Основы квантовой электроники (стр. 30 )

Рассмотрим два примера построения лазеров ультракоротких импульсов (УКИ). На рис. 6.5 показана оптическая схема KLM-лазера (Kerr Lens Mode-locked laser). Используется режим пассивной синхронизации мод твердотельного лазера, теория которого описана в Разделе 3.3. Активной средой лазера является кристалл сапфира Al2O3:Ti3+, имеющий наиболее широкую полосу усиления (от λ=0,66 мкм до 1,1 мкм) с максимумом усиления на 780 нм. Накачка осуществляется либо излучением второй гармоники неодимового лазера (с активным стержнем из YLiF4:Nd3+ или стекла:Nd3+) с λ=530 нм (см., раздел 5.3), либо излучением Ar+-газового лазера λ=514,5 нм (см., раздел 4.2). К “пассивному” модулятору (“самопросветляющейся” ячейке) предъявляется зачастую невыполнимое требование малого времени релаксации порядка длительности УКИ (или обратной величины ширины полосы усиления), поэтому вместо ячейки обычно используется эффект “самофокусировки” света в кристалле за счёт “нелинейности керровского типа”, заключающейся в зависимости показателя преломления среды от интенсивности света. Эффект “керровской линзы” возникает непосредственно в самом кристалле сапфира. Диафрагма на рис. 6.5 пропускает только высокоинтенсивный свет, концентрирующийся у оптической оси за счёт самофокусировки – по аналогии с эффектом увеличения пропускания “самопросветляющейся” ячейки при росте интенсивности света.

При этом, вследствие положительной дисперсии сред, в том числе и сапфира, происходит т. наз. “чирпирование” импульса, т. е. изменение частоты света во времени: низкочастотная часть спектра “обгоняет” высокочастотную, и в результате лазерный импульс может растянуться во времени. Для компенсации этого эффекта используется устройство с “отрицательной” дисперсией – компенсатор дисперсии групповых скоростей (ДГС), двухпризменный вариант которого показан на рис. 6.5. Первая призма разводит свет по длинам волн (частотам), а вследствие разности хода лучей различной частоты во второй призме, эффективное время прохождения лазерного кристалла и компенсатора ДГС всеми составляющими спектра импульса будет одинаковым.

На рис. 6.6 приведена блок-схема мощного генератора УКИ света, построенного по принципу “chirp pulse amplification” (CPA). Задающий генератор (лазер) формирует импульс света наносекундной длительности, который затем направляется в устройство, растягивающее импульс во времени (эспандер) и за счёт этого понижающее его интенсивность (мощность), а также осуществляющее частотную модуляцию света во времени (“чирпирование”). Далее этот импульс усиливается одно - или многокаскадным усилителем и попадает в устройство, называемое компрессором, и сжимающее импульс во времени, за счёт чего импульсная мощность многократно возрастает.

В качестве задающего генератора может выступать KLM-лазер (см., выше). Эспандер состоит из двух дифракционных решеток. После прохождения усилителя энергия в импульсе возрастает на 3-4 порядка величины, при этом интенсивность (мощность) остаётся невысокой, что не приводит к нелинейно-оптическим явлениям и повреждениям кристаллов усилителей. Как и эспандер, компрессор состоит из двух дифракционных решеток, ориентированных так, что разность хода составляющих спектра эквивалентна “отрицательной” дисперсии.

По CPA-схеме Центром ультрабыстрых оптических явлений Мичиганского университета построена установка “Hercules”, которая генерирует световые импульсы длительностью до 16фс с рекордными мощностью до 300 ТВт и интенсивностью до 2·1022 Вт/см2 [16].

Рис. 6.5.

Рис. 6.6.

Задания и упражнения к разделу (модулю) 6

1) Расстояние от Земли до Луны определяют, измеряя время, необходимое для возвращения на Землю 50-нс импульса рубинового лазера с модулированной добротностью, который отражается уголковым ретроотражателем с ребром 1 м, расположенным на Луне. Радиус орбиты Луны 384000 км.

а) Определите диаметр пятна, освещаемого на Луне, если расстояние от Земли до Луны равно 3,8·108 м, полный угол расходимости луча составляет 10‑4 рад, диаметр лазерного луча 1 см, апертура телескопа 300 см.

б) Какая доля светового потока отразится от поверхности кубического уголкового ретроотражателя?

в) Какая часть зондирующего излучения будет принята телескопом на Земле?

г) Считая, что погрешность измерения приблизительно равна расстоянию, которое проходит свет за время, равное длительности лазерного импульса, определите точность измерений расстояния, производимых с помощью этого метода.

д) Найдите время задержки принятого на Земле отражённого лазерного импульса относительно зондирующего импульса?

