Lāzera oscilācijas sistēma satur aktīvo vidi, tāpēc lāzera starojuma spektru nosaka gan vides spektrālās īpašības, gan rezonatora frekvences īpašības. Aplūkosim emisijas spektra veidošanos vides spektrālās līnijas neviendabīgas un vienmērīgas paplašināšanās gadījumos.

Emisijas spektrs ar nevienmērīgu spektra paplašināšanos; līnijas. Apskatīsim gadījumu, kad barotnes spektrālās līnijas formu galvenokārt nosaka Doplera efekts, un barotnes daļiņu mijiedarbību var neievērot. Spektrālās līnijas Doplera paplašinājums ir neviendabīgs (sk. 12.2. punkts).

Attēlā 15.10, a parāda rezonatora frekvences raksturlielumu, un attēlā. Attēlā 15.10b ir parādīta barotnes spektrālās līnijas kontūra. Parasti spektrālās līnijas platums ar Doplera paplašinājumu ∆ ν = ∆ νD ir daudz lielāks nekā intervāls ∆ νq starp blakus esošo rezonatora režīmu frekvencēm. Vērtība ∆ νq, kas noteikta pēc formulas (15.2), piemēram, ar rezonatora garumu L = 0,5 m būs 300 MHz, savukārt spektrālās līnijas platums Doplera efekta dēļ ∆ νD saskaņā ar formulu (12.31) var būt apm. 1 GHz. Šajā piemērā vides∆ ν≈∆ νД spektrālā līnijas platuma robežās; tiek novietoti trīs gareniskie režīmi. Ar lielāku rezonatora garumu režīmu skaits līnijas platumā palielinās, jo blakus režīmu frekvenču intervāls ∆ νq samazinās.

Doplera paplašināšanās ir nehomogēna, t.i., spontānu emisiju izvēlētajā frekvenču diapazonā, kas ir mazāks par ∆ νD, rada noteikta daļiņu grupa, nevis visas

vides daļiņas. Pieņemsim, ka daļiņas dabiskais spektrālais līnijas platums ir ievērojami mazāks par blakus režīmu frekvenču starpību (piemēram, dabiskais līnijas platums

neona frekvence ir tuvu 16 MHz). Tad daļiņas, kas ierosina noteiktu režīmu ar savu spontānu emisiju, neizraisīs citu režīmu ierosmi.

Lāzera starojuma spektra noteikšanai izmantosim absorbcijas koeficienta æ atkarību no frekvences Bouguer likumā (12.50). Šis rādītājs ir proporcionāls augstākā un apakšējā pārejas līmeņa populāciju atšķirībām. Vidē bez populācijas inversijas æ >0 un raksturo elektromagnētiskā lauka enerģijas absorbciju. Inversijas klātbūtnē<0 и определяет усиление поля. В этом случае модуль показателя называют показателем усиления активной средыæ а (æ а =|æ |).

Pastiprinājuma indeksa æ a (ν) frekvences atkarība saskaņā ar formulu (12.44) sakrīt ar vides spektrālās līnijas formu, kad līmeņu populācijas ir nemainīgas vai nedaudz mainās piespiedu pāreju rezultātā. Šāda sakritība tiks novērota, ja tiks izveidota populācijas inversija un vēl nav izpildīti nosacījumi lāzera pašiercināšanai (piemēram, nav dobuma spoguļu). Attēlā 15.10, punktētā līnija parāda šādu sākotnējo frekvences atkarību. Ar Doplera spektrālās līnijas paplašināšanu atkarība tiek izteikta ar Gausa funkciju, un tās platums ir ∆ νD, kā parādīts attēlā. 15.10, dz.

Pieņemsim, ka pašiedvesmas nosacījumi ir izpildīti. Tad vienas daļiņas spontānā emisija izraisīs citu daļiņu piespiedu pārejas, ja pēdējo spontānās emisijas frekvence ir aptuveni aizraujošās daļiņas spektrālās līnijas dabiskā platuma robežās. Populācijas inversijas rezultātā dominēs piespiedu pārejas no augšas uz leju, t.i., augstākā līmeņa iedzīvotāju skaitam jāsamazinās, jāpalielinās zemākā līmeņa iedzīvotāju skaitam, un jāsamazinās pieauguma indeksam æ a.

Lauks rezonatorā ir maksimāls pie režīmu rezonanses frekvencēm. Šajās frekvencēs tiks novērotas vislielākās pārmaiņas pārejas līmeņu populācijās. Tāpēc uz æ a (ν) līknes rezonanses frekvenču tuvumā parādīsies kritumi (sk. 15.10. att., c).

Pēc paša ierosmes nosacījuma izpildes iegremdēšanas dziļums rezonanses frekvencēs palielinās, līdz iestājas režīms; stacionāras svārstības, pie kurām pastiprinājuma indekss kļūs vienāds ar zaudējumu indeksu α saskaņā ar nosacījumu (15.13.). Katra krituma platums ir aptuveni vienāds ar daļiņu līnijas dabisko platumu, ja attiecīgajā frekvencē ģenerētā jauda ir maza. Jo lielāka jauda un līdz ar to arī tilpuma lauka enerģijas blīvums, kas ietekmē piespiedu pāreju skaitu, jo plašāka ir atstarpe. Pie mazas jaudas pastiprinājums vienā iecirtumā ir neatkarīgs no pastiprinājuma citā iecirtumā, jo robi nepārklājas sākotnējā pieņēmuma dēļ, ka dabiskais līnijas platums ir mazāks par attālumu starp rezonanses frekvencēm. Svārstības šajās frekvencēs var uzskatīt par neatkarīgām. Attēlā 15.10d attēlā redzams, ka lāzera starojuma spektrs satur trīs emisijas līnijas, kas atbilst trim rezonatora garenvirziena režīmiem. Katra režīma starojuma jauda ir atkarīga no atšķirības starp pastiprinājuma indeksa sākotnējo un stacionāro vērtību,

tāpat kā formulā (15.21), t.i., to nosaka atbilstošo iegrimumu dziļums att. 15.10, plkst. Katras emisijas līnijas δν platumu noteiksim sadaļas beigās, un tagad apspriedīsim sūkņa jaudas ietekmi uz ģenerēto režīmu skaitu dotajiem zudumiem.

Ja sūkņa jauda ir tik maza, ka vidējā pastiprinājuma maksimālā vērtība (15.11. att. līkne 1, b) nesasniedz sliekšņa vērtību, kas vienāda ar α, tad neviens no rezonatora frekvences reakcijas noteiktajiem režīmiem netiek ierosināts. (15.11. att., a). 2. līkne atbilst lielākai sūkņa jaudai, kas nodrošina, ka barotnes spektrālās līnijas centrālā frekvence ν0 pārsniedz sliekšņa vērtību. Šis gadījums atbilst vienam kritumam attēlā. 15.11,c un viena garenrežīma ģenerēšana (15.11.,d att.). Sūkņa jaudas turpmāka palielināšana nodrošinās, ka tiek ievēroti pašiedvesmas nosacījumi citiem režīmiem (3. līkne). Attiecīgi indikatora līknes kritumi un emisijas spektrs tiks attēloti kā attēlā. 15.10, Ig.

Emisijas spektrs ar vienmērīgu spektrālās līnijas paplašināšanos. Vienmērīga spektra līnijas paplašināšanās tiek novērota gadījumā, ja galvenais paplašināšanās cēlonis ir sadursme | barotnes daļiņu (vai mijiedarbība).(12.2. §) .

Pieņemsim, tāpat kā nehomogēnās paplašināšanas gadījumā, ka vairākas rezonatora dabiskās frekvences ietilpst vides spektrālajā līnijā. Attēlā 15.12a parāda rezonatora frekvences raksturlielumu, norādot katra režīma rezonanses līkņu frekvenci un platumu ∆ νp. 1. līkne attēlā. 15.12.b attēlota barotnes pastiprinājuma indeksa frekvences atkarība ar populācijas inversiju pirms lāzera paša ierosmes.

