CC BY
130
УДК 621.373.8
И.Н. Карманов, Н.А. Мещеряков СГГ А, Новосибирск
ПРИМЕНЕНИЕ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ И ДИСПЕРСИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ЧАСТОТНОЙ СЕЛЕКЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Для осуществления частотной селекции первого типа могут быть использованы сравнительно широкополосные поглощающие фильтры внутри резонатора. Так, например, выходные окна газоразрядной трубки лазера на гелийнеоне изготавливают из специального стекла, поглощающего в ИК области спектра. Тем самым подавляются переходы с X = 3,39 и 1,15 мкм; генерация реализуется лишь на переходе с X = 0,63 мкм. Сущность такой селекции поясняет рис. 1; она основана на использовании соответствующим образом подобранной частотной зависимости коэффициента вредных потерь ^1(ю). Генерация происходит на переходе, соответствующем частоте ю2, несмотря на то, что этот переход характеризуется более низким коэффициентом усиления по сравнению с переходом на частоте ю1.
Для более узкополосной частотной селекции внутрь резонатора вносят дисперсные элементы (например, призму), либо заменяют зеркало резонатора дифракционной отражательной решеткой. График частотной зависимости коэффициента потерь л К®) селективного резонатора имеет резкий и узкий
19 1 1
"провал" шириной Л2 = 10 ^10 с- (рис. 2). Поворачивая призму или отражательную решетку, можно управлять положением этого "провала" на шкале частот и тем самым осуществлять перестройку частоты генерации в пределах ширины линии люминесценции на уровне постоянных потерь (в пределах ширины Аю1).
Для еще более узкополосной селекции используют в качестве дисперсионного элемента эталон Фабри-Перо (интерферометр Фабри-Перо), представляющий собой систему из близко расположенных параллельных зеркал. Эталон Фабри-Перо позволяет выделить отдельную продольную моду.
Общие замечания о селекции продольных мод
Для селекции продольных мод требуется весьма узкополосный фильтр, позволяющий выделить интервал частот меньше 109 с -1. Рис. 3 поясняет возможные пути осуществления такой селекции (штриховой линией показан контур линии люминесценции).
Прежде всего, можно попросту повысить уровень потерь настолько, чтобы разность к0 - ц (ц
- суммарный коэффициент потерь) оказалась положительной лишь для центральной продольной моды (рис. 3а). Разумеется, при этом существенно уменьшается
генерируемая мощность. Более выгодно изменить соотношение между максимальными значениями начального коэффициента
усиления центральной и остальных продольных мод (в пользу центральной моды) (рис. 3б).
Аналогичного результата можно достичь, изменяя контур линии люминесценции, уменьшая ширину Можно также частотный максимумами
а точнее,
Аю/ (рис. 3в). увеличивать интервал между
продольных мод за
Рис. 3
счет уменьшения длины резонатора
(рис. 3г). Наконец, можно попробовать реализовать достаточно узкополосную селективность коэффициента потерь (рис. 3д).
На практике используют все отмеченные пути селекции мод. Простейшие способы селекции основаны на уменьшении длины резонатора. Более интересны способы селекции, использующие интерференционные, поляризационные и нелинейно-оптические явления.
Интерференционные методы селекции продольных мод
Т-її
Эти методы основаны на использовании резонаторов с
дополнительными зеркалами (связанных резонаторов). Рассмотрим лазер, показанный на рис. 4. Здесь 1 -
газоразрядная трубка с окнами под углом Брюстера (активный элемент); 2 -
двулучепреломляющий кристалл, рис ^
расщепляющий световой луч на необыкновенный (линейно поляризован в
плоскости рисунка) и обыкновенный (линейно поляризован перпендикулярно плоскости рисунка); 3 - полностью отражающие зеркала; 4 - выходное зеркало. Фактически здесь два резонатора с различными длинами: Ь12 и Ь13. Межмодовые расстояния для этих резонаторов равны соответственно
Аю1
ПС
12
12
и
ПС
Аю^ = — 13 Т
Т13
Будем полагать, что выполнено неравенство А<ю < (Аю'12 - Аю'3 ).
В этом случае спектральные линии резонатора будут иметь вид, показанный на рис. 5. Линии, отмеченные цифрами 1 и 2, оказываются заметно усиленными по сравнению с соседними линиями, поскольку они соответствуют частотам, для которых условие резонанса выполняется одновременно в резонаторах длиной Т12 и длиной
Ь\%. Возникновение таких линий „ ^
13 Рис. 5
имеет, очевидно,
интерференционное происхождение. Расстояние между ними
Ad/ =
nc
12
При достаточно малой разности (Ь13 - Ь12 ) можно сделать величину Аю' большой (Аю' может превышать ширину линии люминесценции).
Другой вариант интерференционной селекции мод связан с использованием трехзеркального линейного резонатора (рис. 6). Здесь 1 -активный элемент, 2 - полностью отражающее зеркало, 3 - выходное зеркало, 4
- дополнительное зеркало. Рис. 7 иллюстрирует три моды; для сравнения штриховыми линиями даны соответствующие моды в отсутствие дополнительного зеркала. Можно видеть, что интерференционные эффекты приводят к преимущественному усилению центральной моды и к раздвиганию мод.
Рис. б
Рис. 7
И
3 1
Рис. S
Резонаторы с анизотропными элементами
Для селекции продольных мод могут быть ” использованы поляризационные свойства резонатора с анизотропными элементами (рис. S). Здесь 1 - линейный поляризатор; 2 - двулучепреломляющая пластинка, обеспечивающая разность фаз необыкновенного и обыкновенного лучей; равную Aф; 3 - зеркала
резонатора. Оптическая ось пластинки 2 перпендикулярна к оптической оси резонатора и повернута на угол а по отношению к направлению поляризации, фиксируемому поляризатором 1. В этом случае величина Aф зависит от частоты излучения, и потери должны периодически меняться с частотой. Это изменение потерь с частотой может быть использовано для селекции продольных мод в рассматриваемом резонаторе. В этом случае потери Г = sin2 2а sin2 Aф при этом
Aф =
ю(П - n0 )d
С
где пе и п0 - показатели преломления обыкновенного лучей, й - толщина пластинки.
для необыкновенного и
Нелинейно-оптический метод частотной селекции
Предположим, что в резонатор помещен поглощающий элемент, обладающий следующими свойствами: он поглощает на частоте рабочего перехода для данной среды; при наличии достаточно интенсивного излучения на частоте рабочего перехода происходит насыщение поглощения вблизи центра линии поглощения (иначе говоря, имеет место нелинейно-оптический эффект просветления среды). В результате проявления указанного нелинейного эффекта форма линии поглощения (зависимость коэффициента поглощения от частоты ца(ю)) изменяется: появляется «провал», который может быть достаточно узкополосным. Ширина провала Аюа может быть меньше Аю1 спектральной линии резонатора. В этом случае можно не только выделить одну продольную моду, но еще более сузить ширину генерируемой линии (рис. 9). Данный метод есть не только метод частотной селекции, но также метод стабилизации частоты излучения лазера.
'1
Рис. 9
© И.Н. Карманов, Н.А. Мещеряков, 2005.
