19.2.2. Сравнение с экспериментом

Многие из этих теоретических предсказаний были подтверждены измерениями фотоэлектрических отсчетов для двух мод гелий-неонового неоднородно уширенного кольцевого лазера. На рис. 19.5 приведена схема установки, которая использовалась в одной серии измерений. Кольцевой лазер имел два плоских и два вогнутых зеркала, расположенных в углах квадрата со стороной 12.5 см. В одном плече резонатора располагалась гелий-неоновая плазменная трубка. Одно из зеркал монтировалось на пьезоэлектрический кристалл, что позволяло изменять частоту резонатора. Острие ножа, приводимое в движение другим пьезоэлектрическим двигателем и введенное в одно плечо резонатора, выступало в качестве переменного источника потерь и позволяло перемещать рабочую точку лазера из области ниже порога в область выше порога. Средняя интенсивность света с помощью контрольного фотоэлемента поддерживалась постоянной, вопреки «уходам», вызванным отрицательной обратной связью. Свет, испускаемый двумя противоположно распространяющимися модами, падал на два фотоумножителя, выходные импульсы которых, после усиления и формирования, подсчитывались, в конце концов, счетчиком в течение интервалов длительностью Это давало среднюю интенсивность света а также относительную флуктуацию интенсивности как описано в разд. 14.9. Скорость совпадений импульсов от обоих каналов давала меру взаимной корреляции

Рис. 19.5. Блок-схема экспериментальной установки, использованной для измерений числа фотоотсчетов на гелий-неоновом лазере (M-Tehrani and Mandel, 1978b). 1 - кольцевой лазер, 2 — контроль, 3 — контрольный ФЭУ, 4 - счетный ФЭУ, 5 - усилитель и дискриминатор, 6 — фильтры, 7 — схема совпадений, 8 — счетчик, 9 — затвор, 10 — генератор импульсов, 11 — контроль счета, 12 — накопитель

На рис. 19.3 и 19.4 показаны результаты измерений, совмещенные с теоретическими кривыми, полученными по формулам (19.2.13) и (19.2.15). Видно, что предсказанные эффекты действительно наблюдались. Рост моды 2 подавляется модой 1, а относительные флуктуации интенсивности моды 2 становятся близкими к единице при существенном превышении порога. В случае большого значения параметра накачки электромагнитные волны, распространяющиеся в одном направлении по кольцу приобретают характеристики когерентного лазерного света, тогда как волны, распространяющиеся в противоположном направлении, имеют характер «теплового» или некогерентного света. Мы здесь имеем поразительное проявление конкуренции мод в лазере, причем большая асимметрия в свойствах двух мод вызвана относительно малой асимметрией соответствующих потерь. Было обнаружено, что конкуренция мод становится менее выраженной при увеличении расстройки, и вдали от центра линии две моды ведут себя, по существу, как моды двух несвязанных одномодовых лазеров (M-Tehrani and Mandel, 1977, 1978а, b).

Выражения (19.2.13) и (19.2.15) предсказывают еще более сильные эффекты конкуренции в однородно уширенном кольцевом лазере, для которого На рис. 19.6 показаны средние значения интенсивностей двух мод, как функции от при Предполагается, что расстройка резонатора равна нулю. Видно, что как только имеется асимметрия и мода 1 не только подавляет рост моды 2 с увеличением но фактически обращает интенсивность последней в нуль. На рис. 19.7 показаны относительные флуктуации интенсивности каждой моды как функции Несмотря на то, что флуктуации моды 1 стремятся к нулю при увеличении накачки и при флуктуации моды 2 могут существенно превысить единицу, хотя они стремятся асимптотически к единице при Большие относительные флуктуации интенсивности часто связаны с процессами типа «включение — выключение», и мы далее увидим, что такое переключение действительно может иметь место в двухмодовом лазере. На рис. 19.8 показана относительная взаимная корреляция, которая опять всегда отрицательна, как функция от . При зависимость от качественно похожа на зависимость для неоднородно уширенного кольцевого лазера. Однако когда относительная взаимная корреляция стремится к нулю при увеличении а, несмотря на то, что как интенсивность так и интенсивность неотрицательны и среднее обеих равно единице. Корреляция может обратиться в нуль только в том случае, если

Рис. 19.6. Теоретическая зависимость средних интенсивностей двух мод кольцевого лазера от параметра накачки при различных значениях и при (Singh and Mandel, 1979)

Рис. 19.7. Теоретическая зависимость относительных флуктуаций интенсивности двух мод кольцевого лазера от параметра накачки при различных значениях и при (Singh and Mandel, 1979)

Рис. 19.8. Теоретическая зависимость взаимной корреляции двух мод кольцевого лазера от параметра накачки при различных значениях и при (Singh and Mandel, 1979)

интенсивность одной моды равна нулю, а интенсивность второй — нет, что означает переключение возбуждения между двумя противоположно распространяющимися модами. Мы еще вернемся к обсуждению данного явления в разд. 19.4.