Katras daļiņas un visas vides spektrālā līnija sakrīt ar vienmērīgu paplašināšanos, tāpēc jebkuras daļiņas spontāna emisija var izraisīt stimulētu

citu daļiņu pārejas. Līdz ar to piespiedu pāreju laikā norādītajā vidē ar populācijas inversiju æ a frekvences atkarība ģenerēšanas laikā (2. līkne) saglabāsies tādā pašā formā kā pirms ģenerēšanas (1. līkne), bet atradīsies zem tās. Ar neviendabīgu līniju paplašināšanos novēroto kritumu (sk. 15.11.c att.) šeit nav, jo tagad lāzera starojuma jaudas veidošanā piedalās visas barotnes daļiņas.

Attēlā 15.12., b, paš ierosmes nosacījumi æ a > α ir izpildīti trim režīmiem ar frekvencēm νq-1, νq = ν0 un νq+1. Tomēr pie spektrālās līnijas ν0 centrālās frekvences pastiprinājums uz vienu starojuma caurlaidi caur aktīvo vidi ir maksimāls. Lielāka pāreju skaita rezultātā galvenais ieguldījums starojuma jaudā būs no režīma ar centrālo frekvenci.

Tādējādi lāzeros ar vienmērīgu barotnes spektrālās līnijas paplašināšanu ir iespējams iegūt vienas frekvences režīmu ar lielu jaudu (15.12.c att.), jo atšķirībā no nehomogēnās paplašināšanas gadījuma tiek samazināta sūkņa jauda. nav nepieciešams, lai iegūtu šo režīmu.

Lāzera starojuma monohromatiskums. Svārstību ģenerēšana jebkurās kvantu ierīcēs sākas ar spontānu emisiju, kuras intensitātes atkarību no frekvences raksturo vides spektrālā līnija. Taču optiskajā diapazonā vides spektrālās līnijas platums ir ievērojami lielāks par pasīvā (bez aktīvās vides) rezonatora rezonanses līkņu platumu ∆ νp pēdējā augstā kvalitātes faktora Q dēļ. Vērtība ∆ νP =ν0 /Q, kur ν0 ir rezonanses frekvence. Ja rezonatorā ir aktīva vide, tiek kompensēti zudumi (reģeneratīvais efekts), kas ir līdzvērtīgs kvalitātes faktora pieaugumam un rezonanses līknes platuma ∆ νp samazinājumam līdz vērtībai δ ν.

Viena režīma ģenerēšanas gadījumā ar frekvenci ν0 lāzera starojuma līnijas platumu var novērtēt, izmantojot formulu

kur P ir starojuma jauda. Radiācijas jaudas pieaugums atbilst lielākam

zaudējumu kompensāciju, palielinot kvalitātes koeficientu un samazinot emisijas līnijas platumu. Ja ∆ νp =l MHz, ν0 =5·1014 Hz, Р =1 mW, tad δ νteor ≈ 10-2 Hz, un attiecība δ νteor /ν 0 ≈2·10-17. Tādējādi emisijas līnijas platuma teorētiskā vērtība izrādās ārkārtīgi liela

mazs, par daudzām kārtām mazāks par rezonanses līkņu platumu ∆ νp. Tomēr iekšā reāli apstākļi Akustiskās ietekmes un temperatūras svārstību ietekmē tiek novērota rezonatora izmēru nestabilitāte, kas izraisa rezonatora dabisko frekvenču un līdz ar to arī lāzera starojuma līniju frekvenču nestabilitāti. Līdz ar to reālais (tehniskais) starojuma līnijas platums, ņemot vērā šo nestabilitāti, var sasniegt δ ν = 104 –105 Hz.

Lāzera starojuma monohromatiskuma pakāpi var novērtēt pēc lāzera starojuma līnijas platuma un vairākas emisijas līnijas saturoša lāzera starojuma spektra apvalka platuma (sk. 15.10. att., d). Pieņemsim, ka ∆ ν=104 Hz, ν0 =5·1014 Hz, un spektra apvalka platums δ o.c .=300 MHz. Tad monohromatiskuma pakāpe pa vienu līniju būs δ ν/ν0 ≈ 2·10-11, bet pa apvalku δ ν/ν0 ≈ 6·10-7. Lāzeru priekšrocība ir starojuma augstā vienkrāsainība, it īpaši vienā starojuma līnijā vai vienas frekvences darbības režīmā

15.4.§. Lāzera starojuma saskaņotība, monohromatiskums un virziens

IN Piemērojot optiskām vibrācijām, koherencija raksturo savienojumu (korelāciju) starp gaismas vibrāciju fāzēm. Pastāv temporālā un telpiskā koherence, kas lāzeros ir saistīta ar starojuma monohromatitāti un virzienu.

IN Vispārīgā gadījumā, pētot starojuma lauku korelāciju attiecīgi divos punktos telpā, brīžos nobīdot par noteiktu daudzumu τ, tiek izmantots savstarpējās koherences funkcijas jēdziens.

kur r 1 un r 2 ir pirmā un otrā punkta rādiusa vektors E 1 (r 1, t+ τ) un E* 2 (r 2, t) ir lauka intensitātes kompleksās un kompleksās konjugētās vērtības; šie punkti. Normalizētā savstarpējās koherences funkcija raksturo saskaņotības pakāpi:

kur I (r 1) un I (r 2) ir starojuma intensitāte izvēlētajos punktos. Modulis γ 12 (τ) svārstās no nulles līdz vienam. Ja γ 12 τ =0 nav saskanības, |γ 12 (τ )|=l gadījumā ir pilnīga saskaņotība

Starojuma temporālā koherence un monohromatiskums. Laika saskaņotība ir korelācija starp lauka vērtībām vienā telpas punktā laika momentos, kas atšķiras par noteiktu daudzumuτ. Šajā gadījumā rādiusa vektori r 1 un r 2 savstarpējās koherences funkcijas Г noteikšanā 12 (r 1, r 2, τ) un funkcijas γ 12 (τ ) izrādās vienādi, savstarpējās koherences funkcija pārvēršas par autokorelācijas funkciju, bet normalizētā funkcija pārvēršas par funkcijuγ 11 (τ ), kas raksturo temporālās koherences pakāpi.

Iepriekš tika atzīmēts, ka spontānu pāreju laikā atoms izstaro vibrāciju vilcienus, kas nav savstarpēji saistīti (15.13. att.). Svārstību korelācija vienā telpas punktā tiks novērota tikai laika intervālā, kas ir īsāks par vilciena ilgumu. Šo intervālu sauc saskaņotības laiks, un tas tiek pieņemts vienāds ar spontāno pāreju kalpošanas ilgumu m. Koherences laikā gaismas nobraukto attālumu sauc saskaņotības garums£. Pie τ ≈ 10-8 с £ =c τ =300 cm Koherences garumu var izteikt arī caur spektrālās līnijas ∆ ν platumu. Tā kā ∆ ν≈ 1/τ, tad £ ≈ c /∆ ν.

Temporālā saskaņotība un monohromatiskums ir saistītas. Vienkrāsainību kvantitatīvi nosaka monohromatiskuma pakāpe ∆ ν/ ν0 (sk. § 15.3). Jo augstāka ir temporālās koherences pakāpe, t.i., jo garāks koherences laiks, jo mazāku frekvenču spektru ∆ ν aizņem starojums, un jo labāka monohromatiskums. Robežā ar pilnīgu laika koherenci (τ →∞) starojums kļuva pilnīgi vienkrāsains (∆ ν → 0).

