Спектр мод лазерных резонаторов

СПЕКТР МОД ЛАЗЕРНЫХ РЕЗОНАТОРОВ [c.35]

Как обычно, амплитудная модуляция гармонического сигнала приводит к появлению в его спектре боковых частот, сдвинутых от несущей частоты на Аг . Значит, в лазере спектр излучения вышедших в генерацию мод после прохода сквозь модулятор обогащается боковыми частотами, точно попадающими на частоты соседних продольных мод лазерного резонатора эти боковые спектральные компоненты играют роль вынуждающей силы для излучения на соседних модах. Последние возбуждаются благодаря наличию усиления в активной среде на широкой полосе частот, причем они рождаются уже с фазами, жестко навязанными им вынуждающей силой и, следовательно, синхронизованы с первой модой. Дальше идет процесс размножения генерации по модам с сохранением фазовой привязки. [c.44]

Весьма эффективным методом генерации ультракоротких импульсов является так называемая пассивная синхронизация мод, при которой в лазерный резонатор дополнительно к остальным лазерным элементам вводится насыщающийся поглотитель. Это вещество, имеющее в спектре поглощения переход на частоте лазера, причем поперечное сечение поглощения должно быть по возможности большим. Для этих целей особенно подходят органические красители. При попадании импульса излучения лазера на такой поглотитель его молекулы возбуждаются, а поле падающего излучения поглощается. Рассмотрим, например, изменение населенности двухуровневой системы под влиянием поля излучения. В соответствии с (1.22) и (1.23) получим для разности населенностей AN = Ni — N2 в стационарных условиях (Tb>T2i) соотношение [c.96]

Основные внутренние лазерные параметры — это спектр мод резонатора, усиление, шумы и возможность модуляции. Их детализация представлена в табл. 1.2. Измерения внутренних и внешних лазерных параметров проводятся при помощи датчиков сигнала, мощности и энергии, элементов для связи с пучком света и ослабителей. Такие измерения должны быть основаны на эталонах длины и энергии, поскольку калибровка по эталонам имеет крайне важное значение. [c.10]

Таким образом, расчет лазерного резонатора матричным методом состоит из двух этапов. Па первом этапе вычисляется матрица М, характеризующая оптическую систему резонатора и представляющая собой произведение (1.62) матриц отдельных оптических элементов системы. На втором этапе по элементам матрицы М в соответствии с соотношениями (1.67) определяются радиус кривизны волнового фронта основной моды резонатора и ее поперечный размер. Имеется также третий этап, заключающийся в определении параметров спектра резонатора, он будет изложен далее. [c.38]

В лазерах с шириной полоски более 20. ..30 мкм обычно наблюдается довольно резкий переход через порог, после чего возбуждаются моды высокого порядка. С ростом тока накачки выходная мощность растет линейно до тех пор, пока разогрев не приведет к некоторому насыщению. На самом деле процесс не так прост — распределение усиления способствует возникновению самофокусировки, благодаря чему излучение концентрируется в нити внутри лазерного резонатора. При уменьшении полоски до 20 мкм и менее возрастают потери для мод высоких порядков. Тогда сразу за порогом появляется только основная поперечная боковая мода. При дальнейшем увеличении тока накачки появляются боковые поперечные моды высоких порядков по мере достижения их порога возбуждения. Уменьшение ширины полоски до 10 мкм и менее увеличивает пороги мод высоких порядков до уровней, превышающих возможности лазера. Наличие боковых поперечных мод оказывает влияние как на пространственное распределение, так и на ширину спектра лазерного излучения. [c.294]

Реальный спектр выходящего лазерного излучения часто оказывается еще более усложненным другими эффектами, например пространственным выжиганием дырок, при котором стоячие волны в резонаторе, имеющие различные частоты, получают энергию от разных частей пространственного распределения инверсных молекул (или атомов). В этом случае даже лазер, работающий на однородно уширенном переходе, может генерировать в нескольких модах резонатора. Надо также иметь в виду то, что аномальная дисперсия может приводить к изменению разности частот между последовательными модами резонатора, т. е. к так называемому затягиванию частоты [c.185]

Если в лазере не предусмотрены какие-либо элементы для селекции аксиальных мод резонатора, то спектр выходного излучения будет содержать большое число дискретных частот, определяемых продольными модами. Ширина линии лазерного излучения ограничивает число мод, которые имеют коэффициент усиления, достаточный для генерации. Эта ситуация схематически представлена [c.280]

