- •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
Yi. Автомодуляция излучения в лазерном резонаторе
6.1. Динамика свободной генерации рубинового лазера. Сравнение теории с экспериментом
Определение параметров лазера: скорости накачки и коэффициента усиления с точностью ~ 1% на основе данных предыдущего раздела позволяет провести количественное сравнение динамики свободной генерации рубинового лазера с расчетами на основе вероятностного метода [21]. Изучалась зависимость амплитуды и длительности импульсов свободной генерации в зависимости от коэффициента потерь резонатора и мощности ламповой накачки. При этом оказалось, что теория, основанная на рассмотрении усредненных по длине резонатора значений плотности мощности изллучения не дает удовлетворительного описания динамики излучения лазера, работающего в режиме свободной генерации.
А Б
Рис. 9.1. Зависимости длительности импульсов свободной генерации рубинового лазера от мощности накачки (А) и потерь лазерного резонатора (Б).
Кривые 1 – экспериментальные зависимости для потерь резонатора 0,1 см-1А, Б – скорость накачки 5,7 10-3 сек-1. Значения потерь резонатора для расчетных кривых, А: 0,04; 0,07; 0,1; 0,14; 0,17; 0,2 см-1 кривые 2 – 7 соответственно. Значения скорости накачки для расчетных кривых 2 - 7 ,Б: 7,8; 6,6; 5,4; 4,2; 3,0; 1,8 сек-110-3 соответственно.
На рисунках 9.1 видно, что лазер во всех случаях генерирует значительно, примерно в 5 раз более короткие импульсы, чем это следует из расчетов. В случае соответствия теории с экспериментом кривые 1 на рис. 9.1 А и Б должны совпадать с кривыми 4. Из расчетов следуют также более сильные зависимости длительности импульсов от изменения коэффициента усиления и скорости накачки, хотя они и правильно предсказывают характер рассчитываемых зависимостей.
Рис. 9.2. Зависимость относительной максимальной мощности выходного излучения рубинового лазера от мощности накачки.
Точки – экспериментальные данные, измеренные для лазера с потерями 0,1 см-1 должны ложиться на прямую 4. Коэффициент потерь для расчетных прямых 1 – 6 равен соответственно: 0,2; 0,17; 0,14; 0,1; 0,07; 0,04 см-1.
Относительная пиковая мощность пичков генерации лазера в 5 раз превышает расчетные значения, так как точки на графике рис. 9.2 должны ложиться на прямую 4.
Существенные расхождения расчетных и опытных данных на рис. 9.1 и 9.2 имеет стабильный, воспроизводимый и однозначный характер и их невозможно объяснить существованием каких-либо технических причин, например, флуктуацими длины резонатора или термооптическими искажениями активного элемента под действием накачки. Для объяснения существующего расхождения необходимо считать, что действующее значение превышения коэффициента усиления лазера над потерями во время развития пичка генерации существенно превышает расчетное значение.
Рис. 9.3. Зависимость скорости нарастания интенсивности от коэффициента потерь резонатора для второго пичка свободной генерации рубинового лазера. Вероятностная теория предсказывает обратную зависимость – уменьшение крутизны фронтов с ростом потерь (см. рис. 9,2 Б). Измерения проведены по методике, описанной в следующем разделе.
Наблюдаемое систематическое расхождение опытных данных с расчетными значениями по-видимому следует объяснять не эффектами автомодуляции потерь лазерного резонатора, как предполагалось ранее, а эффектом когерентного взаимодействия излучения с ансамблем активных частиц среды. Более конкретно со сверхизлучением активной среды лазера. В пользу этого предположения свидетельствует факт увеличения скорости нарастания интенсивности импульса излучения с ростом абсолютного значения коэффициента усиления лазера, то есть с ростом концентрации возбужденных частиц, взаимодействующих с полем излучения (рис. 9.3).
Дополнительные опытные данные в пользу этого предположения были получены при исследовании лазерного излучения в широком динамическом диапазоне изменения его интенсивности.