Apskatīsim lāzera starojuma laika koherenci. Pieņemsim, ka noteikta aktīvās vides daļiņa ir izstarojusi kvantu, kuru attēlosim svārstību vilciena formā (sk. 15.13. att.). Vilcienam mijiedarbojoties ar citu daļiņu, parādīsies jauns vilciens, kura svārstību fāze piespiedu pāreju rakstura dēļ sakrīt ar sākotnējā vilciena svārstību fāzi. Šo procesu atkārto daudzas reizes, saglabājot fāzes korelāciju. Rezultātā radušās svārstības var uzskatīt par vilcienu, kura ilgums ir ievērojami garāks par sākotnējā vilciena ilgumu. Tādējādi palielinās koherences laiks, t.i., uzlabojas starojuma temporālā koherence un monohromatiskums.

Saistībā ar šo apsvērumu kļūst acīmredzams, ka optiskais rezonators palielina lāzera starojuma koherenci laikā, jo tas nodrošina atkārtotu vilcienu pāreju caur aktīvo vidi. Pēdējais ir līdzvērtīgs emitentu kalpošanas ilguma palielināšanai, laika saskanības palielināšanai un līnijas platuma samazinājumam.

	lāzera starojums, kas apspriests 15.3.
	Var noteikt lāzera starojuma koherences laiku
	caur lāzera starojuma līnijas tehnisko platumu δ ν. Autors
	formula τ =1/2πδ ν.. Pie δ ν=103 Hz koherences laiks
	ir τ =1,5·10-4 s. Saskaņas garums šajā gadījumā
	L =cτ =45 km. Tādējādi saskaņotības laiks un garums
	saskaņotība lāzeros ir par daudzām kārtām lielāka nekā in
	parastie gaismas avoti.

starojuma telpiskā saskaņotība un virziens, Telpiskā saskaņotība ir korelācija starp lauka vērtībām divos telpas punktos vienā un tajā pašā laika punktā. Šajā gadījumā savstarpējās koherences funkcijas Г formulas 12 (r 1 , r 2 , τ ) un normalizēta koherences funkcijaγ 12 (τ ) jāaizstājτ =0. Funkcija γ 12 (0) raksturo telpiskās saskaņotības pakāpi.

Starojums no punktveida avota vienmēr ir telpiski koherents. Paplašināta avota telpiskās koherences pakāpe ir atkarīga no tā lieluma un attāluma starp to un novērošanas punktiem. No optikas ir zināms, ka jo lielāks ir avota izmērs, jo mazāks ir leņķis, kurā starojumu var uzskatīt par telpiski koherentu. Vieglam vilnim ar vislabāko telpisko saskaņotību jābūt ar plakanu priekšpusi.

Lāzeros starojumam ir augsta virziena (plakana fronte), ko nosaka optiskā dobuma īpašības. Paš ierosmes nosacījums ir izpildīts tikai noteiktam virzienam rezonatorā optiskajai asij vai tai tuviem virzieniem. Rezultātā ļoti liels skaits atspīdumu no spoguļiem, starojums virzās tālu, kas ir līdzvērtīgs attāluma palielinājumam starp avotu un novērošanas punktu. Šis ceļš atbilst koherences garumam un gāzes lāzeriem var būt desmitiem kilometru. Lāzera starojuma augstā virzība nosaka arī augstu telpisko koherenci. Zīmīgi, ka lāzera attāluma palielināšanās efektu pavada starojuma jaudas palielināšanās, pateicoties tās pastiprināšanai aktīvajā vidē, turpretim tradicionālajos avotos telpiskās koherences uzlabošanās ir saistīta ar gaismas intensitātes zudumu.

Radiācijas augstā temporālās koherences pakāpe nosaka lāzeru izmantošanu informācijas pārraides sistēmās, attālumu un leņķisko ātrumu mērīšanā un kvantu frekvenču standartos. Augsta telpiskās koherences (virziena) pakāpe ļauj efektīvi pārraidīt gaismas enerģiju un fokusēt gaismas plūsmu uz ļoti maza izmēra plankumu, kas ir salīdzināms ar viļņa garumu. Tas ļauj iegūt milzīgas enerģijas blīvuma, lauka intensitātes un gaismas spiediena vērtības, kas nepieciešamas zinātniskie pētījumi un dažādi tehniskie pielietojumi.

2013. gada 4. novembris, 21:33

Geto stila spektroskopija: lāzeru spektra un (drošo) briesmu izpēte

• DIY vai dari pats

Es domāju, ka visi, kas lasa šo rakstu, ir spēlējušies ar lāzera rādītājiem. IN NesenĶīnieši ceļ radiācijas jaudu arvien augstāk - un par drošību būs jārūpējas pašiem.

Papildus tam man izdevās apskatīt arī lāzera starojuma spektru uz mana ceļgala - vai tas ģenerē vienā frekvencē, vai vairākas vienlaikus. Tas var būt nepieciešams, ja vēlaties mēģināt ierakstīt hologrammu mājās.

Atcerēsimies zaļo DPSS lāzeru dizainu

808 nm infrasarkanā lāzera diode spīd uz Nd:YVO4 vai Nd:YAG neodīma lāzera kristāla, kas izstaro gaismu ar viļņa garumu 1064 nm. Tad nelineārajā KTP kristālā notiek frekvences dubultošanās - un mēs iegūstam 532 nm zaļo gaismu.

Acīmredzama problēma šeit ir tāda, ka 808 nm un 1064 nm starojums var iziet no lāzera (ja nav izejas filtra vai tas ir sliktas kvalitātes) nezināmā leņķī, un mums nemanot var notikt mākslinieciska griešana uz tīklenes. Cilvēka acs vispār neredz 1064 nm, un 808 nm starojums ir ļoti vājš, bet to var redzēt tumsā (tas nav pārāk bīstami tikai ar izkliedētu starojumu pie mazas jaudas!).

Tomēr kāds ir starojums lāzera starojuma fokusētajā daļā? Mēģināsim noskaidrot.

Pirmā pieeja: papīra lapa un kompaktdisks

Ideja ir vienkārša – mēs izstarojam lāzeru caur caurumu A4 papīra loksnē uz apzīmogota kompaktdiska virsmas. Rievas uz diska virsmas — sākot ar pirmo tuvinājumu — darbojas kā difrakcijas režģis un sadala gaismu spektrā.

Katrs viļņa garums veido vairākus attēlus uzreiz - vairākas pozitīvas un vairākas negatīvas kārtas.

Rezultātā ar aci un parasto kameru mēs redzēsim sekojošo:

Tomēr, ja mēs skatāmies uz papīra lapu ar kameru bez IR filtra, mēs pamanām dīvainu purpursarkanu punktu starp pirmo un otro punktu no centra:

Otrā pieeja: dispersijas prizmas

Prizma arī sadala gaismu spektrā, bet refrakcijas leņķu atšķirība ir dažādi garumi viļņi - daudz mazāk. Tāpēc man uzreiz nebija iespējams šo variantu realizēt – turpināju saskatīt vienu punktu. Situāciju pasliktināja tas, ka manas prizmas bija no parasta stikla, kas divas reizes sliktāk sadala gaismu spektrā nekā specializētās.

Rezultāts ir sasniegts: skaidri redzami 808nm, 1064nm un zaļie 532nm punkti. Cilvēka acs IR punktu vietā vispār neko neredz.

Izmantojot 1W zaļo lāzeru, izmantojot "pirkstu augstas precizitātes jaudas mērītāju" (saīsināti PVIM), bija iespējams noskaidrot, ka manā gadījumā lielākā daļa starojuma ir 532 nm un 808 nm un 1064 nm, lai gan tas ir nosakāms. ar kameru to jauda ir 20 vai vairāk reižu mazāka, zem PVIM noteikšanas robežas.

Ir pienācis laiks pārbaudīt brilles

Ķīnieši sola, ka 190-540 nm un 800-2000 nm vājināšanās ir 10 tūkstoši reižu (OD4). Nu, pārbaudīsim, vai acis nav oficiālas.

