Основы квантовой электроники (стр. 12 )

2.4. В «конфокальном» резонаторе совпадают:

А. радиусы кривизны зеркал Б. точки фокуса зеркал

В. центры кривизны зеркал Г. диаметры зеркал

2.5. Соотношение между радиусами кривизны сферических вогнутых зеркал (r1 и r2) и расстоянием между ними L (длина резонатора) для полуконфокального резонатора:

А. r1 = ∞, r2 = 2L Б. , В.

2.6. Аббревиатура ТЕМ обозначает:

А. продольную электромагнитную волну

Б. поперечную электромагнитную волну

В. продольную моду резонатора

2.7. Переход от закрытого объемного СВЧ-резонатора к открытому оптическому резонатору приводит к:

А. сгущению спектра собственных колебаний,

Б. прореживанию спектра собственных колебаний,

В. сгущению спектра собственных колебаний и возрастанию Δv

Г. прореживанию спектра собственных колебаний и возрастанию Δv

2.8. Межмодовый интервал в ООР между соседними поперечными модами по сравнению с интервалом между соседними продольными модами:

А. больше Б. много больше В. меньше Г. много меньше

2.9. Путем пространственной селекции можно выделить:

А. поперечную моду ТЕМ00 Б. продольную моду

В. соседние продольные моды

2.10. Трехзеркальный ООР и ООР с интерферометром Фабри-Перо позволяют выполить:

А. пространственную селекцию мод Б. частотную селекцию мод

В. повышение Qрез Г. пространственную селекцию и снижение Qрез

2.11. Полная ширина спектра активного резонатора по сравнению с полной шириной спектра пассивного резонатора:

А. шире Б. уже В. одинаковы

2.12. Ширина линии генерации одночастотного лазера Δνген с ростом Pвых:

А. снижается Б. возрастает В. не изменяется

2.13. При однородном уширении линии выходная мощность лазера связана с F2 как:

А. Б. В. Pвых = hν·F2V

2.14. В насыщенном контуре усиления ширина “провала Лэмба” на уровне половинной интенсивности составляет:

А. ~Δvодн Б. ~2Δvодн В. ~Δvнеодн Г. ~2Δvнеодн

2.15. В насыщенном контуре усиления ширина “провала Беннета” на уровне половинной интенсивности составляет:

А. Δvодн Б. 2Δvодн В. Δvнеодн Г. 2Δvнеодн

Модуль 3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ

Режим работы лазера–непрерывный или импульсный–определяется характером действия источника накачки лазера и законом изменения добротности ООР во времени.

Если интенсивность излучения лазера постоянна во времени, что является следствием постоянных уровня потерь β и, соответственно, добротности ООР (“режим свободной генерации”), а также уровня накачки активной среды, то говорят, что лазер работает в непрерывном режиме. Такой режим характеризуется устойчивой модовой структурой поля излучения, возможностью осуществить как одномодовый, так и одночастотный режим излучения с наивысшими монохроматичностью и когерентностью, а также–осуществить стабилизацию рабочей частоты и уровня мощности. Во всем предыдущем изложении подразумевался именно такой режим.

С другой стороны, реализация импульсного режима позволяет получать импульсы излучения длительностью от единиц миллисекунд до долей фемтосекунды с величиной импульсной мощности, недостижимой у других источников света. Импульсный режим может быть реализован путём управления добротностью резонатора, уровнем накачки активной среды, а также может быть вызван нестационарными процессами в лазере. Рассмотрим методы реализация и особенности импульсного режима подробнее.

3.1. Импульсный “режим свободной генерации”, генерация “пичков”.

Рис. 3.1. К объяснению появления пичков при режиме свободной генерации в длинном импульсе (а-в) и осциллограмма интенсивности излучения лазера на кристалле рубина (г)

Режим свободной генерации характеризуется постоянством во времени добротности резонатора Qp=const(t). При этом динамика (поведение во времени) интенсивности излучения, т. е. форма и пара-метры импульса генерации, определяются модуляцией уровня накачки и свойствами активной среды с учётом нестационарности процесса создания инверсии. В жидкостных, твёрдотельных и большинстве газовых лазеров форма импульса генерации в определённой мере близка к форме импульса накачки. Исключение здесь составляют газовые лазеры, где инверсия может носить существенно нестационарный характер в периоды т. наз. «ионизационной» и «рекомбинационной» неравновесности, и твёрдотельные лазеры, генерирующие “пички”.

