Повна версія

Головна arrow Товарознавство arrow Електроніка

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

УМОВИ БАЛАНСУ ПОТУЖНОСТІ І ФАЗ В ЛАЗЕРАХ (ОПТИЧНИХ КВАНТОВИХ ГЕНЕРАТОРАХ)

Поле в резонаторі можна уявити, як суму хвиль, що поширюються в протилежних напрямках і відбиваються від дзеркал. Якщо крім коефіцієнтів відбиття від дзеркал г 1 і г 2 врахувати створювані ними дифракційні втрати на одиницю довжини активного середовища р, то умова рівноваги в квантовому генераторі можна записати у вигляді

де Ь - відстань між дзеркалами резонатора, а- коефіцієнт посилення на одиницю довжини в активному середовищі.

Останній вираз є умовою балансу амплітуд (потужностей) для існування стаціонарного режиму генерації, при якому вимушене випромінювання компенсує сумарні втрати в системі. Умова балансу фаз представляється в наступному вигляді:

де Дф ,, Дф 2 - зміни фази при відбитті від дзеркал резонатора.

Умова балансу фаз у формулі (17.19) означає, що в сталому режимі генерації хвиля, пройшовши шлях 2 Ь в резонаторі і двічі відбившись від дзеркал, отримує фазовий зсув 2щ, кратний цілому числу періодів. Тим самим в генераторі забезпечується позитивний зворотний зв'язок, завдяки якій безперервно відтворюються коливання незмінною частоти (утворюються стоячі хвилі). Вираз (17.19) за змістом збігається з (17.12).

У формулі (17.18) (баланс потужності) експоненціальне член е 2аЬ описує індуковане посилення, а решта множники в лівій частині рівності характеризують втрати. Звідси випливає, що стаціонарний режим генерації лазера встановиться лише в тому випадку, якщо індуковане посилення в активному середовищі компенсує всі втрати в резонаторі. Таким чином, з формули (17.18) слід умова стаціонарного режиму генерації, яке зводиться до того, щоб коефіцієнт посилення а, мав певне стаціонарне значення

Величина а ст , як випливає з формули (17.11), реалізується при деякої граничної населеності п 2 пір верхнього рівня робочого лазерного переходу.

СПЕКТР І ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИПРОМІНЮВАННЯ КВАНТОВИХ ГЕНЕРАТОРІВ

Чудові властивості лазерного випромінювання обумовлені як властивостями вимушеного випромінювання, так і використанням оптичних резонаторів, що дозволяє отримати когерентне оптичне випромінювання, характеристиками якого можна управляти.

Спектр випромінювання. Кількість типів коливань, які можуть виникнути в резонаторі, визначається спектральним контуром випромінювання активної речовини (рис. 17.4, а) і резонансними властивостями інтерферометра (резонатора) (рис. 17.4,6). На рис. 17.4,6 показані тільки аксіальні моди коливань; інтенсивність випромінювання представлена в відносних одиницях і позначена як / отн .

У разі, коли інверсія заселеність дуже мала і ні на одній з частот резонатора не виконується умова самозбудження, в системі можливо лише спонтанне випромінювання, спектр якого визначається в основному формою контуру спектральної лінії активної середовища. Зі збільшенням інверсіїзаселеність на робочому переході посилення в активному середовищі зростає і умова самозбудження (балансу амплітуд) починає спочатку виконуватися для однієї або декількох осьових мод коливань, що мають, як правило, частоти, найближчі до максимуму спектрального контуру випромінювання активного середовища (див. Рис. 17.4, а). У цьому випадку на тлі спонтанного випромінювання будуть виділятися інтенсивні коливання на окремих частотах.

При подальшому зростанні інверсіїзаселеність посилення в активному середовищі на всіх частотах резонатора збільшується і умова самозбудження починає виконуватися для все більшого числа мод коливань резонатора, т. Е. Спектр генерації лазера розширюється (рис. 17.4, в). В діапазоні --СВЧ ширина спектральної лінії випромінювання досить мала і умова балансу амплітуд виконується, як правило, лише для однієї частоти. В оптичному ж діапазоні ширина спектральної лінії перевищує кілька сотень МГц, і в її межах розміщуються частоти значного числа як аксіальних (кілька десятків), так і поперечних типів коливань (формула (17.15)), частоти яких групуються біля осьових мод (рис. 17.4, г). Ширина діапазону частот, в якому розподіляються поперечні типи коливань, становить зазвичай одиниці МГц. Аналіз спектру випромінювання лазера показує, що на структуру спектра істотно впливає тип активної середовища, характер розширення спектральної лінії і просторова модуляція інверсної населеності.

Наявність багатьох частот в спектрі лазерного випромінювання часто є істотним недоліком. Наприклад, в зв'язковою лінії оптичного діапазону - це може привести до появи в приймальнику ряду комбінаційних частот, які представляють перешкоду для сигналу. Звуження спектру випромінювання принципово може бути досягнуто різними шляхами: зниженням інтенсивності накачування до величини, близької до порогу мож

Мал. 17.4

буждения генератора (ситуація, подібна зображеної на рис. 17.4, в); шляхом збільшення втрат для небажаних типів коливань до величин, при яких умова порогу самозбудження (балансу амплітуд) не виконується; використанням фокусирующих лінз і діафрагм в резонаторі (селекція частот резонатора); застосуванням полусферического резонатора, що складається з плоского і сферичного дзеркал, які розташовуються на відстані, приблизно рівному радіусу кривизни сферичного дзеркала (цим методом селектіруются поперечні типи коливань). Застосування нестійких резонаторів, в яких поле поза ними внутрішньої порожнини дзеркалами концентруються, а розсіюється, розташування диспергирующих призм між плоскими дзеркалами і т. Д. Також дозволяють усунути небажані типи коливань.