Uzliekam kamerai brilles (ja uzliks uz lāzera caurums izkusīs, plastmasa), un sanāk: 532nm un 808nm ir ļoti novājināti, nedaudz paliek no 1064nm, bet domāju, ka tas nav kritiski. :

Ziņkārības pēc nolēmu notestēt krāsainās anaglifa brilles (ar sarkanu un zilu stiklu). Sarkanā puse labi saglabā zaļo krāsu, bet infrasarkanajai gaismai tās ir caurspīdīgas:

Zilajai pusei praktiski nav nekādas ietekmes:

Vai lāzers ģenerē vienā vai vairākās frekvencēs?

Kā atceramies, DPSS lāzera galvenais dizaina elements ir Fabry-Perot rezonators, kas sastāv no 2 spoguļiem, viens caurspīdīgs, otrs regulārs. Ja ģenerētā starojuma viļņa garums neietilpst rezonatora garumā veselu skaitu reižu, viļņi paši par sevi izzudīs traucējumu dēļ. Nav pieteikuma īpašiem līdzekļiem lāzers vienlaikus ģenerēs gaismu visās pieļaujamajās frekvencēs uzreiz.

Jo lielāks ir rezonatora izmērs, jo lielāks ir iespējamo viļņu garumu skaits, pie kuriem lāzers var radīt. Zemākās jaudas zaļajos lāzeros neodīma lāzera kristāls ir plāna plāksne, un bieži vien ir iespējams tikai 1 vai 2 viļņu garumi lāzeriem.

Kad temperatūra (= rezonatora izmērs) vai jauda mainās, ģenerēšanas frekvence var mainīties vienmērīgi vai pēkšņi.

Kāpēc tas ir svarīgi? Lāzerus, kas rada gaismu vienā viļņa garumā, var izmantot hologrāfijai mājās, interferometrijai (īpaši precīziem attāluma mērījumiem) un citām jautrām lietām.

Nu, pārbaudīsim to. Mēs ņemam to pašu kompaktdisku, bet šoreiz mēs novērosim plankumu nevis no 10 cm, bet no 5 metriem (jo mums ir jāredz viļņu garumu atšķirība 0,1 nm, nevis 300 nm).

1W zaļais lāzers: Sakarā lieli izmēri rezonators - frekvences rodas nelielos intervālos:

10mW zaļais lāzers: rezonatora izmēri ir mazi - vienā spektra diapazonā ietilpst tikai 2 frekvences:

Kad jauda ir samazināta, paliek tikai viena frekvence. Jūs varat uzrakstīt hologrammu!

Apskatīsim citus lāzerus. Sarkans 650nm 0,2W:

Ultravioletais 405nm 0,2W:

Lāzera spektrālā diapazona paplašināšana. Viens no lāzerierīču izstrādes speciālistu galvenajiem uzdevumiem ir radīt koherenta starojuma avotus, kuru viļņa garumu var noregulēt visā spektra diapazonā no tālā infrasarkanā apgabala līdz ultravioletajam un pat īsāka viļņa garuma starojumam.

Krāsu lāzera izveide izrādījās ārkārtīgi veiksmīga svarīgs notikums no šī viedokļa, jo to starojumu var noregulēt viļņu garuma diapazonā ārpus redzamā spektra apgabala. Tomēr lāzera starojuma spektrā ir ievērojamas nepilnības, t.i., reģioni, kuros zināmās lāzera pārejas ir reti sastopamas, un to frekvences regulēšana iespējama tikai šauros spektra diapazonos.

Plašās fluorescences joslas, uz kurām balstās noskaņojamā krāsvielu lāzera darbība, netiek atklātas tālajā infrasarkanajā spektra zonā, un lāzeros izmantotās krāsvielas ātri iznīcina intensīvā sūkņa starojumā, kad krāsa tiek ierosināta, kad tas ir nepieciešams. lai radītu lāzeru spektra ultravioletajā reģionā.

Nelineārā optika.

Meklējot veidus, kā aizpildīt šīs nepilnības, daudzi lāzerzinātnieki ir izmantojuši nelineāros efektus dažos optiskajos materiālos. 1961. gadā Mičiganas universitātes pētnieki fokusēja rubīna lāzera gaismu ar viļņa garumu 694,3 nm kvarca kristālā un caur kristālu izlaidušajā starojumā konstatēja ne tikai pašu rubīna lāzera gaismu, bet arī starojumu. ar dubultu frekvenci, t.i., pie viļņa garuma 347,2 nm. Lai gan šis starojums bija daudz vājāks nekā pie viļņa garuma 694,3 nm, tomēr šim īsviļņu starojumam bija lāzera gaismai raksturīgā monohromatitāte un telpiskā koherence.

Šāda īsviļņu starojuma ģenerēšanas process ir pazīstams kā frekvences dubultošana vai otrā harmonikas paaudze. SHG ir viens no piemēriem daudziem nelineāriem optiskiem efektiem, kas izmantoti, lai paplašinātu lāzera starojuma regulējamo spektrālo diapazonu. SHG bieži izmanto konvertēšanai infrasarkanais starojums 1,06 µm un citas neodīma lāzera līnijas starojumā, kas iekrīt dzeltenzaļajā spektra apgabalā, piemēram, 530 nm, kurā var iegūt tikai nelielu skaitu intensīvu lāzera līniju.

Harmonisko ģenerēšanu var izmantot arī, lai radītu starojumu, kura frekvence ir trīs reizes lielāka par oriģinālā lāzera starojuma frekvenci. Rubīdija un citu sārmu metālu nelineārie raksturlielumi tiek izmantoti, piemēram, lai trīskāršotu neodīma lāzera frekvenci līdz vērtībai, kas atbilst viļņa garumam 353 nm, t.i., krītot spektra ultravioletajā apgabalā.

Teorētiski ir iespējami par trešo harmoniku ģenerēšanas procesi, taču šādas pārveidošanas efektivitāte ir ārkārtīgi zema, tāpēc no praktiskā viedokļa tie neinteresē. Iespēja radīt koherentu starojumu jaunās frekvencēs neaprobežojas tikai ar harmoniku ģenerēšanas procesu. Viens no šādiem procesiem ir parametru pastiprināšanas process, kas ir šāds.

Nelineāru vidi ietekmē trīs viļņi: spēcīgs gaismas vilnis ar frekvenci 1, sūkņa vilnis un divi vāji gaismas viļņi ar zemākām frekvencēm 2 un 3. Ja ir izpildīts 1. 23. nosacījums un viļņu sinhronizācijas nosacījums, a. spēcīgs vilnis ar frekvenci 1 tiek iesūknēts viļņu enerģijā ar frekvencēm 2 un 3. Ja optiskā dobumā ievieto nelineāru kristālu, mēs iegūstam ierīci, kas ļoti atgādina lāzeru un tiek saukta par parametrisko oscilatoru.

Šāds process būtu noderīgs pat tad, ja tā izmantošana aprobežotos ar divu esošo frekvenču atšķirību iegūšanu. lāzera avoti. Faktiski parametriskais oscilators ir ierīce, kas spēj radīt koherentu optisko starojumu, kura frekvenci var noregulēt gandrīz visā redzamajā diapazonā. Tas ir tāpēc, ka nav nepieciešams izmantot papildu koherenta starojuma avotus pie frekvencēm 2 un 3. Šīs svārstības pašas kristālā var rasties no siltuma trokšņa fotoniem, kas tajā vienmēr atrodas.

Šiem trokšņa fotoniem ir plašs frekvenču diapazons, kas galvenokārt atrodas spektra infrasarkanajā reģionā. Pie noteiktas kristāla temperatūras un tā orientācijas attiecībā pret sūkņa viļņa virzienu un rezonatora asi iepriekš minētais viļņu saskaņošanas nosacījums ir izpildīts noteiktam frekvenču pārim 2 un 3. Lai noregulētu starojumu. frekvence, ir nepieciešams mainīt kristāla temperatūru vai tā orientāciju.

