Измерение спектральных характеристик излучения окг
Под измерением спектральных характеристик понимается количественное определение параметров, характеризующих спектр лазерного излучения. Спектральные приборы, предназначенные для измерений оптических спектров с помощью фотоэлектрических приемников излучения, называются спектрометрами.
Прежде
чем рассмотреть методы, используемые
для измерения спектральных характеристик
ОКГ, необходимо кратко остановиться на
вопросе, связанном с формированием
спектра излучения и его особенностях.
В общем случае ОКГ представляет собой
устройство (рис.35), состоящее из двух
зеркал (1), активной среды (2), расположенной
между ними и блока накачки (3). Спектр
излучения лазера формируется при
взаимодействии излучения активной
среды и оптического резонатора,
образованного зеркалами.
Резонансные свойства системы двух плоскопараллельных зеркал
Коэффициент отражения зеркал, как правило, не очень сильно зависит от длины волны. Поэтому можно было бы предположить, что в пространстве между зеркалами могут существовать световые волны любой длины волны. Однако из-за интерференции световых волн в пространстве между двумя зеркалами возможно развитие электромагнитных колебаний только строго определенных длин волн.
Между двумя зеркалами распространяются две волны: падающая на зеркало и отраженная от него. Из-за интерференции они могут гасить друг друга или взаимно усиливаться в зависимости от того, какую они имеют фазу. Фаза отраженной волны может совпадать с фазой падающей только в том случае,
к
огда
между зеркалами укладывается целое
число полуволн
.
Таким образом, при заданной длине L
между отдельными зеркалами могут
существовать только такие электромагнитные
колебания, длины волн которых определяются
формулой
(n
– целое число). Отсюда видно, что два
зеркала являются для световых волн
резонатором получившим название
открытого резонатора или резонатора
Фабри-Перо, который резонирует на
определенных (собственных) частотах:
n(6),
где с
– скорость света. Интервалы между
соседними частотами одинаковы и равны
(рис. 36, а).
В действительности, спектр собственных колебаний резонатора более сложный из-за того, что каждая частота, определяемая формулой (6), расщепляется на ряд близко расположенных частот.
Реальные зеркала лазера никогда не могут иметь коэффициент отражения, равный 100 %. Потери в зеркалах, связанные с выходом излучения наружу и с поглощением в самом материале зеркала, приводят к тому, что условия резонанса выполняются для небольшой полосы р частот вблизи каждой из собственных частот резонатора n (рис. 36 б).
Формирование спектра излучения лазера
Энергия
частиц, составляющих атомы активной
среды, может принимать только строго
определенные значения. Эти значения
энергии 1,
2,...n
называются уровнями энергии. Энергетический
спектр атома представляет собой «нижний»
уровень с минимальной энергией и
называется основным, остальные –
возбужденными (рис. 37). Число атомов,
обладающих данной энергией, называется
населенностью уровня. Если атому,
находящемуся на основном уровне, сообщить
дополнительную энергию, он может
совершить скачкообразный переход на
один из возбужденных уровней. Наоборот,
возбужденный атом может самопроизвольно
(спонтанно) или индуцировано (вынужденно)
перейти на один из нижележащих уровней,
излучив при этом квант света. Частота
излучаемого или поглощаемого кванта
света mn
определяется:
,
где
h
– постоянная Планка;
,
– рассматриваемые уровни энергии.
Спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах. В процессе спонтанных переходов атомы излучают свет независимо один от другого с разными фазами. Поэтому спонтанное излучение некогерентно. Чтобы практически получить вынужденное излучение под действием внешней электромагнитной волны необходимо выполнить ряд условий. При этом атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадает с характеристиками внешней волны, действующей на атом.
Необходимо осуществить инверсию населенностей, т. е. чтобы из двух выбранных уровней верхний уровень был заселен больше, чем нижний. Инверсия населенностей достигается накачкой. Кроме того, чтобы возникла генерация света, усиление в активном веществе должно превышать некоторое значение, называемое пороговым.
Для того чтобы свет управлял излучением атомов необходимо активное вещество поместить в оптический резонатор. При этом часть излучаемой энергии, распространяясь внутри активного вещества, усиливается за счет вынужденного испускания фотонов все новыми и новыми атомами, вовлекаемыми в процесс излучения. Это осуществляется с помощью зеркал, которые обеспечивают положительную обратную связь.
До
сих пор предполагалось, что излучение
лазера абсолютно монохроматично и его
частота однозначно определяется
разностью энергий двух выбранных
энергетических уровней. В действительности
же излучение лазера содержит спектр
частот. Это связано с тем, что уровни
атомов и молекул несколько размыты.
Соответствующая им энергия имеет не
строго определенное значение, а может
принимать любые значения в узком
энергетическом интервале .
Одна из причин такого расширения уровней
состоит в том, что атом практически
никогда не является изолированным –
он находится в соседстве с другими
атомами и взаимодействует с ними, а это
придает спектральным линиям конечную
ширину л
(рис. 38).
Если ширина спектральной линии меньше разности частот между двумя собственными частотами резонатора (n – n–1), т. е. если л < с/2L, то в пределах спектральной линии может возбуждаться только одно резонансное колебание n (рис. 39). В этом случае излучение лазера будет монохроматическим.
Если же в ширину спектральной линии попадает несколько собственных частот резонатора л > с/2L, то возможна генерация сразу на нескольких частотах n, попавших в пределы спектральной линии. Излучение лазера становится немонохроматичным: оно будет состоять из целого набора частот (рис. 40), хотя генерация на каждой собственной частоте будет монохроматичной.
Рассмотрим влияние уровня накачки на спектр излучения лазера (рис. 41). При малых уровнях накачки, когда усиление активной среды меньше порогового, генерация не возникает. При увеличении мощности накачки условия генерации выполняются для той частоты, которая наиболее близка к резонансной частоте рабочего вещества 0. При этом возникает монохроматическое излучение сравнительно небольшой мощности. Дальнейшее увеличение мощности накачки приводит к увеличению генерируемой мощности на частоте 0, но и начинается генерация на соседних частотах n–1 и n+1, приводит к расширению спектра излучения лазера.
Таким образом, ширина спектра излучения лазера, количество генерируемых типов колебаний (мод) и положение линии генерации на шкале длин волн определяется множеством факторов.
В задачи измерений спектральных характеристик излучения ОКГ входит: определение числа одновременно генерируемых спектральных компонентов, изучение их временной динамики, измерение ширины линии генерации (контура усиления), определение частотных интервалов между модами и распределение интенсивности между типами колебаний.
Эти измерения являются относительными измерениями в спектре, когда определяются положения и интенсивности спектральных компонентов друг относительно друга в отличие от абсолютных, при которых определяется положение генерируемого компонента на шкале длин волн.