4.10. Принцип конкуренции мод

Лазер – самонастраивающаяся система. Поэтому частота его излучения автоматически следит за изменениями среды и параметров резонатора. Генерирует только та частота, для которой реализуется максимальное соотношение усиление – потери. Поэтому, если в процессе генерации в силу технических вибраций элементов резонатора или из-за нагрева активной среды под действием накачки, изменяется оптическая длина резонатора, то генерируемая частота автоматически настраивается на максимум резонансного контура усиления резонатора. Этот процесс называют принципом конкуренции мод.

Длина резонатора может изменяться искусственно путем смещения одного из зеркал резонатора вдоль оптической оси или вследствие изменения показателя преломления активной среды под действием накачки или генерируемого излучения. Принцип конкуренции мод используют для перестройки частоты излучения лазера.

4.11. Принцип максимальной ширины спектра излучения лазера

Лазер с резонатором, образованным только двумя отражающими поверхностями (с неселективным резонатором) всегда генерирует широкий спектр излучения. Спектр состоит из некоторого (возможно и очень большого, порядка миллиона) числа дискретных частот. Ширина огибающей спектра определяется шириной спектрального контура усиления активной среды. Такой характер поведения лазеров связан с когерентным характером взаимодействия излучения с веществом. Наличие многочастотного спектра однозначно связано с присутствием временной структуры излучения с характерными временами меньшими времени обхода светом резонатора.

4.12. Перестройка частоты излучения одночастотного лазера путем микроперемещения лазерного зеркала

Техника воспроизводимых и сравнительно быстрых микроперемещений на атомные и субатомные расстояния обычно основана на использовании пьезоэффекта. Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой пластину из специальной керамики, на которую с двух сторон наносятся металлические электроды. На электроды подается электрическое напряжение, которым, как известно, можно очень точно управлять методами современной электроники. В результате обратного пьезоэффекта в пластине возникают механические деформации и толщина пластины изменяется пропорционально приложенному электрическому напря­жению. Иногда для увеличения диапазона перемещения пластины объединяют в пачки. Для получения управляемых трехмерных перемещений создают устройства, состоящие из нескольких преобразователей со взаимно перпендикулярными направлениями смещения, размещенных на общем основании.

В лазерах с точной стабилизацией или перестройкой частоты пьезопреобразователи используют для точной настройки положения одного из зеркал лазерного резонатора. Как известно, изменение длины резонатора позволяет перестраивать его резонансную частоту и, следовательно, длину волны излучения лазера. Такая техника используется для стабилизации и привязки частоты к опорной частоте в лазерных стандартах частоты. Аналогичным образом создают лазеры с цифровой настройкой частоты.

4.13. Лазеры со стабилизацией частоты излучения

В частотно стабилизированных лазерах общими для всех систем являются элементы, показанные на рис. 4.6

Рис.4.6. Схема стабилизации частоты лазера. 1 – зеркало резонатора, прикрепленное к пьезокерамике, – элемент, управляющий частотой излучения лазера за счет продольного смещения зеркала. 2 - оптический дискриминатор, содержащий оптический репер – эталонное вещество, поглощающее свет на точно известной частоте. 3 – фотоприемник, 4 – активный элемент лазера. 5 – электронная схема управления смещением зеркала.

Частотный дискриминатор – устройство преобразующее отклонение частоты лазера от заданной эталонной частоты в изменяющийся во времени сигнал ошибки.

Рис. 4.7. Схема лазера с внутренней поглощающей ячейкой и со стабилизацией частоты по пику выходной мощности. В – поглощающая ячейка, СД – синхронный детектор. УПТ – усилитель постоянного тока. УЭ- управляющий элемент.

Рис. 4.8. Принцип работы лазера со стабилизацией частоты по пику мощности.

Рис. 4.9. Конструкция гелий-неонового лазера ( = 632,99 нм) с поглощающей ячейкой с ¹²⁹J₂. 2 –кварцевая ячейка, заполненная парами иода – 129. 3 – пьезокерамика. 8 – сосуд с силиконовым маслом, 7 – термоэлектрический холодильник (на эффекте Пельтье).

Рис. 4.10. Взаимное расположение спектральных линий молекулярного иода и неона. Дугами показаны контуры усиления двух изотопов неона.