18.6.2. Экспериментальные исследования

Некоторые из вышеупомянутых свойств динамики лазера были проверены в экспериментах по фотоэлектрическому счету, в которых лазер включался при различных режимах возбуждения (Arecchi, Degiorgio and Querzola, 1967; Meltzer and Mandel, 1970, 1971; Arecchi and Degiorgio, 1971). На рис. 18.25 показана схема экспериментальной установки, использованной Мельтзером и Манделем. Плазменная трубка, содержащая в качестве активной среды помещалась между зеркалами резонатора. Основной выходящий луч лазера направлялся после ослабления на счетный фотоумножитель, импульсы с которого, после усиления и формирования, подсчитывались электронным счетчиком в течение интервала времени порядка что короче естественного времени роста лазерного поля. Зеркало было установлено на пьезоэлектрический кристалл, что позволяло варьировать длину резонатора в пределах одной или двух длин волн. Поскольку активная среда была неоднородно уширена, можно было менять число атомов, участвующих в работе лазера и, следовательно, менять параметр усиления лазера, перестраивая резонатор. С помощью контрольного фотоумножителя и усилителя, включенных в цикл обратной связи, рабочая точка лазера в стационарном состоянии могла поддерживаться где-то между уровнями «ниже» и «значительно выше» порога. Для быстрого включения и выключения системы использовалось внешнее зеркало которое помещалось на оси лазера так, чтобы отражаемый луч был в достаточной для погашения лазера степени расфазирован по отношению к стоячей волне в резонаторе. Ячейка Поккельса и два поляризатора, помещенные между зеркалом и лазером, позволяли эффективно блокировать возвращающийся луч в течение нескольких наносекунд при помощи импульса, прикладываемого к ячейке Поккельса. Это блокирование приводило к включению лазера. Импульс, инициирующий включение,

Рис. 18.25. (см. скан) Блок-схема экспериментальной установки, использованной для исследования временной эволюции поля гелий-неонового лазера после момента включения последнего (Meltzer and Mandel, 1971). 1 - ФЭУ для счета фотонов, 2 — Диафрагма, 3 — Нейтральный фильтр, 4 — Делитель пучка, 5 — Поляризатор, 6 — Интерференционный фильтр, 7 — Красный фильтр, 8 - He:Ne - лазер, 9 — Пьезоэлемент, 10 — Ячейка Поккельса, 11 — Контроль интенсивности (выключен ли лазер?), 12 - Контрольный Усилитель обратной связи, 14 — Высоковольтный переключатель, 15 — Усилитель, 16 — Дискриминатор, 17 — Счетчик, 18 — Схема контроля, 19 — Задержка, 20 — Затвор, 21 — Анализатор, 22 — Регистр адреса, 23 — Схема счета

посылался также через различное время задержки на электронный затвор, который контролировал положение микросекундного интервала счета фотонов по отношению к инициирующему импульсу. Число отсчетов регистрируемое счетчиком в конце интервала счета, использовалось для приращения числа, хранящегося по адресу цифрового запоминающего устройства. После этого лазер гасился, счетчик очищался, и цикл повторялся заново. Число, хранящееся по адресу после многих тысяч повторений подобных циклов счета, дает меру вероятности того, что через время задержки после инициирующего импульса было сосчитано фотонов. Как известно из гл. 14, в случае кротких интервалов счета вероятность связывается с плотностью вероятности с помощью соотношения [ср. (14.8.12)]

где а — масштабный множитель, который преобразует среднюю интенсивность света в наших безразмерных единицах в среднюю за секунду скорость счета за интервал счета Данное выражение позволяет проверить предсказываемую форму по результатам измерений числа фотоотсчетов. В частности, факториальные моменты величины пропорциональны моментам интенсивности света так что

Последние формулы позволяют подвергнуть непосредственной экспериментальной проверке теоретические кривые, приведенные на рис. 18.23 и рис. 18.24. Результаты измерений, показанные точками на этих рисунках, подтверждают динамические предсказания лазерной теории. Сложнее непосредственно проверить кривые, приведенные на рис. 18.22, поскольку трудно инвертировать выражение (18.6.29) и получить Однако можно использовать выражение (18.6.29) для сравнения измеренных вероятностей

Рис. 18.26. (см. скан) Сравнение экспериментально измеренных распределений с теоретическими (18.6.25) и (18.6.27), при различных значениях времени задержки выраженного в единицах Стационарные значения параметра накачки равны: работы Meltzer and Mandel, 1971)

с вероятностями, которые следуют из теоретически полученной формы по формуле (18.6.25). Результаты показаны на рис. 18.26 для трех различных значений параметра накачки а. Экспериментальные точки опять оказываются в очень хорошем согласии с теоретическими кривыми.