Спрямованість і поляризація випромінювання. Характерною рисою лазерів є висока спрямованість пучка (мала кутова розбіжність) випромінювання , що обумовлено як самим механізмом лазерної генерації, так і великими характерними розмірами випромінюючої системи в порівнянні з довжиною хвилі випромінювання X. Гранично досяжна розбіжність пучка визначається дифракційними явищами на дзеркалах або плямі, через яке виводиться випромінювання, в цьому випадку кутова ширина діаграми спрямованості за рівнем половинної потужності (0 О 5 ) визначається формулою 0 О 5 ~ 1,22Х / £>, де Про - апертура Учка на вихідному дзеркалі.

Типові значення величини 0 О 5 для багатьох типів лазерів укладені в діапазоні від одиниць до декількох десятків кутових хвилин, що перевищує граничні теоретичні значення в 20 ... 50 разів. Таким чином, для лазерів спрямованість випромінювання є досить високою, що дозволяє отримати високу кутовий дозвіл в оптичних локаторах і високу кутову точність в системах наведення по променю, забезпечити хорошу скритність при передачі інформації, підвищити дальність дії систем зв'язку, локації і управління без збільшення випромінюваної потужності .

Збільшення розбіжність променя реального лазера в порівнянні з граничними теоретичними значеннями обумовлено наступними причинами: сферичністю хвилі на виході ОКГ, багатоходові випромінювання, наявністю неоднорідностей в активному середовищі і недосконалістю елементів резонатора. Всі ці причини в основному викликають спотворення розподілу поля на дзеркалах резонатора. Спотворення діаграми спрямованості випромінювання зводяться до появи декількох максимумів, їх зміщення відносно центральної осі всієї діаграми. Вплив оптичних неоднорідностей найбільш сильно проявляється в напівпровідникових, в меншій мірі - в твердотільних, і майже відсутня в газових лазерах.

Зменшення розбіжність випромінювання на виході лазерів досягається в першу чергу шляхом усунення вищих поперечних типів коливань. Найбільшу спрямованість мають одномодові лазери, в яких порушується тільки один поперечний тип коливань ТИМ ^. Проблема забезпечення одномодового режиму в газових лазерах невеликої потужності вирішена. Для твердотільних лазерів, активне середовище яких володіє великим посиленням, забезпечення одномодового режиму досить складно, так як важко створити значні втрати для вищих типів коливань, не погіршуючи енергетичних характеристик лазера.

Важливим параметром лазерів є поляризація випромінювання , під якою розуміється переважний напрямок вектора електричного поля. У лазерах поляризація випромінювання визначається величиною посилення в резонаторі для хвиль різної поляризації, що обумовлюється або найактивнішою середовищем, або введеними в резонатор поляризующими елементами. Коли поляризующие елементи (пристрої) відсутні і активне середовище изотропна, умови виникнення коливань для всіх площин поляризації однакові, т. Е. Випромінювання виявляється неполяризованим. У більшості випадків випромінювання лазерів виявляється плоскополяризованим, що часто пов'язано із заходами щодо зменшення внутрішніх паразитних втрат на відбиття. У резонаторі для зменшення паразитних віддзеркалень граничні поверхні активного середовища виконуються не перпендикулярними до осі резонатора, а похилими.

Залежність коефіцієнта віддзеркалення плоскопараллельной скляної пластинки від кута падіння променя для різної орієнтації вектора напруженості поля показує, що відображення для випромінювання, поляризованого в площині падіння при деякому вугіллі (р 0 (вугіллі Брюстера), близько до нуля. Це властивість широко використовується в лазерах. В газових лазерах вікна газорозрядної кювети виконуються під кутом Брюстера. Те ж саме можна сказати і про твердотільних лазерах, де межі стрижнів активної речовини також часто скошують під кутом Брюстера. Таке ви конання елементів активного середовища визначає поляризацію випромінювання. Для випромінювання, поляризованого в площині падіння, втрати в резонаторі мінімальні, що зазвичай і реалізується в більшості лазерів.

Поляризація випромінювання може визначатися і найактивнішою середовищем, особливо кристалічної. Як правило, посилення в кристалі залежить від кута між його оптичною віссю і площиною поляризації світла. Так, наприклад, в рубіні найбільша ймовірність індукованих переходів і найбільше посилення спостерігається для випромінювання, площина поляризації якого перпендикулярна оптичній осі, т. Е. Коли оптична вісь кристала перпендикулярна осі резонатора. Випромінювання лазера в цьому випадку буде поляризованим в площині перпендикулярній оптичної осі кристала. Для випромінювання, поляризованого в цій площині, умова самозбудження виконується в першу чергу. Саме це випромінювання і виникає в лазері. В оптичних лініях зв'язку використання поляризаційної модуляції дозволяє збільшити, порівняно з амплітудною, дальність дії системи за рахунок зменшення втрат світла при модуляції.

 
<<   ЗМІСТ   >>