активной среды. Наименьшим углом расходимости обладает основная продольная мода резонатора, а поперечные моды не позволяют достичь минимального угла расходимости. Оптические неоднородности в активной среде влияют на структуру волнового фронта волны и могут увеличивать расходимость лазерного пучка. Помимо угловой ширины диаграммы направленности лазерного пучка существует и понятие энергетической расходимости, характеризующей угловое распределение энергии или мощности лазерного пучка

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются спонтанное и вынужденное излучение?

2. Что такое когерентность лазерного излучения?

3. Что такое монохроматичность оптического излучения?

4. Как происходит генерация лазерного излучения в многоуровневых системах?

5. Что такое положительная обратная связь в лазере?

6. Что такое добротность оптического резонатора?

7. какие режимы работы лазера вы знаете?

8. Что такое одномодовый и многомодовый режимы генерации?

Рекомендуемая литература

1. Щука А.А. Наноэлектроника. Учебное пособие. Москва, Физматкнига, 2007.

2. Дудкин В.И., Пахомов Л.Н. основы квантовой электроники. Учебное пособие. СПб, издательство СПбГТУ, 2001.

3. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридгин В.А. основы наноэлектроники. Учебное пособие. Москва, Физматкнига, 2006.