Влияние активной среды на формирование спектра
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8
Изучение спектральных свойств лазера методом гетеродинирования
1. Формирование спектра излучения лазера
Рассмотрим некоторые вопросы, связанные с формированием спектра излучения лазера. В общем случае лазер представляет собой устройство, состоящее из системы зеркал 1, которые образуют оптический резонатор, активной среды 2, расположенной между ними и блока накачки 3 (рис.1). Спектр излучения лазера образуется при взаимодействии излучения активной среды и оптического резонатора.
Рис.1 Принципиальная схема оптического резонатора
Резонансные свойства системы двух плоскопараллельных зеркал.
Коэффициент отражения зеркал, как правило, не очень сильно зависит от длины волны. Поэтому можно было бы предположить, что в пространстве между зеркалами могут существовать световые волны любой длины волны. Однако из-за интерференции световых волн в пространстве между двумя зеркалами возможно развитие электромагнитных колебаний только строго определенных длин волн.
Между двумя зеркалами распространяются две волны: падающая на зеркало и отраженная от него. Из-за интерференции они могут гасить друг друга или взаимно усиливаться в зависимости от того, какую они имеют фазу. Идеально отражающие зеркала имеют такое свойство, что амплитуда световых колебаний на зеркале должна быть равна нулю, в противном случае свет будет проникать дальше за зеркало, и оно уже не будет идеально отражающим. Это же условие должно быть выполнено и на втором зеркале. Но при этом фаза отраженной волны может совпадать с фазой падающей только в том случае, когда между зеркалами укладывается целое число полуволн
|
|
|
(L - расстояние между зеркалами).
Другими словами величина n должна быть целым числом. Таким образом, при заданной длине L между зеркалами могут существовать только такие электромагнитные колебания (продольные моды), длины волн которых определяются формулой
(n - целое число). Отсюда видно, что два зеркала являются для световых волн резонатором, получившим название открытого резонатора или резонатора Фабри-Перо, который резонирует на определенных (собственных) частотах:
Рис.2. Спектр собственных частот резонатора Фабри-Перо: а) в случае идеальных зеркал; б) для реальных зеркал.
Интервалы между соседними частотами одинаковы и равны (рис. 2 а):
(1)
Это так называемый межмодовый интервал. В действительности, спектр собственных колебаний резонатора ещё более сложный из-за того, что каждая частота, определяемая формулой (1), расщепляется на ряд близко расположенных частот. Это расщепление связано с отражением волн от края зеркал внутрь резонатора и другими эффектами.
|
|
|
Реальные зеркала лазера никогда не могут иметь коэффициент отражения, равный строго 100 %. Всегда существуют определённые потери на зеркалах, связанные с выходом излучения наружу и с поглощением в самом материале зеркала, которые приводят к тому, что условия резонанса выполняются для небольшой полосы 
частот вблизи каждой из собственных частот резонатора 
(рис. 2, б).
Влияние активной среды на формирование спектра
Энергия частиц, составляющих атомы активной среды, может принимать только строго определенные значения. Энергетический спектр атома представляет собой «нижний», основной уровень с минимальной энергией и некоторое количество уровней с большей энергией, которые называются возбужденными. Если атому, находящемуся на основном уровне ε1, сообщить дополнительную энергию, он может совершить скачкообразный переход на один из возбужденных уровней. Это вынужденный или индуцированный процесс. Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) или индуцировано (вынужденно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом квант света. Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии εm на уровень εn, то частота испускаемого (или поглощаемого) кванта света равна:
|
|
|
(2)
Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах. В процессе спонтанных переходов атомы излучают независимо, т.е. не когерентно. Частота фотонов такого излучения определяется формулой (2), но остальные параметры, такие как фаза, направление, поляризация различны.
Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома существует вынужденное излучение под действием внешней электромагнитной волны. При этом оказывается, что атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с характеристиками внешней волны, действующей на атом. То есть происходит процесс самоорганизации материи, который можно назвать клонированием фотонов. Чтобы это осуществить практически, нужно выполнить определенные условия, анализ которых не входит в задачи настоящей лабораторной работы.
|
|
|
До сих пор предполагалось, что излучение лазера абсолютно монохроматично и его частота однозначно определяется разностью энергий двух выбранных энергетических уровней. В действительности же излучение лазера содержит спектр частот. Это связано с тем, что уровни атомов и молекул несколько размыты. Соответствующая им энергия имеет не строго определенное значение, а может принимать любые значения в узком энергетическом интервале Δε. Одна из причин такого расширения уровней состоит в том, что атом практически никогда не является изолированным – он находится в соседстве с другими атомами и взаимодействует с ними, а это придает спектральным линиям конечную ширину 
(рис. 3).
