- •Содержание
- •VI. Лазерные стандарты длины и частоты
- •Yi. Автомодуляция излучения в резонаторе лазера на твердом теле
- •Yii. Лазеры ультракоротких импульсов
- •Yiii. Свойства ультракоротких импульсов
- •IX. Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов
- •X. Полупроводниковые лазеры
- •Краткая история создания лазеров Цезиевый атомно-лучевой квантовый стандарт частоты
- •Принцип работы лазера
- •Лазер, как автоколебательная система
- •I. Взаимодействие света с веществом
- •1.1. Спектр излучения
- •1.2. Тепловое излучение
- •1.3. Коэффициент поглощения
- •1.5. Люминесценция
- •1.7. Сверхизлучение
- •1.8. Энергетические характеристики электромагнитного поля
- •Объемная плотность энергии в пучке
- •1.9. Оценки частоты Раби и мощности излучения, необходимой для проявления когерентрных эффектов взаимодействия поля с веществом
- •2.1. Газоразрядные лампы для оптической накачки лазеров
- •2.2. Многослойные диэлектрические зеркала
- •2.3. Лазеры на активированных кристаллах
- •2.4. Система оптической накачки лазеров на твердой активной среде
- •2.5. Неодимовый лазер
- •III. Лазерные резонаторы
- •3.1. Лазерные пучки
- •3. 3. Гауссовы пучки света
- •3.4. Фокусировка гауссова пучка линзой
- •3.5. Идеальный открытый оптический резонатор
- •Iy. Лазерная генерация
- •4.1. Вероятности переходов
- •4.2. Схемы накачки активной среды лазеров
- •4.4. Энергетическое условие стационарной генерации
- •4.5. Расчет коэффициента усиления активной среды для твердотельных лазеров с импульсной оптической накачкой
- •4.6. Пороговая энергия накачки лазера с импульсной накачкой
- •4.7. Определение коэффициента усиления и скорости накачки по
- •4.8. Фазовое условие генерации
- •4.9. Селекция мод лазерного резонатора
- •4.10. Принцип конкуренции мод
- •4.11. Принцип максимальной ширины спектра излучения лазера
- •4.12. Перестройка частоты излучения одночастотного лазера путем микроперемещения лазерного зеркала
- •4.13. Лазеры со стабилизацией частоты излучения
- •4.14. Оптическое гетеродинирование
- •4.15. Лазерные стандарты длины и частоты. Измерение частоты и длины волны лазерного излучения
- •4.16. Многочастотный спектр излучения лазера
- •4.17. Мощность стационарной генерации лазера
- •5.2. Моноимпульсная генерация
- •5.3. Пассивная модуляция добротности резонатора
- •5.4. Измерение энергии и мощности лазерных импульсов
- •5.5. Регистрация формы лазерных импульсов электронно-оптической камерой
- •Yi. Автомодуляция излучения в лазерном резонаторе
- •6.2. Измерения мощности лазерного излучения в широком динамическом диапазоне
- •6.3. Динамика лазера с неустойчивым и разъюстированным плоским резонатором
- •6.4. Механизмы автомодуляции потерь лазерного резонатора
- •6.4.1. Самонаведенная линзовость в активной среде лазера
- •6.4.2. Автомодуляция излучения лазера самонаведенной амплитудно-фазовой решеткой
- •6.4.3. Автомодуляция излучения в сложном резонаторе
- •Yii. Лазеры ультракоротких импульсов
- •7.1. Первые исследования сверхкоротких лазерных импульсов
- •7.2. Автокорреляция лазерных импульсов. Интерферометр Майкельсона
- •7.3. Автокорреляционная функция лазерного импульса
- •7.4. Описание излучения на выходе лазера как суперпозиции эквидистантных монохроматических плоских волн
- •7.5. Модулированные оптические волны
- •7.6. Сверхкороткие импульсы, генерируемые двухчастотным лазером с постоянной накачкой
- •Зависимость интенсивности излучения от времени можно записать следующим образом:
- •7.7. Пульсации излучения непрерывного двухчастотного гелий-неонового лазера
- •7.8. Регулярные пульсации излучения гелий неонового лазера, в спектре которого регистрируются 7 дискретных частот
- •7.9. Современные лазеры ультракоротких импульсов
- •Yiii. Свойства ультракоротких импульсов
- •Зависимость спектра импульсного лазерного излучения от времени
- •8.2. Квазимонохроматическое приближение
- •8.3. Импульс гауссовой формы в среде с дисперсией
- •8.4. Фазовая модуляция — уширение и сжатие импульсов с линейным чирпом
- •8.5. Фемтосекундные лазерные системы
- •IX. Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов
- •9.1. О некоторых заблуждениях в области корреляционных измерений длительности ультракоротких лазерных импульсов
- •9.3. Измерение акф для периодической последовательности импульсов
- •9.4. Влияние линейной фазовой модуляции несущей частоты на корреляционные функции излучения
- •X. Полупроводниковые лазеры
- •10.1. Оптические свойства полупроводников
- •10.2. Cвойства p-n переходов
- •10.3. Полупроводниковые лазеры на гетеропереходах
- •11.1. Накачка газовых активных сред
- •11.2.2. Химическая накачка
- •11.2.3. Лазеры с газодинамической накачкой
- •11.3. Лазеры на нейтральных атомах
- •11.3.1. Гелий-неоновый лазер
- •11.4. Молекулярные лазеры
- •11.5. Газовые лазеры на ионах аргона
- •11.4.1. Гелий-кадмиевый лазер
- •11.5. Эксимерные лазеры
- •Основные принципы, соотношения и константы физики лазеров
- •Тестовые задания
- •Раздел 1. Общие вопросы. Конструктивные элементы лазеров
- •Раздел 2. Взаимодействие излучения с веществом
- •Раздел 3. Лазерные резонаторы и световые пучки
- •Раздел 4. Лазерная генерация
- •Раздел 5. Динамика лазеров
4.16. Многочастотный спектр излучения лазера
Лазер – это сложная колебательная система. Поэтому кроме точных математических соотношений, характеризующих его работу всегда полезно пользоваться общими принципами.