Таким образом, условие положительности результирующего усиления выполняется лишь в течение интервала времени, составляющего малую часть длительности импульса накачки, так что излучение лазера концентрируется именно в этом интервале времени. Уменьшение усиления, вызываемое самим генерируемым импульсом, является важным обстоятельством, способствующим синхронизации мод, так как оно приводит к укорочению заднего фронта импульса. При этом важно, чтобы лазерный импульс в непрерывном режиме проходил через активную среду синхронно с импульсом накачки. Это требует относительно высокой точности взаимной настройки резонаторов обоих лазеров. Длина резонаторов должна быть подобрана с точностью до нескольких микронов. Как и при активной синхронизации мод, существенную роль играет эффективное ограничение ширины спектра излучения лазера, поскольку оно определяет предельно достижимые минимальные значения длительности импульсов. [c.152]

Дальнейшим развитием абсорбционной лазерной спектроскопии является высокочувствительный метод внутрирезонаторных селективных потерь (рис. УП.б2, б). Он основан на помещении внутри резонатора многомодового лазера с широкой полосой усиления среды со слабым поглощением внутри этой полосы усиления. Моды, попавшие внутрь слабых линий поглощения, подавляются, т. е. происходит селективное тушение мод. Это приводит к образованию резких провалов в спектре излучения лазера, которые легко обнаружить с помощью обычного спектрографа. [c.441]

Лишь очень небольшая доля всех используемых в настоящее время лазеров действительно работает в одномодовом режиме, т. е. на одной частоте и с пучком, имеющим гауссов профиль интенсивности. Большинство газовых лазеров имеет гауссов профиль ТЕМоо моды, но измерения их частотного спектра показывают, что они излучают на целом ряде частот, разделенных интервалом с 2Ь Гц, где с—скорость света и Ь — длина резонатора лазера. В общем случае каждой из этих продольных мод часто соответствует множество поперечных мод, так что профиль интенсивности выходного излучения не гауссов, а фазовое распределение в поперечном сечении не является простым. Подобное сложное частотное и фазовое распределение реального лазерного излучения неожиданно сильно [c.135]

Настоящая книга содержит пять глав. Гл. 1 посвящена оптике гауссовых пучков. Глава 2 посвящена методу интегрального уравнения. В ней рассматриваются методы исследования лазерных резонаторов, содержащих негауссовы элементы — диафрагмы с резким краем, элементы с аберрациями и др. В главе 3 исследуются резонаторы, содержащие несколько оптических элементов (например, вспомогательные зеркала) различного назначения. Вспомогательные зеркала могут влиять на продольный спектр резонатора, в частности, делать его более редким. При этом важную роль играет согласование поперечных мод лазерного резонатора. В лазерах па красителях дополнительные оптические элементы позволяют реализовывать одномодовый режим генерации. Глава 4 посвящена резонаторам твердотельных лазеров. Их основной особенностью является наличие термооптически искаженного под влиянием накачки активного элемента. Отыскание ре-зонаторных конфигураций, наименее восприимчивых к нестабильностям накачки, является довольно трудным делом, читатель почерпнет в четвертой главе много полезного для себя в этом отношении. В главе 5 излагаются геометро-оптические методы исследования резонаторов. Введение и гл. 1, 3, 5 написаны В.П. Быковым гл. 2, 4 — 0.0. Си-личевым. [c.8]

Сам по себе лазерный открытый резонатор является средством разрежения спектра по сравнению, например, со спектром равновеликого объемного резонатора. Однако поскольку полоса усиления активных сред, как правило, довольно велика, в эту полосу обычно попадает большое число мод лазерного резонатора, в частности продольных. Поэтому применяются некоторые средства дополнительного разрежения спектра лазерных резонаторов. Такое дополнительное разрежение спектра получило пазвапие селекции мод. Все методы селекции мод основаны на увеличении потерь одних мод по сравнению с другими, рабочими. Селекция продольных мод, отличаюгцихся частотой, требует применения узкополосных дисперсионных элементов. [c.175]