Рис.3 Спектральная линия атома: – ширина спектральной линии атома; 
– резонансная частота.
Также существует большое количество механизмов, приводящих к уширению спектральных линий совокупности атомов или молекул, то есть спектральных линий вещества, например активной среды лазера.
Если ширина спектральной линии активной среды, которую принято называть контуром усиления меньше разности частот между двумя собственными частотами резонатора 
, т.е. если 
, то в пределах спектральной линии может возбуждаться только одно резонансное колебание 
. Если же в ширину спектральной линии попадает несколько собственных частот резонатора 
, то возможна генерация сразу на нескольких частотах , попавших в пределы спектральной линии (рис. 4), уровень которых превышает уровень потерь (пунктирная линия). Огибающую этой совокупности частот принято называть контуром генерации. В этом случае излучение лазера не является строго монохроматичным: оно будет состоять из целого набора частот, каждая из которых также будет иметь определённую ширину.
Рис. 4 Спектр излучения лазера в случае если . -собственные частоты резонатора Фабри-Перо. Пунктиром обозначен уровень потерь резонатора.
Необходимо отметить, что ширина контура генерации лазера 
и количество типов колебаний (мод), генерируемых лазером, определяется рядом факторов: уровнем и характером потерь резонатора, шириной контура усиления и коэффициентом усиления активной среды, положением участков спектра, где удается получить достаточно большое усиление и др. Например, спектр, изображённый на рис. 4, состоит из пяти собственных частот или продольных мод резонатора.
В задачи изучения спектральных характеристик излучения ОКГ входит: определение числа одновременно генерируемых спектральных компонентов, излучение их временной динамики, измерение ширины линии генерации (контура усиления), определение частотных интервалов между модами и распределение интенсивности между типами колебаний.
В твердотельных и полупроводниковых лазерах относительная ширина линии генерации 
(где 
– ширина линии генерации; ν – среднее значение частоты) обычно составляет 10-3 – 10-4. Это позволяет использовать для спектральных измерений призменные и дифракционные спектрометры.
В газовых лазерах относительная ширина линий излучения порядка 10-6–10-7. Высокая монохроматичность излучения газовых лазеров способствовала разработке новых средств измерений, основанных, главным образом, на многолучевых интерферометрах с высокой разрешающей способностью (10-7 – 10-3). Кроме интерференционных методов для разрешения и изучения спектров газовых лазеров может быть использован метод оптического гетеродинирования, которому и посвящена настоящая лабораторная работа.
Лазерное гетеродинирование
Метод гетеродинирования был впервые реализован в радидиапазоне и получил широкое распространение при изготовлении радиоприёмных устройств со стабилизацией частоты.
Историческая справка
Лазерное гетеродинирование основано на нелинейности фотодетектора по отношению к полю излучения. Если сумма двух гармонических сигналов 
и 
с частотами ω1 и ω2 подвергается нелинейному преобразованию (в частности, квадратичному), то в результате появляются вторые гармоники, а также сигналы, как с суммарными, так и с разностными частотами. Детектирование оптического сигнала есть не что иное, как квадратичное преобразование поля излучения. Поэтому естественно ожидать, что при одновременном детектировании двух оптических сигналов с различными частотами на выходе фотодетектора возникнет в том числе и электрический сигнал на разностной частоте. В 1947 г. Г. С. Горелик в СССР и А. Форрестер в США высказали предположение об использовании гетеродинирования для спектроскопических исследований в оптическом диапазоне. Однако осуществить такой эксперимент оказалось далеко не просто, поскольку яркость традиционных источников света была слишком мала. Ситуация коренным образом изменилась с появлением лазеров. Уже в 1961 г. в экспериментах с первым гелий-неоновым лазером удалось наблюдать биения между его модами.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 114; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!