Вопросы для самоконтроля (тест) к разделу (модулю) 6

6.1. Получение голографического изображения на фотоматериале определяется:

А) интерференцией Б) дифракцией В) рефракцией

6.2. Восстановление изображения с голограммы определяется:

А) интерференцией Б) дифракцией В) рефракцией

6.3. Цветную голограмму (по методу Денисюка) можно получить:

А) на фотопластинке с тонкослойной эмульсией

Б) на фотопластинке с высоким разрешением и тонкослойной эмульсией

В) на фотопластинке с толстослойной эмульсией

6.4. При стабилизации лазера по «провалу Лэмба» дискриминатор частоты использует:

А) локальный максимум зависимости интенсивности от частоты

Б) локальный минимум зависимости интенсивности от частоты

В) левый скат кривой зависимости интенсивности от частоты

Г) правый скат кривой зависимости интенсивности от частоты

6.5. При стабилизации лазера по «обращенному провалу Лэмба» дискриминатор частоты использует:

А) локальный максимум зависимости интенсивности от частоты

Б) локальный минимум зависимости интенсивности от частоты

В) левый скат кривой зависимости интенсивности от частоты

Г) правый скат кривой зависимости интенсивности от частоты

6.6. В насыщенном контуре усиления ширина «провала Лэмба» на уровне половинной интенсивности составляет:

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

6.7. Относительное значение ширины провала Лэмба для He-Ne лазера (ΔνЛэмба/ΔνДоплер). Время жизни верхнего лазерного уровня 2∙10–8с, нижнего 10–8с, Т=400 °К, λ=632,8нм:

А) ~0,1 Б) ~0,01 В) ~1,5 Г) ~10–4

6.8. Тип квантового перехода в Н-мазере:

А) электронный Б) колебательно-вращательный

В) между уровнями СТС

6.9. В водородном мазере выделение атомов водорода в верхнем энергетическом состоянии осуществляется в:

А) электрической сортирующей системе

Б) магнитной сортирующей системе

В) световом поле вспомогательного излучения

6.10. Тип квантового перехода в атомах цезия цезиевой атомно-лучевой трубки:

А) электронный Б) колебательно-вращательный

В) между уровнями СТС

6.11. Селекция по состояниям атомов цезия в цезиевой атомно-лучевой трубке (дискриминаторе частоты) осуществляется в:

А) электрической сортирующей системе

Б) магнитной сортирующей системе

В) световом поле вспомогательного излучения

6.12. Сортировка по квантовым состояниям атомов может быть осуществлена:

А) в неоднородном магнитном поле

Б) в неоднородном электрическом поле

В) в однородном магнитном поле

Г) в однородном электрическом поле

6.13. Сортировка по квантовым состояниям молекул может быть осуществлена:

А) в неоднородном магнитном поле

Б) в неоднородном электрическом поле

В) в однородном магнитном поле

Г) в однородном электрическом поле

6.14. Для образования пучка атомов водорода в водородном мазере используется:

А) химическая реакция Б) испарение

В) диссоциатор молекул водорода и система диафрагм

6.15. В водородном мазере используется:

А) открытый оптический резонатор

Б) закрытый объемный резонатор миллиметрового диапазона

В) закрытый объемный резонатор сантиметрового диапазона

Г) закрытый объемный резонатор дециметрового диапазона

6.16. В цезиевой атомно-лучевой трубке (дискриминаторе частоты) используется:

А) открытый оптический резонатор

Б) закрытый объемный резонатор миллиметрового диапазона

В) закрытые объемные резонаторы сантиметрового диапазона

Г) закрытые объемные резонаторы дециметрового диапазона

6.17. Луну освещают с Земли рубиновым лазером с угловой расходимостью 10–4 рад. Какая доля светового потока отразится от кубического уголкового отражателя с ребром 1 м? Радиус орбиты Луны 384 000 км:

А) ~6∙10–20 Б) ~6∙10–15 В) ~6∙10–5 Г) ~6∙10–10

6.18. Луну освещают с Земли рубиновым лазером с угловой расходимостью 10–4 рад. Через какое время импульс света отразившись от кубического уголкового отражателя с ребром 1 м возвратится на Землю? Радиус орбиты Луны 384 000 км:

А) ~2,6 мc Б) ~2,6 c В) ~26 c Г) ~26 мc

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Лекции по квантовой электронике М.: Наука, 1988. 2-е изд., -336с.

2.  Принципы лазеров. М.: Мир, 1984, -395с.; 3-е изд. 1990, 560с.; 4-е изд. 1998, -540с.

3.  Оптическая и квантовая электроника. М.: Высшая школа, 2001. -573с.

4.  , Физическая оптика. М.: Изд. МГУ, 2004. 2-е изд.- 656с.

5.  Физические основы лазерной техники. М.: Высшая школа, 2005. -543с.

6.  Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. М.: Радио и связь, 1981, -440с.

7.  , Физические основы квантовой электроники. Томск: Изд. ТГУ, 2006. -363с.

8.  , , Ионные лазеры на парах металлов. М.: Энергоатомиздат, 1990. -256с.

9.  Физическая энциклопедия. В 5 т. М.: «Российская энциклопедия». 1988-1998.

10.  Газовый разряд и его применение в фотонике. Учебное пособие. Ростов н/Д: Изд. ЮФУ, 2009. -96с.

11.  Электроника. Энциклопедический словарь. М.: Энциклопедия, 1991. -688с.

12.  , Применение лазеров в приборах точной механики. СПб.: Политехника, 1993. -216с.; , Расчет линий поглощения для лазеров, стабилизированных по реперам йода. Препринт №53. С-Пб.: Институт Аналитического приборостроения РАН. 1992. -47c.