Дтр примерно равна обратной ширине линии генерации Avren. Этот результат нетрудно понять, если вспомнить, что временное поведение каждого импульса есть просто фурье-образ его частотного спектра. Отсюда видно, что, поскольку ширина линии генерации AvreH может быть порядка ширины линии усиления Avo, то можно надеяться, что синхронизация мод в твердотельных или полупроводниковых лазерах позволит генерировать очень короткие импульсы (до нескольких пикосекунд). В лазерах на красителе ширина линии усиления в сотни раз превышает эту величину в твердотельных лазерах, что дает возможность получать в этих лазерах и уже действительно были получены значительно более короткие импульсы (до приблизительно 30 фс). В газовых же лазерах ширина линии усиления намного уже (до нескольких гигагерц) и поэтому генерируются относительно длинные импульсы (до 100 пс). А теперь вспомним, что два последовательных импульса разделены временным промежутком тр, определяемым выражением (5.111). Поскольку Ди = = 2nS.v = n /L, где L —длина резонатора, мы имеем xp = 2L , что в точности равно времени полного прохода резонатора. Следовательно, внутри лазерного резонатора генерация будет иметь вид сверхкороткого импульса длительностью Дтр, определяемой выражением (5.112), который распространяется вперед и назад по резонатору. В самом деле, в этом случае пучок на выходе из какого-либо зеркала представляет собой цуг импульсов, причем временной промежуток между двумя последовательными импульсами равен времени полного прохода резонатора. Характерные числовые значения подтверждают такое представление, поскольку пространственная протяженность Дг импульса длительностью, скажем, Дтр = 1 пс равна Дг = СоДт = 0,3 мм, т. е. много меньше типичной длины резонатора лазера. [c.309]

Ширина спектральной полосы — одна из наиболее тонких характеристик лазера. Измерение спектральной характеристики лазера затрудняется тем, что лазерное излучение, если не принимать особых мер, состоит из ряда дискретных спектральных компонент, испускаемых одновременно. В идеальном случае эти отдельные компоненты соответствуют собственным типам колебаний (модам) совокупности резонатора и усиливающей среды, составляюидих лазер. В газовом лазере эти спектральные компоненты сильно зависят от собственных мод резонатора и довольно медленно изменяются со временем (что обусловлено механической нестабильностью резонатора). В твердотельном лазере, где усиление на единицу длины и число Френеля очень велики и где, кроме того, оптические свойства среды за время выходного импульса меняются почти неконтролируемым образом, для того, чтобы обеспечить спектральное разрешение при регистрации полного развития сложного спектра выходного импульса, необходимы как временное разрешение, так и значительный спектральный интервал. В твердотельных лазерах расстояния между осевыми и угловыми модами могут быть настолько малы, что дискретные спектральные компоненты могут отличаться лишь на 100 Мгц. [c.361]

В принципе световое и вообще электромагнитное поле содержит все возможные длины волн, направления распространения и на правления поляризации. Но главное назначение лазера как прибора состоит в генерации света с определенными характеристиками. Первый этап селекции, а именно по частоте, достигается выбором лазерного материала. Частота V испускаемого света определяется формулой Бора Ну = и нач — конечн и фиксируется выбором уровней энергии активной среды. Разумеется, линии оптических переходов не являются резкими, а по различным причинам уширены. Причиной уширения могут быть конечные времена жизни уровней вследствие излучательных переходов или столкновений, неоднородность кристаллических полей и т. д. Для дальнейшей селекции частот используются оптические резонаторы. В простейшем СВЧ-резонаторе, стенки которого имеют бесконечно высокую проводимость, могут существовать стоячие волны с дискретными частотами. Эти волны являются собственными модами резонатора. Когда ученые пытались распространить принцип мазера на оптическую область спектра, было не ясно, будут ли вообще моды у резонатора, образованного двумя зеркалами и не имеющего боковых стенок (рис. 3.1). Вследствие дифракции и потерь на пропускание в зеркалах в таком открытом резонаторе не может длительно существовать стационарное поле. Оказалось, однако, что представление о типах колебаний (модах) с успехом может быть применено и к открытому резонатору. Первое доказательство было дано с помощью компьютерных вычислений. Фокс и Ли рассмотрели систему двух плоских параллельных зеркал и задали начальное распределение поля на одном из зеркал. Затем они исследовали распространение излучения и его отражение. После первых шагов начальное световое поле рассеивалось и его амплитуда уменьшалась. Однако после, скажем, 50 двойных проходов мода поля приобретала некую окончательную форму и ее амплитуда понижалась в одно и тоже число раз при каждом отражении (с постоянным коэффициентом отражения. Стало ясно, как обобщить понятие моды на случай открытого резонатора. Это такая конфигурация поля, которая не изменяется [c.64]

