Порядок выполнения работы.

1. Изучить устройство и принцип работы блоков питания лазеров БПЛ-75/33У и НАКАЧКА-3000.

2. Собрать излучатель и оптическую схему генератора на АИГ.

3. Подать электрическое напряжение на лампу накачки от БПЛ-75/33У.

4. Провести юстировку лазера и получить устойчивую генерацию на выходе из резонатора лазера.

5. С помощью измерителя энергии ИКТ-1Н, фотодиода и осциллографа провести измерения пространственно-временных характеристик лазерного излучения при различных уровнях напряжения на блоке питания.

6. Повторить пункты 3-5 с блоком питания лазера НАКАЧКА-3000.

7. Составить отчет о проделанной работе.

Контрольные вопросы.

1. Основные функциональные элементы электрических схем источников питания импульсных ламп.

2. Схемы включения блока поджига в разрядный контур импульсной лампы.

3. Схемы с индуктивно-емкостными преобразователями.

Литература.

6. Б.Р.Белостоцкий , Ю.В.Любавский , В.М.Авчинников Основы лазерной техники. М., ‘Советское радио’, 1972.

7. Ю.В.Байбородин Введение в лазерную технику. Изд. «Техника», 1977.

8. Н.В.Карлов Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1983.

56

Лабораторная работа№6. Селекция типов колебаний в резонаторах лазеров.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение методов селекции модового состава излучения в резонаторах лазеров и проведение экспериментальных исследований схем селекции поперечных типов колебаний.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: твердотельный лазер; измеритель энергии ИКТ-1Н; набор линз; набор диафрагм; визуализатор; юстировочный лазер ЛГН-208.

Теоретическое введение.

Практически селекцию типов колебаний осуществляют путем увеличения потерь для нежелательных типов колебаний до такой величины, чтобы условие баланса амплитуд не выполнялось. Если в резонаторе лазера возбуждаются колебания только основного типа ТЕМ₀₀, то такой режим называют одномодовым.

Одномодовые лазеры отличаются тем, что они генерируют и излучают одну, обычно нулевую поперечную моду резонатора. Эта нулевая мода имеет гладкое, колоколообразное симметричное распределение интенсивности излучения в поперечном сечении пучка (рис.1).

Математически его распределение описывается функцией Гаусса:

, (1)

где I₀ - интенсивность излучения в центре пучка;

r - расстояние точки пучка от его центра;

57

₀₀ - условный радиус пучка, на котором интенсивность падает в е²=7.4 раза.

Рис. 1. Поперечное распределение интенсивности излучения в нулевой моде резонатора ТЕМ₀₀ (r-расстояние точки пучка до его центра, - условный I₀e² радиус пучка).

Одномодовый режим можно получить снижая интенсивность накачки до величины, близкой к порогу возбуждения генератора.

Однако мощность излучения в этом случае мала, а режим работы - неустойчив. Изменения температуры окружающей среды, мощности накачки, приводят либо к срыву генерации, либо к возникновению дополнительных нежелательных типов колебаний.

Одним из распространенных методов селекции является использование фокусирующих линз и диафрагм в резонаторе.

На рисунке 2 представлены схемы которые работают следующим образом.

Тип колебаний ТЕМ₀₀ является суперпозицией волн, распространяющихся вдоль оси резонатора. Поле этих волн фокусируется линзой в малое пятно на ее оптической оси.

Подбирая размер диафрагмы можно “перекроить” оптический путь для высших поперечных типов колебаний, не внося существенных потерь для основного типа ТЕМ₀₀.

58

Селекторы и диафрагмы, как следует из их действия, требуют точной юстировки; настройка их является критичной.

Весьма эффективно осуществляется селекция поперечных типов колебаний при использовании полусферического резонатора, состоящего из плоского и сферического зеркал, которые располагаются на расстоянии приблизительно равном радиусу кривизны сферического зеркала. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что в полусферическом резонаторе дифракционные потери для различных типов колебаний существенно различаются и сильно зависят от расстояния между зеркалами различным образом изменяется добротность резонатора для поперечных типов колебаний.

Рис.2 Схемы селекции поперечных типов колебаний с помощью диафрагм; а- с двумя линзами; б- с одной линзой. 1, 1-зеркала резонатора; 2-активная среда; 3, 3-фокусирующие линзы;

4-диафрагмы.

