3) Другие причины уширения спектральной линии.

В твердых активных средах причинами уширения могут быть:

-тепловые колебания кристаллической решетки, воздействующие на излучающие центры и модулирующие их колебания ;

-неоднородность физических параметров среды

1.6. Принцип действия лазера

Чтобы создать квантовый усилитель или генератор необходимо решить три основные задачи:

1. Подобрать рабочее (активное ) вещество с уровнями энергии Е₁ и Е_2, удовлетворяющими условию Е₂ – Е₁ = h ,

2. Перевести вещество в инверсное состояние, т.е. создать условие инверсионной населенности N₂ > N_1,

3. Обеспечить наиболее эффективное усиление с максимальной мощностью.

Принципиально можно обеспечить усиление в устройстве, показанном на рис.1.12.

рис.1.12

На рис.1.12 обозначено :

I₀ – интенсивность входного излучения,

I – интенсивность выходного излучения,

1 - волновод,

2 - активное вещество.

Интенсивность I на выходе устройства связана с интенсивностью I₀ на входе законом Бугера

I ( ) = I₀( ) exp - L, (2.1)

где -коэффициент ослабления излучения, зависящий от частоты ,

L – длина пути излучения в веществе.

Для усиления излучения необходимо выполнение условия <0, что обеспечивается созданием инверсной населенности энергетических уровней с помощью накачки.

Существует ряд причин, которые накладывают определенные ограничения на возможность усиления вынужденного излучения. Среди них основными являются:

• ограничения конструктивно- технологического характера, вызванные требуемыми ограниченными размерами активного вещества (L),

• ограничения, связанные с внутренними оптическими потерями в активном веществе из-за возникновения паразитных побочных излучений.

Для того, чтобы устранить эти оба ограничения, т. е. действующую эффективную длину L квантового усилителя, не увеличивая его размеров, и одновременно уменьшить потери на побочное излучение, в усилитель вводится положительная обратная связь, при которой часть усиленного сигнала по цепи обратной связи подается на вход усилителя.

Схема квантового усилителя с обратной связью представлена на рис.1.13.

рис.1.13

1.7. Оптические резонаторы.

В квантовом усилителе активное вещество помещается в оптический резонатор, представляющий собой систему из двух зеркал, которые, благодаря переотражению излучения, обеспечивают эффект положительной обратной связи. Излучаемые активным веществом световые волны распространяются вдоль оси резонатора, многократно отражаются от зеркал, проходя каждый раз через активное вещество. При этом каждый цикл переотражения излучения сопровождается его усилением. Одно из зеркал является полупрозрачным и служит для вывода излучения. Усиление и генерация реализуются на собственных (резонансных) частотах оптического резонатора, при этом в резонаторе возбуждается световое поле в виде набора стоячих волн, которые возникают из-за синхронного сложения отраженного от зеркал индуцированного и возбуждающего излучений.

При нормальном падении света на зеркала параллельно оптической оси резонатора стоячие волны возбуждаются при условии:

q / 2 =L, (2.2)

где q – целое число.

Например, при длине резонатора L = 1 м, длине волны = 600 нм =6 10^-7 м, получаем q = 2 / 6 10^-7 = 3, 3 10^6, т. е более 3 миллионов полуволн.

Переходя к шкале частот, получим

= qc / 2L, (2.3)

где с – скорость света.

Очевидно, что на той же длине резонатора L установятся также колебания с частотой

= (n + 1) c /2L и т. д. (2.4)

Называя каждую систему колебаний модой, можно сказать, что в лазере устанавливается ряд продольных мод, соответствующих разным значениям целого числа в формуле

Соседние моды имеют постоянный сдвиг по частоте

= - (2.5)

При L = 1м = 150 10⁶ Гц

Кроме продольных мод, распространяющихся вдоль оптической оси резонатора, в последнем возникают так же так называемые поперечные моды, представляющие собой световые волны, распространяющиеся под различными углами к оптической оси резонатора. Для полной характеристики светового поля в оптическом резонаторе, необходимо знать распределение амплитуды и фазы поля в плоскости зеркал, которое определяется поперечными модами. Отдельную моду резонатора обозначают ТЕМ_mnq, но т. к. q велико, то в обозначениях типов колебаний этот индекс опускается и моды обозначаются ТЕМ_mn. Число m показывает сколько раз амплитуда поля меняет знак в направлении от центра зеркала к периферии. Число n показывает сколько раз амплитуда поля меняет знак при повороте на 180 ⁰. Таким образом, m – это число полуволн, укладывающееся по радиусу зеркала, а n – число полуволн, укладывающееся по длине окружности зеркала.

Некоторые типы колебаний ТЕМ_mn показаны схематически на рис.1.14.

рис.1.14

Стрелки показывают ориентацию вектора напряженности электрического поля в плоскости зеркал.

рис.1.15

На рис.1.15 изображены распределения интенсивности излучения для мод ТЕМ₀₀ и ТЕМ₁₀. Мода ТЕМ₀₀ является основной модой. Основная мода резонатора имеет максимальную световую интенсивность, высокую степень когерентности, минимальную расходимость и высокую степень монохроматичности. Поэтому при проектировании оптических резонаторов их геометрические параметры выбираются из условия возбуждения основной моды и погашения неосновных продольных и поперечных мод, которые являются для резонатора паразитными, поглощающими дополнительную энергию и, таким образом, ослабляя основную моду. Для ослабления паразитных поперечных мод в резонатор вводятся специальные диафрагмы с отверстиями, пропускающие основную и близкие к ней моды и отфильтровывающие паразитное излучение.

Тема 2. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ И ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