П, э. играет большую роль в квантовой электронике в нелинейной оптике ячейки с просветляющимся веществом используются для т, н. пассивной модуляции добротности и синхронизации мод лазеров, формирования коротких импульсов в лазерных усилителях и т. п. П, э. в газовых средах, помещённых в резонатор лазера а. обладающих доплеровски уширенной линией поглощения на частоте генерации, используется для стабилизации частоты и сужения линий генерации. В нели-нейной спектроскопии наблюдение П. а. в неоднородно уширенных линиях поглощения является ордт/i из методов регистрации спектров с высоким разрешением. [c.151]

Флуктуации и шумы в лазерах. Тепловые шумы оптич, резонатора и спонтанное излучение атомов (молекул) активной среды являются принципиально неустранимыми источниками шума в лазерах. Шумы приводят к естеств. флуктуациям амплитуды и фазы одночастотного н одномодового лазера, вследствие к-рых существуют предельные значения временных и пространственных статистич. характеристик лазерного излучения естеств. ширина частотного спектра, определяемая ф-лой Шавлова — Таунса ф-ла (8) в ст. Лазер] естеств, угл. расходимость, предельная пространственная когерентность. В режиме генерации нескольких несинхронпзованных (несвязанных) продольных и (или) поперечных мод статистика излучения существенно меняется она становится практически гауссовой. [c.664]

В настоящее время (1990-е гг.) существует много разл. лазеров, работающих во всех диапазонах спектра — от рентгеновского до далёкого инфракрасного. Однако применение лазерных усилителей в оптич, приборах до сих пор весьма ограничено. Связано это с тем, что усилители в лазерах и оптич. системах используются по-разному. В лазерах обычно стремятся получить предельно высокую направленность излучения, применяя для этого оптические резонаторы и ограничивая число генерируемых мод. В оптич. системах обычно требуется передать болыпой объём информации, заложенный в распределении амплитуд и фаз (иногда и поляризации) по полю зрения, на к-ром укладывается порядка 10 разрешаемых элементов. Такая много-канальность и есть одно из осн. преимуществ оптич. систем с У. я. Это накладывает дополнит, требования на У. я. для оптич. приборов, к-рый должен обладать большой угл. апертурой, чтобы пропустить большой объём информации, обеспечивать значит, усиление за один проход усиливающей среды и, естественно, не должен вносить искажений в усиливаемые световые поля. Достижение высокого усиления (а желательно иметь коэф. усиления 0,1 — 1,0 сми составляет осн. трудность на пути создания лазерных У. я. для оптич. систем. Высокий коэф. усиления (при прочих равных условиях) легче получить для узкого спектрального интервала и в коротких импульсах. [c.243]

К настоящему времени работа ЛСЭ была продемонстрирована во всем мире на нескольких устройствах (более 10), причем длины волн генерации лежали в диапазоне от миллиметровых волн вплоть до зеленой области спектра. На различных этапах разработки сейчас находится значительно большее число таких лазеров. Все они требуют крупных установок, поскольку для их работы необходимо использовать достаточно большие ускорители электронных пучков. Исторически самый первый ЛСЭ был запущен на длине волны К =3,4 мкм с помощью линейного сверхпроводящего ускорителя Станфордского университета в США [39]. Поскольку входной электронный пучок имел вид импульсов длительностью 3,2 пс, разделенных промежутками т = 84,7 НС, длина резонатора L была выбрана таким образом, чтобы величина т была равна времени полного прохода резонатора (т. е. L = %l2 = 2,l м), так что лазер работал в режиме синхронизации мод с синхронной накачкой. Один из наиболее важных вопросов для ЛСЭ связан с его эффективностью. Поскольку частота генерируемого им излучения зависит от энергии электронов [см. выражение (6.58)], максимальная энергия, которую можно отобрать от электрона, равна такому изменению энергии электрона, при котором соответствующая рабочая частота смещается за пределы контура усиления. Следовательно, максимальный КПД т)макс, определяемый как отношение максимальной энергии, отдаваемой лазерному пучку, к начальной энергии электронов, примерно равен именно отношению Avo/vo, т. е. т]макс = /2Nw Отсюда следует, что КПД такого устройства весьма мал (10 —10 ). В настоящее время активно ведутся работы с целью повышения КПД по двум направлениям. [c.432]