Если подобрать расстояние между зеркалами, то добротность резонатора для колебания ТЕМ₀₀ будет существенно превышать

59

добротность для других поперечных типов колебаний (TEM₀₁, TEM₀₂, и т.д.).

Эффективная селекция поперечных типов колебаний может быть также достигнута при использовании так называемых “неустойчивых” резонаторов. В таких резонаторах зеркала не концентрируют поле в его внутренней полости, а рассеивают.

Дифракционные потери в неустойчивом резонаторе даже для низшего типа колебаний ТЕМ₀₀ составляют от нескольких единиц до десятков процентов. Но вместе с тем разница в величине дифракционных потерь для низшего и высшего типов колебаний оказывается весьма значительной. Поэтому для всех высших типов колебаний добротность неустойчивого резонатора намного меньше, чем для типа ТЕМ₀₀.

Наиболее простой способ селекции центральной продольной моды предполагает уменьшение длины резонатора. Измеряемое по шкале частот расстояние между соседними продольными модами обратно пропорционально длине резонато­ра:   1/L. С уменьшением длины резонатора  возрастает, соседние продольные моды как бы раздвигаются. А поскольку ин­тенсивность мод ограничена линией усиления, то такое раздвигание мод приводит к тому, что интенсивность центральной моды становится значительно больше интенсивности соседних мод. Под­нимая соответствующим образам уровень потерь, можно исклю­чить генерацию этих соседних мод. Для пояснения обратимся к рис. 3. В левой половине рисунка показаны линия усиления и продольные моды для некоторой длины L резонатора; прямая АА — уровень потерь в резонаторе. В правой половине рисунка показаны продольные моды в случае, когда длина резонатора уменьшена вдвое по сравнению с исходной; прямая A₁A₁ соответ­ствует новому уровню потерь в резонаторе. Данный способ селекции центральной 'продольной моды выгод­но отличается от других Способов своей простотой. К сожалению, уменьшение длины резонатора имеет отрицательные стороны, — снижается выходная мощность, увеличивается расходимость излу­чения.

60

Рис.3 Селекция центральной продольной моды за счет уменьшения длины резонатора.

Поэтому более интересны способы селекции, основанные на использовании резонаторов с дополнительными зеркалами. Селекция центральной продольной моды за счет использования резонатора с дополнительным зеркалом. При появлении дополни­тельного зеркала (одного или нескольких) исходный резонатор превращается, по сути дела, в совокупность нескольких взаимо­связанных резонаторов. Интерференция световых волн, формируе­мых этими резонаторами, приводит к перераспределению световой мощности между разными продольными модами. При соответству­ющем подборе коэффициента отражения дополнительного зерка­ла и положения его в резонаторе упомянутое перераспределение световой «мощности может привести к существенному возрастанию интенсивности центральной продольной моды и к уменьшению интенсивности остальных мод. Подобные методы селекции называют интерференционными. Рассмотрим в качестве примера резонатор, схематически показанный на рис.4а. Этот резонатор имеет три зеркала: полупрозрачное зеркало 1 и 2 и полностью отражающее зеркало3.

Зеркало 1 является выходным зеркалом резонатора, зеркало 2 – дополнительное зеркало.

61

Н а рис. 4б представлены продольные моды для рассматриваемого резонатора ( непрерывные кривые ) и для того же резонатора, но без дополнительного зеркала 2 ( штриховые кривые ). Эти результаты получены для конкретного случая, когда l/L = 3/4, R= 0.65 ( R- коэффициент отражения зеркала 2).

Рис. 4 Селекция центральной продольной моды за счет использования дополнительного зеркала.

Уменьшение числа генерируемых мод достигается также и в резонаторе с плоскими зеркалами, между которыми помещена диспергирующая призма (рис. 5). Из-за наличия показателя преломления (дисперсии) колебания различных частот отклоняются призмой на разные углы. Условие нормального падения лучей на зеркало 4 выполняется только для определенной частоты, в окрестности которой и происходит генерация. Резонатор с диспергирующей призмой позволяет плавно изменять рабочую частоту в пределах спектральной линии излучения путем поворота зеркала 4 или призмы.

Одновременное использование устройств, осуществляющих селекцию поперечных и продольных типов колебаний, дает возможность получить одночастотный режим работы лазера.

62

1 2 3 4

Рис.5 Схема лазера с диспергирующим элементом.1и 4- зеркала резонатора; 2- активная среда; 3 – призма