Режим с кратковременными периодическими колебаниями мощности (“пичковый” режим) наблюдается у лазеров на кристалле рубина и др. средах с относительно большими плотностью энергии излучения ρ и временем жизни верхнего лазерного уровня τ2 (порядка 10–3с), во время длинного импульса накачки (рис. 3.1). Опишем это явление.

В интервале времени t0…t1 кинетичекое уравнение для верхнего лазерного уровня «2» имеет вид

. (3.1)

При F2>>n2/τ2, решение (3.1) дает линейный от времени рост для n2: , и, соответственно, для . Когда усиление начинает превышать потери, начинается развитие генерации и резкий рост ρ (рис. 3.1,б и в). При этом в интервале времени t1…t2 кинетическое уравнение для уровня «2» видоизменяется:

, (3.2)

и если ρB21n2>>F2, то решая (3.2), получим

, (3.3)

где –постоянная времени снижения n2(t), которая при ρB21n2>>n2/τ2, будет. Видно, что происходит быстрое снижение населённости уровня «2» за счёт индуцированных переходов, и прекращение генерации. Далее, поскольку накачка продолжает действовать, процесс повторяется, и формируется последовательность «пичков» с периодом 10‑6…10‑5 с, показанных на рис. 3.1,в.

3.2. Импульсный режим за счёт модуляции добротности ООР

3.2.1. Динамика работы лазера. Для получения коротких мощных (названных “гигантскими”) импульсов излучения лазера с большим τ2 используют режим модуляции добротности резонатора. Для этого перед включением накачки путём либо расстройки резонатора, либо с помощью помещаемого в ООР лазерного затвора, в ООР вносятся дополнительные потери β*, так что β=β1+β2+β*>α0, что снижает добротность ООР и препятствует возникновению генерации. В результате в верхнем лазерном состоянии «2» активной среды накапливаются частицы и тем самым запасается энергия Е2:

. (3.4)

Далее с максимально возможной скоростью снижаются потери и увеличивается добротность резонатора. Начиная с момента времени, когда α0 становится выше β, т. е. α0³β, происходит развитие генерации, а именно, энергия возбуждения, запасённая в активной среде, излучается в виде короткого, порядка времени включения добротности или выключения затвора (~10‑9…10‑7 с) и мощного импульса лазерного излучения. При этом половина энергии Е2, накопленной в резонаторе, превращается в энергию излучения с величиной мощности в импульсе:

, (3.5)

где τимп – длительность импульса генерации. Коэффициент ½ в (3.5) учитывает тот факт, что как только в результате индуцированных переходов половина частиц перейдет с уровня «2» на уровень «1», Δn становится равным нулю, инверсия исчезает, и генерация прекращается. Очевидно, что если τимп<<τ2, импульсная мощность , – возможное значение мощности излучения в непрерывном режиме (см., ф-лу (2.14)), соответствующее данной величине накачки уровня «2».

Длительность фронтов импульса генерации определяется: переднего–скоростью нарастания Q(t), заднего–скоростью дезактивации n2 с постоянной времени.

3.2.2. Методы модуляции добротности резонатора. Для реализации режима модулированной добротности используются лазерные затворы (модуляторы) различного принципа действия. Модуляция добротности ООР осуществляется за счёт отклонения на некоторый угол от оси резонатора лазерного луча с помощью затвора (оптико-механический или акустооптический затвор), либо изменения светопропускания затвора (электрооптический затвор или пассивный «самопросветляющийся» фильтр).

Оптико-механический лазерный затвор модулирует добротность ООР, чаще посредством вращения с высоким числом оборотов оптических элементов резонатора: зеркала или прямоугольной призмы полного внутреннего отражения.