Для синхронизованных мод поле Е г, 0 представляет собой регулярную функцию. В частности, если зы и амплитуды всех мод одинаковы, то лазерное излучение представляет собой последовательность импульсов длительностью TH=n/jV 2и с периодом повторения To=2njQ, равным периоду межмодовых биений. Таким образом, при одной и той же ширине спектра Af NQ в зависимости от фаз мод имеем либо практически нормальный случайный процесс, либо последовательность регулярных импульсов. Причем подбором свойств резонаторов может быть достигнута большая величина NQ, что позволяет генерировать чрезвычайно короткие импульсы. Так, в твердотельных лазерах и лазерах на красителях при синхронизации мод удается генерировать световые импульсы длительностью до 10 с. [c.18]

Вместо рассмотренной в предыдущем разделе синхронизации мод при модуляции внутренних потерь или оптической длины резонатора синхронизация мод может осуществляться путем модуляции усиления. Для этого в резонатор лазера вводится накачка в виде непрерывной последовательности импульсов, генерируемых другим лазером с синхронизацией мод (см. рис. 5.8). Если длина резонатора лазера достаточно близка к длине резонатора лазера накачки или кратна ей, то при определенных условиях усиление оказывается модулированным с периодом, равным времени полного прохода резонатора. Как и при модуляции потерь, короткий импульс в этом случае формируется за промежуток времени, соответствующий максимальному усилению. Длительность этого импульса при оптимальных условиях может быть на два-три порядка короче длительности импульса накачки. Наибольший практический интерес представляет применение метода синхронной накачки в лазерах на красителях, так как в лазерах этого типа используется преимущественно оптическая накачка, а их линии усиления весьма широки (величина А(0з2/2л лежит в пределах от 10 до 10 Гц). Лазеры на красителях допускают в определенном диапазоне плавную перестройку частоты в области максимума спектра излучения. Это достигается введением в резонатор частотно-селек-тивного оптического фильтра, в качестве которого могут быть использованы, например, эталон Фабри—Перо, фильтр Лио или призма. Ширина спектра пропускания этих фильтров, однако, не должна быть слишком мала, так как ее сужение может вызвать существенное увеличение длительности импульсов. По указанным причинам значение лазеров на красителях с синхронной накачкой в технике генерации пикосекундных и субпи-косекундных импульсов в последние годы все больше возрастает. По сравнению с лазерами на красителях с пассивной синхронизацией мод, которым посвящена следующая глава, синхронно накачиваемые лазеры имеют следующее преимущество для перестройки частоты их излучения может быть использована полная спектральная ширина лазерного перехода, тогда как при пассивной синхронизации полоса перестройки дополнительно ограничивается спектром линии поглощения насыщающегося поглотителя. [c.150]

Несмотря на это, в лазере из-за большой ширины линии лазерного перехода возбуждается очень большое число продольных мод, которые независимо усиливаются. Взаимодействие различных мод со стохастическим распределением фаз описывается стохастическим гауссовым процессом. Абсолютное число флук-туационных выбросов равно сначала по порядку величины числу мод резонатора, из которых, однако, лишь небольшое число су-ш,ественно превышает средний уровень интенсивности. Вследствие большего усиления мод, расположенных в центре линии лазерного перехода, спектр излучения в течение линейной фазы сужается, так как боковые моды у края линии перехода усиливаются в недостаточной степени (естественная селекция мод). Во временном представлении это соответствует сглаживанию и расширению флуктуационных выбросов амплитуды. Так, например, стекло с неодимом обладает линией шириной Av2i = [c.229]

Вероятность вынужденного испускания в моде пропорциональна интенсивиости излучения в ней, поэтому энергия, подводимая к активному веществу для создания инверсной населенности, предпочтительно перекачивается в генерируемые моды. С этой точки арения лазерный генератор интересно сравнить с каким-либо устройством, в котором спонтанное излучение, скажем, от источника линейчатого спектра фильтруется с помощью пассивного резонатора. В последнем случае резонатор может отфильтровать узкую полосу частот (шириной Лгрез), однако остальная часть энергии поля излучения отбрасывается и, следовательно, теряется. В случае же лазера, где внутри резонатора находится активное вещество, процесс вынужденного испускания приводит к предпочтительному вводу энергии в моды резонатора с малыми потерями. Кроме того, как мы еще увидим, спектральная ширина излучения лазера (теоретически) на много порядков меньше по срав- [c.28]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...