Условия баланса мощности и фаз в лазерах (оптических квантовых генераторах)

Поле в резонаторе можно представить, как сумму волн, распространяющихся в противоположных направлениях и отражающихся от зеркал. Если помимо коэффициентов отражения от зеркал г1 и г2 учесть создаваемые ими дифракционные потери на единицу длины активной среды р, то условие равновесия в квантовом генераторе можно записать в виде

где Ь — расстояние между зеркалами резонатора, а— коэффициент усиления на единицу длины в активной среде.

Последнее выражение является условием баланса амплитуд (мощностей) для существования стационарного режима генерации, при котором индуцированное излучение компенсирует суммарные потери в системе. Условие баланса фаз представляется в следующем виде:

где Дф,, Дф2 — изменения фазы при отражении от зеркал резонатора.

Условие баланса фаз в формуле (17.19) означает, что в установившемся режиме генерации волна, пройдя путь 2Ь в резонаторе и дважды отразившись от зеркал, получает фазовый сдвиг 2щ, кратный целому числу периодов. Тем самым в генераторе обеспечивается положительная обратная связь, благодаря которой непрерывно воспроизводятся колебания неизменной частоты (образуются стоячие волны). Выражение (17.19) по смыслу совпадает с (17.12).

В формуле (17.18) (баланс мощности) экспоненциальный член е2аЬ описывает индуцированное усиление, а остальные сомножители в левой части равенства характеризуют потери. Отсюда следует, что стационарный режим генерации лазера установится лишь в том случае, если индуцированное усиление в активной среде компенсирует все потери в резонаторе. Таким образом, из формулы (17.18) следует условие стационарного режима генерации, сводящееся к тому, чтобы коэффициент усиления а, имел определенное стационарное значение

Величина аст, как следует из формулы (17.11), реализуется при некоторой пороговой населенности п2 пор верхнего уровня рабочего лазерного перехода.

Спектр и характеристики излучения квантовых генераторов

Замечательные свойства лазерного излучения обусловлены как свойствами вынужденного излучения, так и использованием оптических резонаторов, что позволяет получить когерентное оптическое излучение, характеристиками которого можно управлять.

Спектр излучения. Количество типов колебаний, которые могут возникнуть в резонаторе, определяется спектральным контуром излучения активного вещества (рис. 17.4, а) и резонансными свойствами интерферометра (резонатора) (рис. 17.4,6). На рис. 17.4,6 показаны только аксиальные моды колебаний; интенсивность излучения представлена в относительных единицах и обозначена как /отн.

В случае, когда инверсия населенностей очень мала и ни на одной из частот резонатора не выполняется условие самовозбуждения, в системе возможно лишь спонтанное излучение, спектр которого определяется в основном формой контура спектральной линии активной среды. С увеличением инверсии населенностей на рабочем переходе усиление в активной среде возрастает и условие самовозбуждения (баланса амплитуд) начинает сначала выполняться для одной или нескольких аксиальных мод колебаний, имеющих, как правило, частоты, ближайшие к максимуму спектрального контура излучения активной среды (см. рис. 17.4, а). В этом случае на фоне спонтанного излучения будут выделяться интенсивные колебания на отдельных частотах.

При дальнейшем росте инверсии населенностей усиление в активной среде на всех частотах резонатора увеличивается и условие самовозбуждения начинает выполняться для все большего числа мод колебаний резонатора, т. е. спектр генерации лазера расширяется (рис. 17.4, в). В диапазоне --СВЧ ширина спектральной линии излучения достаточно мала и условие баланса амплитуд выполняется, как правило, лишь для одной частоты. В оптическом же диапазоне ширина спектральной линии превышает несколько сотен МГц, и в ее пределах размещаются частоты значительного числа как аксиальных (несколько десятков), так и поперечных типов колебаний (формула (17.15)), частоты которых группируются около аксиальных мод (рис. 17.4, г). Ширина диапазона частот, в котором распределяются поперечные типы колебаний, составляет обычно единицы МГц. Анализ спектра излучения лазера показывает, что на структуру спектра существенное влияние оказывает тип активной среды, характер уширения спектральной линии и пространственная модуляция инверсной населенности.

Наличие многих частот в спектре лазерного излучения часто является существенным недостатком. Например, в связной линии оптического диапазона - это может привести к появлению в приемнике ряда комбинационных частот, которые представляют помеху для сигнала. Сужение спектра излучения принципиально может быть достигнуто различными путями: снижением интенсивности накачки до величины, близкой к порогу воз-

Рис. 17.4

буждения генератора (ситуация, подобная изображенной на рис. 17.4, в); путем увеличения потерь для нежелательных типов колебаний до величин, при которых условие порога самовозбуждения (баланса амплитуд) не выполняется; использованием фокусирующих линз и диафрагм в резонаторе (селекция частот резонатора); применением полусферического резонатора, состоящего из плоского и сферического зеркал, которые располагаются на расстоянии, приблизительно равном радиусу кривизны сферического зеркала (этим методом селектируются поперечные типы колебаний). Применение неустойчивых резонаторов, в которых поле вне их внутренней полости зеркалами не концентрируется, а рассеивается, расположение диспергирующих призм между плоскими зеркалами и т. д. также позволяют устранить не желательные типы колебаний.

