§ 4. СПЕКТРАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

В главе 3 изложена элементарная теория затухающего гармонического осциллятора. Исходя из классической модели излучения атома (иона) как затухающих во времени электромагнитных колебаний, мы определили длительность излучения, которая связана простым соотношением с шириной спектральной линии излучения [выражение (3.10)]. Если излучающий атом находится в состоянии покоя и не взаимодействует с другими атомами, ширина линии считается естественной. В действительности атомы не являются изолированными; тепловое движение и обусловленные им соударения приводят к значительному уширению линии. В газе при низком давлении важнейшую роль играет доплеровское уширение, возникающее при движении источника (атома, иона). Для иллюстрации этого уширения на рис. 8.9, а представлен контур фактической линии

Рис. 8.9. (см. скан) а — Доплеровски-уширенная эмиссионная линия, эмиссионная линия естественной ширины и резонансные линии интерферометра Фабри — Перо; набор линий, на которых потенциально возможно возбуждение лазерной генерации; в — зависимость числа возможных мод от величины усиления в системе, обусловленная различиями в потерях для разных мод [4, 7, 8].

излучения ансамбля атомов. Показаны также положения последовательных продольных мод резонатора Фабри — Перо. В случае неоднородно уширенной линии (см. гл. 5, § 4) в резонаторе Фабри — Перо могут одновременно возбуждаться группы линий, отстоящие друг от друга по частоте на Для заданной группы линий коэффициент (число полуволн, укладывающихся вдоль отрезка длиной постоянен. Одному значению могут соответствовать различные поперечные моды, отличающиеся своими частотами и

распределениями поля по поперечному течению. Если спектральная линия атома однородно уширена, наступает равномерное насыщение усиления для всех линий, поэтому генерация на одной моде, как правило, исключает возбуждение неоптимальных мод. На рис. 8.9, б показаны продольные моды, для которых существует потенциальная возможность возбуждения, вместе с группами сопутствующих им поперечных мод. Поскольку потери в резонаторе для поперечных мод выше, чем для продольных (см. рис. 7.9), их возбуждение требует более высокого коэффициента усиления активной среды. Это схематически показано на рис. 8.9, в. В типичном резонаторе газового лазера длиной см продольные моды отстоят друг от друга по частоте на МГц. Полуширина эмиссионной линии неона при рабочей температуре в лазере зависит от типа используемого квантового перехода. Для трех наиболее известных переходов в неоне полуширина линии равна

Разнос по частоте между продольной модой и сопутствующими поперечными модами составляет обычно от 0,2 до 5 МГц, и разделить их нелегко в отличие от продольных мод, которые поддаются отождествлению с помощью хорошего интерферометра Фабри — Перо (рис. 8.10). Меняя длину резонатора, можно поочередно возбуждать продольные моды, укладывающиеся в пределах уширенной линии флюоресценции. Если резонатор очень короткий, значениё может превышать ширину линии, и в резонаторе лазера возбуждается только одна мода. Число поперечных мод, которые возбуждаются одновременно с продольными, очень чувствительно к положению зеркал. Этот эффект особенно заметен при диаметре разрядной трубки лазера, равном 7—10 мм. На рис. 8.11 показаны разнообразные модовые структуры, полученные путем перестройки одного из зеркал лазера.

Естественная ширина спектральной линии зависит прежде всего от времени жизни верхнего возбужденного состояния. Для «лазерной» линии неона она составляет 16 МГц.

Наконец, очень существенную роль играет ширина линии пассивного резонатора Фабри — Перо, она зависит от расстояния между зеркалами и коэффициента отражения зеркал. Если см, а коэффициенты отражения обоих зеркал одинаковы и равны 0,99, указанная ширина составляет 1 МГц; это значение уменьшается до нескольких сотен килогерц, если коэффициенты отражения зеркал увеличить до 0,998, что достижимо при современной технологии напыления отражающих диэлектрических слоев.

(кликните для просмотра скана)

Рис. 8.11. (см. скан) Структура мод гелий-неонового лазера с разрядной трубкой диаметром мм (отдел квантовой электроники Института физики Университета им. Адама Мицкевича).

Чрезвычайно интересную попытку увеличения длины оптического резонатора газового лазера на нейтральных атомах до значения 30 км предприняли в 1974 г. Линфорд с сотрудниками [9]. Эксперимент был осуществлен на юге Калифорнии. Схема эксперимента представлена на рис. 8.12. Две ксеноновые усилительные разрядные трубки на длину волны 3,508 мкм были помещены в оптический резонатор, длина которого постепенно увеличивалась от 22 м до 30 км. Ксеноновый лазер был исключительно удобен для целей эксперимента благодаря чрезвычайно высокому усилению (от 30 до 40 дБ на 1 м разрядной трубки) и слабому поглощению излучения с длиной волны 3 мкм в атмосфере. Разрядные трубки лазера

(кликните для просмотра скана)

имели длину диаметр от 5 до 7 мм, давление ксенона составляло около 5 мм рт. ст. Использование более длинных разрядных трубок нецелесообразно из-за появления суперлюминесценции (сверхизлучения), т. е. генерации излучения трубкой при большом усилении спонтанного испускания. Сверхизлучение приводит к уменьшению инверсии в системе, т. е. насыщению лазерного пучка. Согласно Линфорду, должно выполняться следующее условие для коэффициента усиления излучения в условиях, далеких от насыщения:

где — суммарный оптический КПД длинного резонатора (учитывающий все дифракционные потери), Т — пропускание атмосферы на один проход, — коэффициенты отражения зеркал.

Чтобы уменьшить расходимость пучка, в резонаторе были помещены специальные реколлиматоры. Эти устройства не требуют оптической юстировки. Достаточно установить их по оси системы. Действие реколлиматоров аналогично действию призмы, использующей явление полного внутреннего отражения.

Ксеноновый лазер работал достаточно стабильно, когда длина резонатора не превышала 6 км. После ее увеличения до 30 км лишь спорадически наблюдались кратковременные вспышки лазера. В этом случае лазерной генерации препятствовали слишком большие флуктуации плотности атмосферы. При значительных размерах резонатора разнос по частоте между соседними продольными модами может быть очень мал. При км разница частот составляет

Время обхода резонатора достигает Естественная ширина эмиссионной линии в ксеноне равна МГц. Увеличивая длину резонатора от нескольких метров до нескольких километров, можно постепенно увеличивать число возбуждаемых мод, помещающихся в пределах ширины линии (140 МГц). Если

то возбуждается только одна мода, если же

число мод может увеличиться. Линфорд указывает, что если внутри резонатора находится лазерный усилитель с неоднородно уширенной линией, изменение длины резонатора позволяет исследовать переход от неоднородно уширенной структуры мод к однородно

уширенной. Это дает возможность определить естественную ширину эмиссионной линии в ксеноне. Следует также подчеркнуть большое фундаментальное и прикладное значение подобных экспериментов.