Как известно, первый лазерный принцип, это принцип конкуренции мод. В соответствии с ним в лазере с неселективным резонатором стационарная генерация всегда возникает на той резонансной частоте, для которой реализуется наибольшая разница между коэффициентом усиления активной среды и коэффициентом потерь резонатора.
Частота стационарного генерируемого излучения, в соответствии с первым принципом, автоматически следит за изменением параметров резонатора. Поэтому при сдвиге одного из зеркал резонатора вдоль оси резонатора на половину длины волны несущей частоты излучения дискретные частоты в спнектре излучения лазера плавно смещаются на частоту, равную одному межмодовому интервалу. Это позволяет создавать лазеры со стабилизацией частоты за счет привязки резонансной частоты лазерного резонатора к оптическому реперу, например, к провалу в спектральном конуре насыщенного поглощения эталонного вещества, помещенного в резонатор. Подстройка частоты осуществляется просто за счет продольного перемещения одного из зеркал резонатора.
Признание когерентного характера взаимодействия генерируемого лазером излучения с активной средой позволяет сформулировать еще один, пока не общепринятый второй лазерный принцип: лазер с неселективным резонатором всегда генерирует импульсы излучения минимальной длительности, определяемой шириной спектрального контура усиления активной среды.
Из второго принципа следует, что общая ширина спектра излучения такого лазера всегда максимальна и определяется шириной спектрального контура усиления активной среды на частоте лазерного перехода.
Обычно причины многочастотного характера спектра излучения лазеров различных типов связывают с существованием в активной среде лазера амплитудно-фазовых решеток. Более общая причина возникновения такого спектра связана с возникновением ультракоротких пульсаций излучения с периодом, равными времени обхода светом резонатора. Она следует из особенностей когерентного усиления, о которых говорилось выше. При мощности накачки, соответствующей пороговой, лазер любого типа вследствие конкуренции мод всегда стационарно генерирует почти монохроматическое одночастотное изучение, соответствуюшее продольной моде резонатора, находящейся на минимальном расстоянии от максимума спектрального контура усиления.
По мере развития генерации после включения лазера ее мощность возрастает и достигает значений, при которых становится существенным сверхизлучение. Сверхизлучение проявляется в виде высокочастотных пульсаций излучения и возрастании действующего значения коэффициента усиления для этих пульсаций. При увеличении коэффициента усиления активной среды, за счет когерентного взаимодействия вещества с полем, длительность импульса сверхизлучения предельно сокращается. При этом происходит максимальное уширение спектра излучения, которое и ограничивается шириной спектра усиления активной среды.
Повышение мощности накачки увеличивает спектральную ширину контура усиления. Когда эта ширина соответствует импульсу, пространственная протяженность которого меньше длины лазерного резонатора, на выходе лазера возникают периодические пульсации излучения. Короткий импульс генерируемого излучения начинает циркулировать внутри лазерного резонатора. Это означает, что в огибающей спектра излучения лазера появляется периодическая модуляция, период которой обратно пропорционален длине резонатора. При этом (ошибочно) считают, что лазер генерирует в многомодовом режиме, то есть одновременно на нескольких продольных модах резонатора.
Таким образом, принятие описанной элементарной модели лазера ультракоротких импульсов приводит к парадоксу: собственные моды резонатора не эквидистантны. Тем не менее, точно известно, что лазер генерирует строго периодическую во времени последовательность импульсов.
Разрешение этого парадокса заключается в том, что дискретные частоты, которые регистрируют в спектре лазера, на самом деле не являются резонансными частотами (модами) лазерного резонатора. Эквидистантные частоты спектра излучения лазера есть всего лишь результат разложения в спектр выходного излучения лазера. Как известно, периодическая последовательность импульсов разлагается в спектральном приборе в ряд Фурье, то есть в набор строго эквидистантных частот. В этом совпадении и заключается причина существующего и описанного выше распространенного заблуждения.
Эксперименты, результаты которых опубликованы в литературе, свидетельствует об эквидистантности частот в спектре непрерывных лазеров ультракоротких импульсов с точностью до 20 значащих цифр. Регистриуемые на выходе лазера дискретные частоты являются модами лазерного излучения в свободном пространстве. Спектр такого процесса точно эквидистантен по определению спектрального разложения в ряд Фурье. Именно поэтому наблюдаемые в спектре лазера дискретные частоты не являются модами лазерного резонатора.
Сам термин «режим синхронизации мод», таким образом, не отражает сути процессов генерации сверхкоротких импульсов в лазере и основан на приведенном выше заблуждении. Наблюдения непрерывных лазеров, работающих в «режиме полной синхронизации мод» однозначно показывают, что режим генерации регулярных ультракоротких импульсов сохраняется и в том случае, когда резонансные частоты лазерного резонатора непрерывно смещаются относительно контура усиления активной среды вследствие установления теплового режима лазера. Лазер продолжает работать в «режиме синхронизации мод», когда синхронизация фаз мод явно отсутствует!
Поэтому синхронизация фаз мод для реализации режима генерации лазером ультракоротких импульсов, вопреки общепринятому мнению, излагаемому в учебниках, вовсе не является обязательной.