Darbības frekvence var būt jebkura no divām frekvencēm 2 un 3 atkarībā no tā, kāds ierīces starojuma frekvenču diapazons ir nepieciešams. Ātru frekvenču noregulēšanu ierobežotā spektrālā diapazonā var panākt ar elektrooptiskām izmaiņām kristāla refrakcijas rādītājos. Tāpat kā lāzeram, ir sūkņa jaudas sliekšņa līmenis, kas ir jāpārsniedz, lai iegūtu līdzsvara stāvokļa svārstības. Lielākā daļa parametrisko oscilatoru kā sūkņa avotu izmanto redzamos lāzerus, piemēram, argona lāzeru vai neodīma lāzera otro harmoniku.

Ierīces izvade rada regulējamu infrasarkano starojumu. 2.

Darba beigas -

Šī tēma pieder sadaļai:

Krāsu lāzers

Cietvielu lāzera emisijas parametri lielā mērā ir atkarīgi no izmantotā kristāla optiskajām īpašībām. Neviendabīgums kristālu struktūrā var nopietni ierobežot.. Tajā pašā laikā šķidrie lāzeri nav tik apjomīgi kā gāzes sistēmas un ir vieglāk darbināmi.

Ja tev vajag papildu materiāls par šo tēmu, vai arī neatradāt meklēto, iesakām izmantot meklēšanu mūsu darbu datubāzē:

Ko darīsim ar saņemto materiālu:

Ja šis materiāls jums bija noderīgs, varat to saglabāt savā lapā sociālajos tīklos:

OPTISKO FREKVENČU STANDARTI - lāzeri ar laika gaitā stabilu frekvenci (10 -14 - 10 -15), tās reproducējamību (10 -13 - 10 -14). O.S. stundas tiek izmantotas fiziskajās zinātnēs. izpētīt un atrast praktisku pielietojums metroloģijā, lokācijā, ģeofizikā, sakaros, navigācijā un mašīnbūvē. Frekvences dalījums O.s. stundas pirms radio diapazona ļāva izveidot laika skalu, pamatojoties uz optiskā perioda izmantošanu. .
O.S. h. ir priekšrocības salīdzinājumā ar kvantu frekvenču standarti Mikroviļņu diapazons: eksperimenti, kas saistīti ar frekvences mērīšanu, izmantojot lāzerus, prasa mazāk laika, jo abs. frekvence ir 10 4 - 10 5 reizes augstāka nekā ne-lāzera frekvences standarti. Abs. intensitāte un platums, kas ir frekvences atsauces, optiskajā. diapazonā 10 5 - 10 6 reizes vairāk nekā mikroviļņu diapazonā, pie tā paša radinieka. platums. Tas ļauj izveidot O. s. stundas ar lielāku īstermiņa ilgumu. frekvences stabilitāte. Sadalot frekvenci O. s. h attiecas uz radio diapazonu. emisijas līnijas platums praktiski nemainās (ja tiek izmantots mikroviļņu standarts, tā signāla svārstību spektrs ievērojami palielinās, frekvenci reizinot ar 10 5 - 10 6 reizes). Kvadrātiskā loma Doplera efekts, ierobežojot ilgmūžību. frekvences stabilitāte un reproducējamība ir vienādas.

Stabilizācijas princips. Lāzera frekvences stabilizācija, kā arī radiostandarti balstās uz atomu vai molekulārās gāzes spektrālo līniju (optisko atskaites punktu) izmantošanu, ar kuru centru frekvence ir “saistīta” v izmantojot elektronisko automātisko sistēmu. frekvences korekcijas. Tā kā lāzera pastiprinājuma līnijas parasti ievērojami pārsniedz joslas platumu optiskais rezonators, tad nestabilitāte ( v) frekvences v Paaudzi vairumā gadījumu nosaka optiskās izmaiņas. rezonatora garums Galvenais. nestabilitātes avoti l ir termiskais dreifs, mehānisks. un akustiskā strukturālo elementu traucējumi, gāzizlādes plazmas refrakcijas indeksa svārstības. Izmantojot optisko atskaites punkts, automātiskās noregulēšanas sistēma rada proporcionālu signālu. noskaņojuma lielums un zīme starp frekvencēm v un biežumu v 0 spektrālās līnijas centrs, ar kura palīdzību lāzera frekvence tiek noregulēta uz līnijas centru ( = v - v 0= 0). Saistīts. iestatījuma precizitāte apgriezti proporcionāla spektrālās līnijas ( - līnijas platums) un signāla-trokšņa attiecības reizinājums tās attēlošanas laikā.
Lai iegūtu šauru emisijas līniju un augstu īstermiņa ilgumu. frekvences stabilitāte (stabilitāte laikā s), nepieciešams izmantot pietiekami augstas intensitātes etalonus, kuru platums ievērojami pārsniedz raksturīgo frekvenču traucējumu diapazonu. gāzes lāzeri raksturīgais akustiskā spektra platums. traucējumi ~ 10 3 - 10 4 Hz, tāpēc nepieciešamais rezonanses platums ir Hz (relatīvais platums 10 -9 - 10 -10). Tas ļauj izmantot automātiskās sistēmas. frekvences regulēšana ar plašu joslu (10 4 Hz) eff. strauju rezonatora garuma svārstību slāpēšana.
Lai sasniegtu augstu izturību. ir nepieciešama optiskā stabilitāte un frekvences reproducējamība. augstas kvalitātes faktora līnijas, jo tas samazina sadalīšanās ietekmi. līnijas centra frekvences nobīdes faktori.

Optiskie etaloni. Mikroviļņu diapazonā izmantotās metodes šauru spektra līniju iegūšanai izrādījās nepielietojamas optiskajos lietojumos. spektrālais apgabals (mikroviļņu diapazonā Doplera paplašināšanās ir neliela). Par O. s. Īpaši svarīgas ir metodes, kas ļauj iegūt rezonanses spektrālās līnijas centrā. Tas ļauj tieši saistīt starojuma frekvenci ar kvantu pārejas frekvenci. Daudzsološas ir trīs metodes: piesātinātās absorbcijas metode, divu fotonu rezonanse un attālināto optisko staru metode. lauki. Pamata Lāzerfrekvences stabilizācijas rezultāti iegūti, izmantojot piesātinātās absorbcijas metodi, kas balstās uz nelineāru pretizplatīšanās gaismas viļņu mijiedarbību ar gāzi. Nelineāra absorbējoša šūna ar zema spiediena gāzi var atrasties lāzera dobuma iekšpusē (aktīvā atskaite) un ārpus tā (pasīvā atskaite). Piesātinājuma efekta (gāzes daļiņu populācijas līmeņu izlīdzināšana spēcīgā laukā) dēļ Doplera paplašinātās absorbcijas līnijas centrā parādās viendabīga platuma kritums, malas var būt 10 5 - 10 6 reizes mazākas nekā Doplera platums. Iekšējās absorbējošās šūnas gadījumā absorbcijas samazināšanās līnijas centrā noved pie šaura pīķa parādīšanās jaudas atkarības no ģenerēšanas frekvences kontūrā. Nelineārās rezonanses platums molekulārajā gāzē zems spiediens galvenokārt nosaka sadursmes un efekti, ko izraisa daļiņas ierobežotais lidojuma laiks caur gaismas staru. Rezonanses platuma samazināšanos pavada straujš tā intensitātes kritums (proporcionāli spiediena kubam).
Naib. šauras piesātinātās absorbcijas rezonanses ar platumu 10-11 tika iegūtas CH 4 uz komponentiem E oscilējošs-rotēt. līnijas R(7) svītras v 3 (skat Molekulārie spektri), kas atrodas tuvu hēlija-neona lāzera pastiprinājuma līnijas centram pie = 3,39 mikroni. Lai precīzi izlīdzinātu pastiprināšanas un absorbcijas līnijas, izmantojiet 22 Ne un palieliniet He spiedienu lāzera aktīvajā vidē vai ievietojiet aktīvo vidi magnētiskajā laukā. lauks (par E- komponenti).
Shēma O. s. h., izmantojot īpaši šauru rezonansi (ar relatīvo platumu 10 -11 - 10 - 12 ) kā atskaites, sastāv no palīgfrekvences stabila lāzera 2 ar šauru starojuma līniju, noskaņojama lāzera 2 un sistēmas šauras rezonanses iegūšanai (1. att.). Noskaņojamā lāzera šaurā emisijas līnija, kas tiek izmantota īpaši šauras rezonanses iegūšanai, tiek nodrošināta ar šī lāzera fāzes sinhronizāciju ar stabilu.