Направленность и поляризация излучения. Характерной чертой лазеров является высокая направленность пучка (малая угловая расходимость) излучения, что обусловлено как самим механизмом лазерной генерации, так и большими характерными размерами излучающей системы по сравнению с длиной волны излучения X. Предельно достижимая расходимость пучка определяется дифракционными явлениями на зеркалах или пятне, через которое выводится излучение, в этом случае угловая ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности (0О 5) определяется формулой 0О 5 ~ 1,22Х/£>, где О — апертура пучка на выходном зеркале.

Типичные значения величины 0О 5 для многих типов лазеров заключены в диапазоне от единиц до нескольких десятков угловых минут, что превышает предельные теоретические значения в 20...50 раз. Таким образом, для лазеров направленность излучения является весьма высокой, что позволяет получить высокое угловое разрешение в оптических локаторах и высокую угловую точность в системах наведения по лучу, обеспечить хорошую скрытность при передаче информации, повысить дальность действия систем связи, локации и управления без увеличения излучаемой мощности.

Увеличение расходимости луча реального лазера по сравнению с предельными теоретическими значениями обусловлено следующими причинами: сферичностью волны на выходе ОКГ, многоходовостью излучения, наличием неоднородностей в активной среде и несовершенством элементов резонатора. Все эти причины в основном вызывают искажения распределения поля на зеркалах резонатора. Искажения диаграммы направленности излучения сводятся к появлению нескольких максимумов, их смещению относительно центральной оси всей диаграммы. Влияние оптических неоднородностей наиболее сильно проявляется в полупроводниковых, в меньшей мере — в твердотельных, и почти отсутствует в газовых лазерах.

Уменьшение расходимости излучения на выходе лазеров достигается в первую очередь путем устранения высших поперечных типов колебаний. Наибольшую направленность имеют одномодовые лазеры, в которых возбуждается только один поперечный тип колебаний ТЕМ^. Проблема обеспечения одномодового режима в газовых лазерах небольшой мощности решена. Для твердотельных лазеров, активная среда которых обладает большим усилением, обеспечение одномодового режима достаточно сложно, так как трудно создать значительные потери для высших типов колебаний, не ухудшая энергетических характеристик лазера.

Важным параметром лазеров является поляризация излучения, под которой понимается преимущественное направление вектора электрического поля. В лазерах поляризация излучения определяется величиной усиления в резонаторе для волн различной поляризации, что обусловливается или самой активной средой, или введенными в резонатор поляризующими элементами. Когда поляризующие элементы (устройства) отсутствуют и активная среда изотропна, условия возникновения колебаний для всех плоскостей поляризации одинаковы, т. е. излучение оказывается неполяризованным. В большинстве случаев излучение лазеров оказывается плоскополяризованным, что часто связано с мерами по уменьшению внутренних паразитных потерь на отражение. В резонаторе для уменьшения паразитных отражений граничные поверхности активной среды выполняются не перпендикулярными к оси резонатора, а наклонными.

Зависимость коэффициента отражения плоскопараллельной стеклянной пластинки от угла падения луча для различной ориентации вектора напряженности поля показывает, что отражение для излучения, поляризованного в плоскости падения при некотором угле (р0 (угле Брюстера), близко к нулю. Это свойство широко используется в лазерах. В газовых лазерах окна газоразрядной кюветы выполняются под углом Брюстера. То же самое можно сказать и о твердотельных лазерах, где грани стержней активного вещества также часто скашивают под углом Брюстера. Такое выполнение элементов активной среды определяет поляризацию излучения. Для излучения, поляризованного в плоскости падения, потери в резонаторе минимальны, что обычно и реализуется в большинстве лазеров.

Поляризация излучения может определяться и самой активной средой, особенно кристаллической. Как правило, усиление в кристалле зависит от угла между его оптической осью и плоскостью поляризации света. Так, например, в рубине наибольшая вероятность индуцированных переходов и наибольшее усиление наблюдается для излучения, плоскость поляризации которого перпендикулярна оптической оси, т. е. когда оптическая ось кристалла перпендикулярна оси резонатора. Излучение лазера в этом случае будет поляризованным в плоскости перпендикулярной оптической оси кристалла. Для излучения, поляризованного в этой плоскости, условие самовозбуждения выполняется в первую очередь. Именно это излучение и возникает в лазере. В оптических линиях связи использование поляризационной модуляции позволяет увеличить, по сравнению с амплитудной, дальность действия системы за счет уменьшения потерь света при модуляции.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >