Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5  6  7  8  9 | Следующая страница реферата

По определению лазер — это прибор, в котором происходит усиление (и, наиболее часто, генерация) оптического излучения за счет стимулированных переходов. Поэтому в идеальном случае лазерное излучение должно быть абсолютно когерентно, т.е. время когерентности (t(( и, соответственно, длина когерентности ((1, а степень пространственной когерентности ((1 (или к 100%). Такой ситуации соответствует излучение сверхстабильного одночастотного лазера бесконечно большой мощности. Естественно, что на практике это недостижимо. Поэтому целесообразно вкратце восстановить процесс генерации когерентного излучения в реальном лазере.

Генерация в лазере с линейным или кольцевым резонатором происходит в первом приближении на собственных (резонансных) частотах последнего, так как для них обеспечиваются наименьшие потери генерируемого излучения, т.е. максимальная (положительная) обратная связь. В оптическом резонаторе собственные резонансные частоты (mnq=((рез[q+((mn/180()], где ((рез
=c/2Lопт — частотный интервал между собственными продольными модами резонатора в линейном резонаторе (в кольцевом же ((рез =c/Lопт); q — продольный индекс; (mn — фазовые искажения для (mn-й поперечной моды, определяемые геометрией резонатора.

К вторичным эффектам, оказывающим незначительное влияние на частоту генерации, относятся эффекты затягивания и отталкивания частот. Однако из- за высокой добротности (Q=((0.5/(mnq (106) оптического резонатора (т.е. малой по сравнению с (mnq ширины резонансного пика ((0.5=с(((/4(Lопт) отклонение частоты генерации от собственной резонансной частоты (mn крайне незначительно и может быть обнаружено только радиофизическими методами (см.
2.3).

Гораздо сильнее на частоту генерации лазера влияют параметры активной среды: центральная частота лазерного перехода (0=(Ев-Ен)/h (Ев, Ен — средняя энергия верхнего и нижнего рабочих уровней соответственно, h — постоянная Планка) и ширина спектральной линии ((. При этом из бесконечного
(главным образом, по продольному индексу q) набора собственных резонансных частот именно активная среда селектирует одно или несколько (в зависимости от характера уширения лазерного перехода) значений вблизи (0.

По этой причине длина волны генерации (ген=с/(ген почти всех лазеров
(за исключением лазеров на растворах красителей и, в меньшей степени, полупроводниковых лазеров) с достаточной для подавляющего большинства практических случаев точностью однозначно определяется используемой активной средой. С другой стороны, прецизионное измерение длины волны лазерной генерации становится в настоящее время особенно актуальным, так как эталон длины (1м) с 1983 г. определен непосредственно через длину волны пяти газоразрядных лазеров, стабилизированных по частоте излучения соответствующей поглощающей ячейкой. Длина волны этих рекомендованных лазеров лежит в диапазоне от 0,515 мкм (Аг+/127I2) до 3,39 мкм (He-Ne/CH4) и воспроизводится с погрешностью от 1,3(10-9 (Аг+/127I2) до 1,3(10-10 (He-
Ne/CH4). Наименьшую погрешность (6(10-10) воспроизведения длины волны
(0.57629476027 мкм) в видимом диапазоне обеспечивает вторая гармоника He-Ne лазера, стабилизированного по частоте поглощающей ячейкой на парах 127I2; обе красные линии He-Ne лазера (0,6329 и 0,612 мкм) стабилизируются с заметно меньшей воспроизводимостью: 1.1(10-9 и 1(10-9 соответственно.

В силу вышеизложенного измерение спектральных характеристик лазерного излучения может быть разделено на три группы (по мере нарастания разрешающей способности проводимого анализа):

1. Измерение спектра излучения многомодовых лазеров непрерывного действия и пикосекундных лазеров; для этой цели вполне достаточно традиционных методов спектрометрии (в отдельных случаях — высокой разрешающей способности).

2. Прецизионное измерение длины волны или частоты генерации стабилизированных по частоте лазеров, для чего применяют интерферометры
Фабри-Перо и радиофизические методы "переноса" частоты от цезиевого стандарта (9192631770 Гц) или водородного лазера (14204057518 Гц) в оптической диапазон (обычно He-Ne лазер с метановой ячейкой,
(ген=88376181,608 МГц).

3. Измерение ширины полосы генерации одночастотного лазера или разности частот генерации двух однотипных частотностабилизированных лазеров, что осуществляется с помощью радиофизического метода фотобиений
(гетеродинный прием лазерного излучения).

Рассмотрим вкратце основные особенности технических средств для измерения длины волны — интерферометров и частоты — (фото)гетеродинов.

2 Интерферометры для измерения спектра лазерного излучения

Специалист-оптик может исследовать спектр лазерного излучения (с разрешением, обычно вполне достаточным для надежного различения соседних продольных мод), наблюдая (рис.2.1) структуру колец 7, возникающих при освещении обычного интерферометра Фабри-Перо 5 коллимированным с помощью телескопической системы 3 пучком исследуемого лазера 1. На рис.2.1 показан и ряд вспомогательных компонентов, обеспечивающих успешное функционирование данной схемы: невзаимный элемент 2 обеспечивает однонаправленное (только слева направо) прохождение лазерного излучения, узкополосный фильтр 4 пропускает только излучение, характерное для исследуемой лазерной генерации; наконец, объектив 6 формирует картину интерференционных колец на расположенном на конечном расстоянии экране, что удобно для наблюдения невооруженным глазом и фоторегистрации. Визуальное наблюдение интерференционных колец можно вести и через бинокль или другой наблюдательный прибор.

[pic]

Рис.2.1. Анализ частотной структуры излучения лазера с помощью интерферометра Фабри-Перо

В данной схеме длина интерферометра не должна превышать lмакс=2((ген/с, где ((ген — ширина полосы генерации исследуемого лазера. В первом приближении ширина полосы генерации (для большинства газовых лазеров) равна величине неоднородного уширения ((неод лазерного перехода активной среды. Во втором приближении необходим учет кратности превышения усиления над потерями Х; ((ген=((неод([pic]. Потери интерферометра не должны превышать величины ((инт = ((+2(з = 4(lинт(((рез /(3...10)С, где
((=2аз — остаточные потери (симметричного) интерферометра, а (з — коэффициент пропускания его зеркал; в этом случае с помощью интерферометра можно легко определить количество генерируемых лазером продольных мод, следующих с шагом ((рез.

Для анализа частот генерации поперечных мод разрешение интерферометра следует существенно повысить, достигнуть чего можно либо уменьшая полные потери ((инт, либо увеличивая расстояние между пластинами интерферометра.
Кроме того, при анализе спектра поперечных мод существенно усложняются вопросы согласования полей лазера и интерферометра и их взаимной юстировки.

Естественно, что непосредственное (визуальное) наблюдение спектра лазерного излучения приемлемо только для лазеров видимого диапазона. ЭОПы несколько расширяют этот диапазон в ультрафиолет (но не далее 0.2 мкм) и ближнюю ИК область (но не далее 1.1 мкм). С другой стороны, тяжело визуально определить соотношение мощностей отдельных мод по относительной яркости соответствующих интерференционных колец.

Поэтому в настоящее время при анализе спектрального состава лазерного излучения в основном используют (рис. 2.2) сканирующие интерферометры
(5...7) с фотоэлектрическим приемником 10 и регистрацией спектра лазера 1 на экране осциллографа 11, горизонтальная развертка которого синхронизирована с линейным перемещением одного из зеркал (обычно - выходного) интерферометра с помощью пьезокерамики 8. Если размах
(амплитуда) колебаний зеркала 7 превышает (ген/2, то на экране осциллографа будет виден весь частотный диапазон интерферометра ((инт=с/2lинт.
Существенно, что в данном варианте разрешающая способность (((((0.5, определяется уже не только собственным разрешением интерферометра ((0.5, но и размером диафрагмы 9 (перед фотоприемником), выделяющей малую часть нулевого порядка интерференционной картины (центрального кольца 7 на рис.
2.1). Узкополосный фильтр 4, как и в предыдущей схеме, уменьшает фоновую засветку.

[pic]

Рис. 2.2. Анализ частотного спектра основной (ТЕМ00) моды лазера с помощью сканирующего интерферометра со сферическими зеркалами

Поскольку сканирование одного из зеркал интерферометра неизбежно приводит к его разъюстировке, то для обеспечения работоспособности сканирующего интерферометра обычно используют конфокальную геометрию
(интерферометр Конна), а не плоские зеркала. В этом случае вопрос об отрицательном влиянии незначительных разъюстировок снимается, но ужесточаются требования к согласованию полей (собственных мод) исследуемого лазера и сканирующего интерферометра: вместо сравнительно простого
(афокального) расширителя пучка телескопического типа требуется строго рассчитанная или, по крайней мере, точно установленная линза 3. В результате такого согласования устраняется перекачка энергии лазерного излучения в поперечные моды сканирующего интерферометра, частота которых при конфокальной геометрии, как известно, существенно отличается от частот основных (ТЕМ00) мод на ((рез/2. По мере отхода от конфокальной конфигурации фазовые искажения (mn поперечных мод асимптотически уменьшаются до величин, существенно меньших 180( в интерферометре Фабри-
Перо (с большим числом Френеля N=a2/(L).

[pic]

Рис. 2.3. Развязка поляризационного типа: в верхней части рисунка — прямой ход луча, в нижней — обратный

Для обеспечения однонаправленного распространения исследуемого излучения от лазера к сканирующему интерферометру, что исключает влияние частотной характеристики интерферометра на исследуемый лазер, между лазером и согласующей оптикой (телескопом-расширителем для интерферометра Фабри-
Перо и одиночной линзой 3 для интерферометра с вогнутым зеркалом) ставится
"развязка" 2 — невзаимный элемент поляризационного типа (см. рис. 2.1,
2.2). Обычно он состоит из четвертьволновой пластинки (/4 (рис. 2.3), превращающей линейно поляризованное излучение ЛПверт исследуемого лазера в циркулярно поляризованный свет ЦП, и поляризационного элемента, установленного между лазером и этой пластинкой. Этот поляризационный элемент обычно представляет собой пленочный поляроид, а не поляризационную призму, так как он значительно дешевле, а обеспечиваемая им степень поляризации вполне достаточна, по крайней мере при измерении частотного спектра излучения многомодовых лазеров. Четвертьволновая пластинка в данном случае также может быть простейшего типа — из слюды, следует только помнить, что такой простейший вариант пластинки (/4 не обладает широкой спектральной областью из-за большой дисперсии показателей преломления n0 и ne слюды. В результате слюдяная пластинка (/4 может использоваться практически только для одной лазерной длины волны (в данном случае для
0.63; 3.39; 1.15; 0.49; 0.52 мкм и т.п.). Ахроматизированные пластинки из кристаллических материалов обеспечивают нормальное функционирование по крайней мере в пределах спектрального диапазона зеркал интерферометра
((((0.1(0), однако их стоимость и дефицитность существенно выше.

Функционирование такого простейшего невзаимного элемента достаточно элементарно: линейно поляризованное излучение ЛПверт исследуемого лазера без потерь проходит через поляроид, сориентированный соответствующим образом (выполняющий в прямом ходе пучка функцию поляризатора По), и пластинку (/4, превращается в циркулярно поляризованный свет ЦП, взаимодействующий с интерферометром. Отраженное им излучение (в случае сканирующего интерферометра оно переменно во времени) вновь проходит пластинку (/4, превращаясь опять в линейно поляризованное, плоскость поляризации ЛПгор которого, однако, ортогональна исходной, так как пластинка (/2 ((/4+(/4=(/2) приводит к повороту плоскости поляризации на
90(. Естественно, что поляроид, выполняющий при обратном ходе лучей роль анализатора Ан, задерживает отраженные от интерферометра пучки. Очевидно, что невзаимный элемент поляризационного типа нормально функционирует лишь в том случае, если интерферометр и согласующая оптика не изменяют состояния поляризации отраженных пучков.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: сочинение на тему образ, скачать реферат бесплатно на тему, скачать бесплатно шпоры.





Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5  6  7  8  9 | Следующая страница реферата