Rīsi. 1. Optiskās frekvences standarta shēma: FFA - frekvences-fāzes automātiskā noregulēšana; SUR - sistēma īpaši šauras rezonanses iegūšanai; AFC - automātiska frekvences kontroles sistēma; ZG - skaņas ģenerators; RG - radio ģenerators; D - foto detektors.

Mums būs ilgs laiks. tiek panākta noskaņojamā lāzera stabilitāte vienmērīga noregulēšana tās frekvences līdz maksimālai īpaši šaurai rezonansei, izmantojot ekstrēmo automātiskās regulēšanas sistēmu. Šajā gadījumā ir iespēja saņemt vienlaikus augstas vērtībasīstermiņa un ilgstoša. stabilitāte un frekvences reproducējamība.
Frekvences stabilitāte. Naib. augstas frekvences stabilitāte tika iegūta IR diapazonā ar He - Ne lāzeru (= 3,39 μm) ar iekšējo. absorbcijas šūna. Jo abs. tā frekvence ir zināma ar augstu precizitāti (10 -11), tad šo lāzeru var izmantot neatkarīgi. sekundārās frekvences standarts abs mērīšanai. frekvences optiskajā un IR diapazoni. Šāda lāzera emisijas līnijas platums ir 0,07 Hz (2. att.). Frekvences stabilitāte vidējiem laikiem = 1 - 100 s ir vienāda ar 4 x 10 -15 (3. att.).
Mums būs ilgs laiks. He - Ne lāzeru stabilitāte un frekvences reproducējamība ar teleskopisko. staru kūļa izplešanās, stabilizēta ar rezonansi CH 4 uz absorbcijas līnijām F 2 2 un E(skatīt augstāk) ar kvalitātes koeficientu ~10 11, sasniegt ~10 -14. Galvenais faktors, kas ierobežo frekvences reproducējamību un precizitāti, ir kvadrātisks.

Lit.: Basovs N. G., Letokhov V. S., Optiskās frekvences standarti, "UFN", 1968, 96. lpp., 1. lpp. 585; Jennings D. A., Petersen F. R., Evenson K. M., 260 THz (1,15 mm) 20 Ne lāzera un tālākas frekvences tiešās frekvences mērīšana, in: Lāzera spektroskopija. IV. Proc. 4.-Intern. konf., Rotaha-Egerna, Fed. Rep. Vācija, 1979. gada 11.–15. jūnijs, red. autors: H. Volters, K. V. Kote, V. -, 1979, 1. lpp. 39; Trešā simpozija par Freq. Standarti un metroloģija, Aussois, Francija, 12. - 15. okt. 1981, "J. Phys.", 1981, v. 42, Colloq. S 8, Nr. 12; Bagaev S.N., Chebotaev V.P., Lāzera frekvences standarti, "UFN", 1986, 148. lpp., 1. lpp. 143; Bruņinieks D. J. E., Absolūto lāzera frekvenču mērījumu tabula, "Metrologia", 1986, v 22, lpp. 251.

V. P. Čebotajevs.

1.1. Spektru veidi.

No pirmā acu uzmetiena lāzera stara struktūra šķiet ļoti vienkārša. Tas ir praktiski vienas frekvences starojums, kam ir spektrāli tīra krāsa: He-Ne lāzeram ir sarkans starojums (633 nm), kadmija lāzers izstaro. Zilā krāsa(440 nm, argona lāzers izstaro vairākas līnijas zili zaļajā spektra apgabalā (488 nm, 514 nm utt.), pusvadītāju lāzers izstaro sarkano starojumu (650 nm) utt. Faktiski lāzera emisijas spektrs ir diezgan sarežģīta struktūra, un to nosaka divi parametri - darba vielas emisijas spektrs (piemēram, He-Ne lāzeram šī ir neona emisijas sarkanā spektrālā līnija, ko ierosina elektriskā izlāde) un rezonanses parādības. lāzera optiskais rezonators.

Salīdzinājumam, skaitļi labajā pusē parāda saules (A) un parastās kvēlspuldzes (B) (augšējā attēlā) emisijas spektrus, dzīvsudraba spuldzes spektru (attēls pa labi) un ievērojami palielinātu spuldzes emisijas spektru. He-Ne lāzers (apakšējā attēlā).

Kvēlspuldzes spektrs, tāpat kā saules spektrs, pieder nepārtrauktiem spektriem, kas pilnībā aizpilda redzamo spektra diapazonu elektromagnētiskā radiācija(400-700 nm). Dzīvsudraba lampas spektrs pieder pie līniju spektriem, kas arī aizpilda visu redzamo diapazonu, bet sastāv no atsevišķām dažādas intensitātes spektrālām sastāvdaļām. Starp citu, pirms lāzeru parādīšanās monohromatiskais starojums tika iegūts, izolējot atsevišķas starojuma spektrālās sastāvdaļas no dzīvsudraba lampas.

1.2. Emisijas spektrs He-Ne lāzerā.

Lāzera starojuma spektrs ir monohromatisks, tas ir, tam ir ļoti šaurs spektrālais platums, bet, kā redzams attēlā, tam ir arī sarežģīta struktūra.

Mēs apsvērsim lāzera spektra veidošanas procesu, pamatojoties uz labi izpētītu He-Ne lāzeru. Vēsturiski tas bija pirmais lāzers nepārtraukta darbība, kas darbojas spektra redzamajā diapazonā. To 1960. gadā izveidoja A. Javans.

Attēlā labajā pusē ir satraukti hēlija un neona maisījuma enerģijas līmeņi. Uzbudināts hēlija vai neona atoms ir atoms, kurā viens vai vairāki ārējā apvalka elektroni sadursmē ar gāzizlādes elektroniem un joniem pāriet uz augstākiem enerģijas līmeņiem un pēc tam var pāriet uz zemāku enerģijas līmeni vai atgriezties atpakaļ. neitrāls līmenis, ar gaismas kvanta emisiju - fotonu.

Atomi ir satraukti elektrošoks iet cauri gāzes maisījumam. He-Ne lāzeram tā ir vājstrāvas, mirdzoša izlāde (parastās izlādes strāvas ir 20-50 mA). Enerģijas līmeņu attēls un starojuma mehānisms ir diezgan sarežģīti pat šādam “klasiskajam” lāzeram, kas ir He-Ne lāzers, tāpēc aprobežosimies ar šī procesa galveno detaļu apsvēršanu. Hēlija atomi, kas ierosināti līdz 2S līmenim sadursmēs ar neona atomiem, nodod tiem uzkrāto enerģiju, uzbudinot tos līdz 5S līmenim (tādēļ hēlija gāzu maisījumā ir vairāk nekā neona). No 5S līmeņa elektroni var pāriet uz vairākiem zemākiem enerģijas līmeņiem. Mūs interesē tikai 5S - 3P pāreja (abi līmeņi faktiski ir sadalīti vairākos apakšlīmeņos ierosmes un emisijas mehānismu kvantu rakstura dēļ). Fotonu emisijas viļņa garums šīs pārejas laikā ir 633 nm.

