Материал: LS-Sb89572

се изменения длины, например при повышении температуры (Т) ОР, частоты продольных мод дрейфуют, вызывая трансформацию спектра излучения лазера. В момент времени, когда смещение δν наблюдаемой моды достигнет значения межмодового интервала ∆νq = νq + 1 – νq = c/(2L), исходный и ко-

нечный спектры станут неотличимыми друг от друга. Далее в процессе дрейфа мод ситуация будет периодически повторяться с частотным интервалом δνmax = ∆νq. Из (1.6) можно определить изменение длины δLmax ОР, соответствующее максимально возможному сдвигу частоты δνmax = c/(2L), ко-

гда спектр лазера воспроизводится:

δLmax = L = λ . q 2

В случае температурного дрейфа ОР изменению длины δLmax соответ-

ствует определенное изменение δTmax. Тогда, используя линейную зависи-

мость L = f(T), можно записать:

δLmax = αT δTmax , (1.7)

L

где αT – линейный коэффициент термического расширения материала резо-

натора. Из (1.7) получаем:

Для типичных лазерных условий величина δTmax, соответствующая изменениям длины ОР δLmax = λ /2 и частоты генерации δνmax = ∆νq, не превышает десятых долей – единиц градусов.

При использовании лазеров в технологических и метрологических установках важным является временная стабильность не только частоты, но и генерируемой мощности. Рассмотрим влияние изменения длины оптического резонатора на поведение мощности излучения лазера. Дрейф частот в пределах зоны генерации ∆νген – между точками А и В, в которых усиление в ак-

тивной среде равняется уровню потерь, сопровождается изменением амплитуд и числа мод, генерируемых в многочастотном режиме (рис. 1.1). Полная выходная мощность излучения лазера складывается из отдельных частотных составляющих Pq, изменяющихся во времени:

P = ∑in=1Pqi = var (t).

6

Итак, флуктуации температуры влекут за собой изменение оптической длины резонатора. Это приводит к дрейфу мод и смещению сетки частот. Количество мод в контуре усиления и их амплитуды являются функциями времени. В итоге возникает нестабильность мощности излучения лазера. В лаконичной форме это выглядит следующим образом:

δT → δL → δν → δP.

Проанализируем поведение мощности излучения после включения лазера. Предположим, что температура и длина ОР изменяются во времени линейно (рис. 1.2). В соответствии с (1.2)–(1.5) при δL << L, что выполняется на практике, δνq << νq. Тогда в первом приближении можно полагать, что часто-

та также является линейной функцией времени. На рис. 1.2 вертикальные штриховые линии обозначают на осях моменты времени ti, в которые изме-

нения длины δL ОР кратны λ/2, а частоты генерации δν лазера кратны ∆νq.

Рассмотрим временные зависимости выходной мощности лазера при различных соотношениях ширины зоны генерации ∆νген и межмодового интервала ∆νq (рис. 1.3). Полагаем, что при смещении наблюдаемой частоты νq ее начальным положением является точка А – правая граница зоны генерации. В течение единичного интервала времени (ti + 1 – ti) частота νq сдвинется на величину ∆νq и займет положение частоты νq – 1 .

При равенстве межмодового интервала и зоны генерации (рис. 1.3, а) уровень нестабильности мощности излучения лазера Pа(t) достигает 100 % (рис. 1.2). При ∆νген < ∆νq может возникнуть ситуация, когда дрейфующие моды окажутся вне зоны генерации. В этом случае на зависимости Pb = f(t)

появятся области, в пределах которых генерация будет отсутствовать.

В режиме одновременной генерации нескольких частот (рис. 1.3, в) уменьшение амплитуд у одних мод компенсируется их увеличением у других. В итоге при многочастотной генерации (∆νген > ∆νq) суммарные откло-

нения P от среднего уровня становятся меньше и стабильность мощности лазерного излучения повышается обратно пропорционально числу мод.

При реальных, нелинейных изменениях температуры и, соответственно, длины ОР и частоты излучения период колебаний мощности будет увеличиваться. После включения лазера может происходить неравномерный нагрев отдельных элементов оптического резонатора. Следствием этого является отклонение зеркал от начального положения (разъюстировка ОР) и изменение коэффициента превышения усиления (K) над уровнем потерь квантов

7

Рис. 1.3. Дрейф частот излучения лазера при различных условиях генерации: а – ∆νq = ∆νген; б – ∆νq > ∆νген; в – ∆νq < ∆νген

когерентного излучения. Генерируемая лазером мощность прямо пропорцио-

нальна величине (K – 1), поэтому в зависимости от характера начальной настройки (юстировки) ОР средний уровень Р в процессе установления тепло-

вого режима лазера может нарастать либо снижаться. Наиболее целесообразен способ “ горячей” юстировки, при котором в установившемся тепловом режи-

9

ме зеркала ОР занимают положение, обеспечивающее максимально возмож-

ный уровень лазерной генерации.

В Не–Ne- лазере генерация возможна на трех переходах: с длинами волн

λ1 = 633 нм, λ2 = 1152 нм и λ3 = 3391 нм. Минимальным усилением 0.05...0.1 м–1

обладает видимый переход λ1, наиболее широко используемый на практике.

Максимальное усиление (около 1 м–1 ) имеет переход с λ3. Переходы с λ1 и λ3

являются связанными – имеют общий верхний лазерный уровень и черпают энергию из одного источника. В итоге наблюдается сильная конкуренция между переходами. Для ослабления конкуренции и обеспечения генерации лазера на одной длине волны необходимо принимать специальные меры, создающие наиболее благоприятные условия для выбранного перехода и увеличивающие потери для других каналов. Наиболее простым способом селекции является использование зеркал, обеспечивающих выполнение условий генерации только для одной из возможных длин волн. Но применяемые в Не–Ne- лазерах многослойные четвертьволновые покрытия зеркал имеют достаточное отражение для возникновения генерации и на λ1, и на λ3, т. е. на видимом и на

инфракрасном переходах. Для подавления генерации на λ3 вместо кварцевых применяют стеклянные выходные окна и подложки зеркал, поглощающие ИКизлучение. Внутри ОР располагают ячейку с метаном, селективно поглощаю-

щую излучение с λ3. Разрядную трубку с окнами Брюстера можно поместить в арочное поперечное магнитное поле, вызывающее зеемановское расщепление энергетических уровней, пропорциональное напряженности магнитного поля. Соответствующее изменение поляризации увеличивает потери ИК-излучения с λ3 при прохождении через выходные окна, вплоть до срыва ИК-генерации.

При прочих равных условиях влияние на степень стабильности генерации конкурирующих переходов с длинами волн 633 и 3391 нм оказывает дрейф продольных мод при изменении длины ОР. Условия оптимальной генерации для каждого из двух переходов повторяются при δL = λ/2 или в масштабе частот δν = ∆νq = с/(2nL). Вследствие конкуренции мощность излучения слабого видимого канала генерации при изменениях L будет дополнительно модулироваться в противофазе с изменениями мощности ИК-канала.

Оптический резонатор должен обеспечивать заданное взаимное положение зеркал и обладать стабильностью оптической длины, угловой стабильностью и виброустойчивостью. Для повышения долговременной стабильности частоты и мощности излучения лазера несущую конструкцию ОР целесооб-

10