6. Спектр излучения лазера

Итак, атомная спектральная линия обладает нек-рой шириной ДА,_Л. Если эта ширина меньше разности частот между двумя собст­венными частотами резонатора (v_n — v_n i), т. е. если Avj!^^!,,

то в пределах спектральной линии может возбуждаться только

одно резонансное колебание резонатора v_n (рис. 21). В этом случае

Рис. 21. Излучение лазера

р™Г^Р2те™^,ной^СЛИл1^ AVjj < c/2L, где L — рас-

^ст_—^яни^е _Мтьк^ду_р ^{зеркалами},

излучение Л. будет монохроматическим. Действительно,

начально за счет спонтанного излучения будет испущен свет во всем контуре спектральной линии. Однако резонатор, образован­ный зеркалами, сразу вырезает более узкую полосу частот Av_p. В дальнейшем интенсивность световых волн, частоты к-рых равны собственной частоте резонатора v_n, будут испытывать наибольшее усиление, что при многократном прохождении резонатора при­ведет к доминированию частоты v₀ над всеми остальными частота­ми — свет будет монохроматическим.

Правда, строго монохроматическим он будет только в идеаль­ном случае. В реальном Л. спонтанное излучение и непостоянство расстояния между зеркалами L, вызываемое механич. дрожанием установки, нагреванием вещества и т. д., делает свет не абсолютно монохроматичным. Но все же полоса частот Дг_л, занимаемая лазер-

5

Квантовая электроника

ным излучением, намного меньше и Av₄ и Av_n, так что генерируе­мый свет очень близок к монохроматическому.

Если же в ширину спектральной линии попадает неск. собствен­ных частот резонатора Av_JX > c/2L, то возможна генерация сразу на неск. частотах v_n, попавших в пределы спектральной линии. Излу­чение Л. становится немонохроматичным: оно будет состоять из

п -2

Рис. 22. а — широкий спектр излучения лазера имеет место в случае, если ширина спектральной линии Av_r[ > c/2L; v , v _v v _t ~ собственные

частоты резонатэра Фабри - Перо.

целого набора частот (рис. 22), хотя генерация на каждой собствен­ной частоте будет почти монохроматичной (с точностью до оговорок, сделанных выше).

Интересно проследить, как возникает генерация на различных частотах Л. по мере увеличения энергии накачки (рис. 23). Пока

Усиление за счет 4, вынужденного излучения ^1 \

Пороговое усиление

мощность накачки мала и обеспечивает такое число ак­тивных частиц, при к-ром усиление активной среды меньше порогового (тонкая линия), генерация не воз­никает. При увеличении мощности накачки условия генерации выполняются, в первую очередь, для той частоты, к-рая наиболее

близка к резонансной ча­стоте рабочего вещества v₀ (жирная линия). При этом возникает монохроматич. излучение сравнительно не­большой мощности. Даль­нейшее увеличение мощ­ности накачки приводит

*- V

частота

к увеличению генерируемой

мощности на частоте v₀, но с неизбежностью приводит и к тому, что начнется гене­рация на соседних часто­тах v_n.^ и v_n+1 (пунктир)

и т. д. В результате излучение Л. станет более мощным, но менее монохроматичным. Однако несмотря на это, степень монохроматич­ности излучения Л. намного выше монохроматичности любого др. источника света.

При определенных условиях волны с различными частотами мо­гут интерферировать друг с другом. Это приводит к гашению их в нек-рые моменты времени и резкому усилению в др. моменты. В результате Л. вместо непрерывного излучения (или длинного им­пульса) генерирует серию очень коротких импульсов. Эти импульсы тем короче и мощнее, чем большее число волн с различными часто­тами будут интерферировать. Т. о. удалось получить сверхкороткие импульсы длительностью 10~¹² сек.