Atzīmēsim vēl vienu svarīgs fakts, kas ir būtiski svarīgi koherenta starojuma iegūšanai. Ar pareizām hēlija un neona proporcijām, gāzu maisījuma spiedienu caurulē un izlādes strāvas vērtību elektroni uzkrājas 5S līmenī un to skaits pārsniedz elektronu skaitu, kas atrodas zemākajā 3P līmenī. Šo parādību sauc par līmeņa populācijas inversiju. Tomēr tas vēl nav lāzera starojums. Šī ir viena no spektrālajām līnijām neona emisijas spektrā. Spektrālās līnijas platums ir atkarīgs no vairākiem iemesliem, no kuriem galvenie ir: - starojumā iesaistīto enerģijas līmeņu (5S un 3P) galīgais platums, ko nosaka kvantu nenoteiktības princips, kas saistīts ar neona atomu uzturēšanās laiku. uzbudināts stāvoklis, - līnijas paplašināšanās, kas saistīta ar pastāvīga kustība satrauktas daļiņas izlādē reibumā elektriskais lauks(tā sauktais Doplera efekts). Ņemot vērā šos faktorus, līnijas platums (eksperti to sauc par darba pārejas kontūru) ir aptuveni divas desmit tūkstošdaļas angstrema. Šādām šaurām līnijām aprēķinos ir ērtāk izmantot tā platumu frekvenču domēnā. Izmantosim pārejas formulu:

dn 1 = dl c/l 2 (1)

kur dn 1 ir spektrālās līnijas platums frekvenču apgabalā, Hz, dl ir spektrālās līnijas platums (0,000002 nm), l ir spektra līnijas viļņa garums (633 nm), c ir gaismas ātrums. Aizstājot visas vērtības (vienā mērīšanas sistēmā), mēs iegūstam līnijas platumu 1,5 GHz. Protams, šādu šauru līniju var uzskatīt par pilnīgi monohromatisku salīdzinājumā ar visu neona starojuma spektru, taču to vēl nevar saukt par koherentu starojumu. Lai iegūtu koherentu starojumu, lāzers izmanto optisko dobumu (interferometru).

1.3. Lāzera optiskais dobums.

Optiskais rezonators sastāv no diviem spoguļiem, kas atrodas uz optiskās ass un ir vērsti viens pret otru ar atstarojošām virsmām, att. labajā pusē. Spoguļi var būt plakani vai sfēriski. Plakanos spoguļus ir ļoti grūti izlīdzināt, un lāzera izvade var būt nestabila. Rezonators ar sfēriskiem spoguļiem (konfokālais rezonators) ir daudz stabilāks, taču lāzera stars šķērsgriezumā var būt neviendabīgs radiācijas sarežģītā daudzmodu sastāva dēļ. Praksē visbiežāk tiek izmantots puskonfokālais rezonators ar aizmugurējo sfērisko un priekšējo plakano spoguli. Šāds rezonators ir samērā stabils un rada viendabīgu (vienmodu) staru kūli.

Jebkura rezonatora galvenā īpašība ir stāvēšanas veidošanās elektromagnētiskie viļņi. He-Ne lāzera gadījumā tiek ģenerēti stāvviļņi, kas izstaro neona spektrālo līniju ar viļņa garumu 633 nm. To veicina spoguļu maksimālais atstarošanas koeficients, kas izvēlēts tieši šim viļņa garumam. Lāzera dobumos tiek izmantoti dielektriski spoguļi ar daudzslāņu pārklājumu, kas nodrošina atstarošanas koeficientu 99% vai lielāku. Kā zināms, stāvviļņu veidošanās nosacījums ir tāds, ka attālumam starp spoguļiem jābūt vienādam ar veselu pusviļņu skaitu:

nl = 2L (2)

kur n ir vesels skaitlis vai traucējumu secība, l ir starojuma viļņa garums interferometra iekšpusē, L ir attālums starp spoguļiem.

No rezonanses nosacījuma (2) mēs varam iegūt attālumu starp rezonanses frekvencēm dn 2:

dn 2 = c/2L (3)

Pusotra metra gāzes lāzera dobumam (He-Ne lāzers LGN-220) šī vērtība ir aptuveni 100 MHz. Tikai starojumu ar šādu frekvences periodu var atkārtoti atstarot no rezonatora spoguļiem un pastiprināt, ejot cauri apgrieztai videi - hēlija un neona maisījumam, ko ierosina elektriskā izlāde. Turklāt ārkārtīgi svarīgi ir tas, ka, šim starojumam ejot gar rezonatoru, tā fāzes struktūra nemainās, kas noved pie pastiprinātā starojuma koherentām īpašībām. To veicina 5S līmeņa apgrieztā populācija, kas tika minēta iepriekš. Elektrons pārvietojas no augšējā līmeņa uz zemāko līmeni sinhroni ar fotonu, kas ierosina šo pāreju, tāpēc abiem fotoniem atbilstošo viļņu fāzes parametri ir vienādi. Šī koherentā starojuma ģenerēšana notiek visā starojuma ceļā rezonatora iekšpusē. Turklāt rezonanses parādības izraisa daudz lielāku emisijas līnijas sašaurināšanos, kā rezultātā vislielākais ieguvums tiek iegūts rezonanses pīķa centrā.
Pēc noteikta skaita caurlaidēm koherentā starojuma intensitāte kļūst tik liela, ka pārsniedz dabiskos zudumus rezonatorā (izkliede aktīvajā vidē, zudumi uz spoguļiem, difrakcijas zudumi utt.) un daļa no tā iziet ārpus rezonatora. Šim nolūkam izejas, plakanais spogulis ir izgatavots ar nedaudz zemāku atstarošanas koeficientu (99,6-99,7%). Rezultātā lāzera emisijas spektram ir tāda forma, kas parādīta trešajā attēlā. virs. Spektrālo komponentu skaits parasti nepārsniedz desmit.

Vēlreiz apkoposim visus faktorus, kas nosaka lāzera starojuma frekvences raksturlielumus. Pirmkārt, darba pāreju raksturo dabiskais kontūras platums. Reālos apstākļos sakarā ar dažādi faktori kontūra paplašinās. Paplašinātās līnijas ietvaros atrodas interferometra rezonanses līnijas, kuru skaitu nosaka pārejas kontūras platums un attālums starp blakus esošajām virsotnēm. Visbeidzot, pīķu centrā ir ārkārtīgi šauras lāzera emisijas spektrālās līnijas, kas nosaka lāzera izejas spektru.

1.4. Lāzera starojuma koherence.

Noskaidrosim, kādu koherences garumu nodrošina He-Ne lāzera starojums. Izmantosim darbā piedāvāto formulu:

ejot cauri apgrieztai videi – hēlija un neona maisījumam, ko ierosina elektriskā izlāde. Turklāt, kas ir ārkārtīgi svarīgi, šim starojumam ejot gar rezonatoru, tā fāzes struktūra nemainās, kas noved pie pastiprinātā starojuma koherentām īpašībām. To veicina 5S līmeņa apgrieztā populācija, kas tika minēta iepriekš. Elektrons pārvietojas no augšējā līmeņa uz zemāko līmeni sinhroni ar fotonu, kas ierosina šo pāreju, tāpēc abiem fotoniem atbilstošo viļņu fāzes parametri ir vienādi. Šī koherentā starojuma ģenerēšana notiek visā starojuma ceļā rezonatora iekšpusē. Turklāt rezonanses parādības izraisa daudz lielāku emisijas līnijas sašaurināšanos, kā rezultātā vislielākais ieguvums tiek iegūts rezonanses pīķa centrā.

dt = dn -1 (4)

kur dt ir koherences laiks, kas apzīmē tā laika intervāla augšējo robežu, kurā monohromatiskā viļņa amplitūda un fāze ir nemainīga. Pārejam pie mums pazīstamā koherences garuma l, ar kura palīdzību ir viegli novērtēt hologrammā ierakstītās ainas dziļumu:

l=c/dn (5)

