21) Лазерная генерация. Условие баланса фаз и баланса амплитуд
Открытым оптическим резонатором называют систему, состоящую из двух обращённых друг к другу отражающих поверхностей, в которой могут возбуждаться электромагнитные колебания оптического диапазона. Отражающими поверхностями могут быть зеркала различной формы (плоские, сферические, параболические), грани призм полного внутреннего отражения, границы раздела сред с различными показателями преломления.
Простейшим открытым оптическим резонатором является система из двух параллельных зеркал, находящихся на определённом расстоянии друг от друга.
Задача резонатора лазера – обеспечить, чтобы возникающее внутри него вынужденное излучение многократно проходило через активную среду, способную усиливать проходящее через неё излучение. Таким образом, с помощью резонатора получается положительная обратная связь. Для вывода полезного излучения из резонатора его зеркала делаются частично прозрачными (полупрозрачными).
Г1
и Г2 комплексные коэффициенты отражения
от зеркал, L – расстояние между зеркалами
Для самовозбуждения колебаний в такой схеме необходимо выполнить два условия:
Баланс фаз
Баланс амплитуд
(9.8)
(9.9)
Условие (9.8) означает, что волны, пройдя путь 2L в резонаторе и дважды отразившись от зеркал, получают фазовый сдвиг, кратный целому числу периодов. В генераторе создаётся положительная обратная связь. Условие баланса фаз определяет частоту лазерного излучения. Так как (9.8) выполняется на любой резонансной частоте оптического резонатора, то на каждой из этих частот может быть генерация, если будет выполнено условие баланса амплитуд.
Согласно (9.9) колебания в лазере будут существовать лишь в том случае, если усиление в активной среде компенсирует все потери в резонаторе
22) Спектр генерации лазера.Понятие о модах лазера.Причины многомод.Генерации
лазер представляет собой оптический квантовый генератор, в котором для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний должны выполняться условия баланса фаз и амплитуд. колебания НАЗЫВАЮТ модами . Спектральная характеристика лазера определяется размерами резонатора, спектром спонтанного излучения и выполнением условий генерации (рисунок 3.11).
Рисунок
3.11 Спектральная характеристика лазера
Для
излучения лазером максимальной мощности
необходимо добиться совпадения
максимальной мощности спектра спонтанного
излучения и собственных мод резонатора.
Реальная спектральная характеристика
лазера Ф-П представлена на рисунке 3.12
спектральная характеристика представляет совокупность мод генерации. Ширина спектра оценивается на уровне –3 дБм от максимальной мощности (Рмакс/2).
23)24) СЕЛЕКЦИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ И ПРОДОЛЬНЫХ МОД В ЛАЗЕРАХ
Селекция мод — это совокупность методов, обеспечивающих режим, в котором резонатор поддерживает только одну или несколько избранных мод колебаний. В основе всех этих методов лежит создание неодинаковых для различных мод потерь в оптическом резонаторе или усиления в активной среде. Существует несколько способов, позволяющих проводить селекцию как продольных мод, поле которых испытывает осцилляции (перемены знака) вдоль оси резонатора, так и поперечных мод, поле которых осциллирует также и в поперечном направлении.
Селекцию поперечных мод используют обычно для создания генерации лишь на нулевой поперечной моде, имеющей минимальный диаметр и отличающейся гладким профилем интенсивности и минимальной расходимостью. Селекция осуществляется, как правило, помещением внутрь резонатора диафрагмы, затеняющей своими краями все поперечные моды, кроме. Наряду с этим для селекции поперечных мод иногда используют неустойчивые резонаторы, в которых размеры всех мод искусственно увеличиваются до такой степени, что роль диафрагм начинают играть зеркала резонатора или активный элемент. Возможны и другие способы - например, путем размещения в резонаторе фотонных кристаллов. Селекцию продольных мод используют главным образом для получения монохроматических излучения. Селекция за счёт неодинаковых потерь осуществляется помещением внутрь резонатора дополнительных полупрозрачных зеркал или дисперсионных элементов (призм, решёток, интерферометров).
Дополнительные зеркала вместе с основными образуют один или несколько дополнительных резонаторов, связанных с исходным. В генерацию выходят лишь те продольные моды исходного двухзеркального резонатора, которые наименее связаны с низкодобротным дополнительным резонатором. Дисперсионные элементы типа призм и решёток отклоняют под разными углами лучи с разными длинами волн. В итоге только для узкого спектра частот мод образуется высокодобротный резонатор. Внутрирезонаторные интерферометры осуществляют селекцию продольных мод за счёт того, что они обладают хорошей прозрачностью лишь для узких участков спектра мод. Селекция за счёт неодинаковости усиления осуществляется в основном в кольцевых твердотельных лазерах, в результате чего в них возникает однонаправленная генерация (бегущая волна). В этих условиях начинает сильно проявляться однородность уширения линии усиления активной среды и спектр генерации сужается до одной-двух мод.