Главная > Введение в физику лазеров
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

§ 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.

1
Оглавление
email@scask.ru