Aizvietojot datus formulā (5), ieskaitot pilna spektra platumu dn 1 = 1,5 GHz, iegūstam koherences garumu 20 cm Tas ir diezgan tuvu He-Ne lāzera reālajam koherences garumam, kuram ir neizbēgami starojuma zudumi dobumā. Koherences garuma mērījumi, izmantojot Michelson interferometru, dod vērtību 15-17 cm (interferences modeļa amplitūdas samazinājuma līmenī par 50%). Interesanti ir novērtēt atsevišķa spektra komponenta koherences garumu, kas izolēts ar lāzera dobumu. Interferometra dn 3 rezonanses pīķa platumu (skat. trešo attēlu no augšas) nosaka tā kvalitātes koeficients, un tas ir aptuveni 0,5 MHz. Bet, kā minēts iepriekš, rezonanses parādības noved pie vēl lielāka lāzera spektrālās līnijas dn 4 sašaurināšanās, kas veidojas netālu no interferometra rezonanses pīķa centra (trešā no augšas attēlā). Teorētiskais aprēķins dod līnijas platumu astoņas tūkstošdaļas no herca! Tomēr šai vērtībai nav lielas praktiskas nozīmes, jo tik šaura spektrālā komponenta ilgstošai pastāvēšanai ir vajadzīgas rezonatora mehāniskās stabilitātes vērtības, termiskā dreifēšana un citi parametri, kas reālos darbības apstākļos ir absolūti neiespējami. lāzers. Tāpēc mēs aprobežosimies ar interferometra rezonanses pīķa platumu. Spektra platumam 0,5 MHz koherences garums, kas aprēķināts, izmantojot formulu (5), ir arī 600 m. Atliek tikai izolēt vienu spektrālo komponentu, novērtēt tā jaudu un noturēt to vienuviet. Ja hologrammas ekspozīcijas laikā tā “iziet” pa visu darba ķēdi (piemēram, rezonatora temperatūras nestabilitātes dēļ), mēs atkal iegūsim to pašu 20 cm koherenci.

1.5. Jonu lāzera ģenerēšanas spektrs.

Īsi parunāsim par cita gāzes lāzera - argona - ģenerēšanas spektru. Šis lāzers, tāpat kā kriptonauda lāzers, pieder jonu lāzeriem, t.i. koherenta starojuma radīšanas procesā piedalās nevis argona atomi, bet gan to joni, t.i., atomi, kuriem viens vai vairāki ārējā apvalka elektroni tiek norauts spēcīgas loka izlādes ietekmē, kas iet cauri aktīvajai. viela. Izlādes strāva sasniedz vairākus desmitus ampēru, Elektroenerģija barošanas avots - vairāki desmiti kilovatu. Obligāti intensīvs ūdens dzesēšana aktīvais elements, pretējā gadījumā notiks tā termiskā iznīcināšana. Protams, šādos skarbos apstākļos argona atomu ierosmes attēls ir vēl sarežģītāks. Vienlaicīgi tiek ģenerētas vairākas lāzera spektrālās līnijas, katras no tām darba kontūras platums ir ievērojami lielāks par He-Ne lāzera līnijas kontūras platumu un sastāda vairākus gigahercus. Attiecīgi lāzera koherences garums tiek samazināts līdz vairākiem centimetriem. Lai ierakstītu lielformāta hologrammas, nepieciešama ģenerācijas spektra frekvenču izvēle, kas tiks aplūkota šī raksta otrajā daļā.

1.6. Pusvadītāju lāzera ģenerācijas spektrs.

Pāriesim pie pusvadītāju lāzera emisijas spektra, kas ir ļoti interesants hologrāfijas mācīšanas procesā un iesācējiem hologrāfiem. Vēsturiski pirmie tika izstrādāti injekcijas pusvadītāju lāzeri, kuru pamatā ir gallija arsenīds, att. labajā pusē.

Tā kā tā dizains ir diezgan vienkāršs, aplūkosim pusvadītāju lāzera darbības principu, izmantojot tā piemēru. Aktīvā viela, kurā rodas starojums, ir viens gallija arsenīda kristāls, kam ir paralēlskaldņa forma ar vairāku simtu mikronu garām malām. Abas sānu virsmas ir izgatavotas paralēli un pulētas ar augstu precizitātes pakāpi. Pateicoties lielajam laušanas koeficientam (n = 3,6), kristāla-gaisa saskarnē tiek iegūts pietiekami liels atstarošanas koeficients (apmēram 35%), kas ir pietiekams, lai radītu koherentu starojumu bez papildu atstarojošo spoguļu nogulsnēšanās. Pārējās divas kristāla virsmas ir noslīpētas noteiktā leņķī; inducētais starojums caur tiem neizplūst. Koherentā starojuma ģenerēšana notiek p-n savienojumā, ko rada akceptoru piemaisījumu (Zn, Cd u.c.) difūzija ar donoru piemaisījumiem (Te, Se u.c.) leģēta kristāla apgabalā. Aktīvā apgabala biezums perpendikulāri p-n krustojums virziens ir aptuveni 1 µm. Diemžēl šajā pusvadītāju lāzera konstrukcijā sūkņa sliekšņa strāvas blīvums izrādās diezgan augsts (apmēram 100 tūkstoši ampēru uz 1 kv. cm). Tāpēc šis lāzers tiek uzreiz iznīcināts, strādājot nepārtrauktā režīmā plkst telpas temperatūra un nepieciešama spēcīga dzesēšana. Lāzers darbojas stabili šķidrā slāpekļa (77 K) vai hēlija (4,2 K) temperatūrā.

Mūsdienu pusvadītāju lāzeri tiek izgatavoti uz dubultu heterosavienojumu bāzes, att. labajā pusē. Šādā struktūrā sliekšņa strāvas blīvums tika samazināts par divām kārtām, līdz 1000 A / cm. kv. Pie šāda strāvas blīvuma pusvadītāju lāzera stabila darbība ir iespējama pat istabas temperatūrā. Pirmie lāzera paraugi darbojās infrasarkanajā diapazonā (850 nm). Tālāk pilnveidojot pusvadītāju slāņu veidošanas tehnoloģiju, parādījās lāzeri gan ar palielinātu viļņa garumu (1,3 - 1,6 μm) optiskās šķiedras sakaru līnijām, gan ar starojuma ģenerēšanu redzamajā zonā (650 nm). Jau ir lāzeri, kas izstaro spektra zilajā reģionā. Pusvadītāju lāzeru lielā priekšrocība ir to augstā efektivitāte (starojuma enerģijas attiecība pret elektriskā enerģija sūknēšana), kas sasniedz 70%. Gāzes lāzeriem, gan atomu, gan jonu, efektivitāte nepārsniedz 0,1%.

Sakarā ar starojuma ģenerēšanas procesa specifiku pusvadītāju lāzerā starojuma spektra platums ir daudz lielāks nekā He-Ne lāzera spektra platums, att. labajā pusē.

Darba kontūras platums ir aptuveni 4 nm. Spektrālo harmoniku skaits var sasniegt vairākus desmitus. Tas rada nopietnus lāzera koherences garuma ierobežojumus. Ja izmantosim formulas (1), (5), teorētiskais koherences garums būs tikai 0,1 mm. Tomēr, kā liecina tieši koherences garuma mērījumi ar Miķelsona interferometru un atstarojošo hologrammu ierakstīšana, pusvadītāju lāzeru reālais koherences garums sasniedz 4-5 cm. Tas liecina, ka pusvadītāju lāzera reālais emisijas spektrs nav tik bagāts harmonikas un tai nav tik lielas kontūras platuma strādnieka pārejas, kā paredz teorija. Tomēr, godīgi sakot, ir vērts atzīmēt, ka pusvadītāju lāzera starojuma koherences pakāpe ir ļoti atšķirīga gan atkarībā no parauga, gan atkarībā no tā darbības režīma (sūkņa strāva, dzesēšanas apstākļi utt.).