- •Содержание
- •VI. Лазерные стандарты длины и частоты
- •Yi. Автомодуляция излучения в резонаторе лазера на твердом теле
- •Yii. Лазеры ультракоротких импульсов
- •Yiii. Свойства ультракоротких импульсов
- •IX. Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов
- •X. Полупроводниковые лазеры
- •Краткая история создания лазеров Цезиевый атомно-лучевой квантовый стандарт частоты
- •Принцип работы лазера
- •Лазер, как автоколебательная система
- •I. Взаимодействие света с веществом
- •1.1. Спектр излучения
- •1.2. Тепловое излучение
- •1.3. Коэффициент поглощения
- •1.5. Люминесценция
- •1.7. Сверхизлучение
- •1.8. Энергетические характеристики электромагнитного поля
- •Объемная плотность энергии в пучке
- •1.9. Оценки частоты Раби и мощности излучения, необходимой для проявления когерентрных эффектов взаимодействия поля с веществом
- •2.1. Газоразрядные лампы для оптической накачки лазеров
- •2.2. Многослойные диэлектрические зеркала
- •2.3. Лазеры на активированных кристаллах
- •2.4. Система оптической накачки лазеров на твердой активной среде
- •2.5. Неодимовый лазер
- •III. Лазерные резонаторы
- •3.1. Лазерные пучки
- •3. 3. Гауссовы пучки света
- •3.4. Фокусировка гауссова пучка линзой
- •3.5. Идеальный открытый оптический резонатор
- •Iy. Лазерная генерация
- •4.1. Вероятности переходов
- •4.2. Схемы накачки активной среды лазеров
- •4.4. Энергетическое условие стационарной генерации
- •4.5. Расчет коэффициента усиления активной среды для твердотельных лазеров с импульсной оптической накачкой
- •4.6. Пороговая энергия накачки лазера с импульсной накачкой
- •4.7. Определение коэффициента усиления и скорости накачки по
- •4.8. Фазовое условие генерации
- •4.9. Селекция мод лазерного резонатора
- •4.10. Принцип конкуренции мод
- •4.11. Принцип максимальной ширины спектра излучения лазера
- •4.12. Перестройка частоты излучения одночастотного лазера путем микроперемещения лазерного зеркала
- •4.13. Лазеры со стабилизацией частоты излучения
- •4.14. Оптическое гетеродинирование
- •4.15. Лазерные стандарты длины и частоты. Измерение частоты и длины волны лазерного излучения
- •4.16. Многочастотный спектр излучения лазера
- •4.17. Мощность стационарной генерации лазера
- •5.2. Моноимпульсная генерация
- •5.3. Пассивная модуляция добротности резонатора
- •5.4. Измерение энергии и мощности лазерных импульсов
- •5.5. Регистрация формы лазерных импульсов электронно-оптической камерой
- •Yi. Автомодуляция излучения в лазерном резонаторе
- •6.2. Измерения мощности лазерного излучения в широком динамическом диапазоне
- •6.3. Динамика лазера с неустойчивым и разъюстированным плоским резонатором
- •6.4. Механизмы автомодуляции потерь лазерного резонатора
- •6.4.1. Самонаведенная линзовость в активной среде лазера
- •6.4.2. Автомодуляция излучения лазера самонаведенной амплитудно-фазовой решеткой
- •6.4.3. Автомодуляция излучения в сложном резонаторе
- •Yii. Лазеры ультракоротких импульсов
- •7.1. Первые исследования сверхкоротких лазерных импульсов
- •7.2. Автокорреляция лазерных импульсов. Интерферометр Майкельсона
- •7.3. Автокорреляционная функция лазерного импульса
- •7.4. Описание излучения на выходе лазера как суперпозиции эквидистантных монохроматических плоских волн
- •7.5. Модулированные оптические волны
- •7.6. Сверхкороткие импульсы, генерируемые двухчастотным лазером с постоянной накачкой
- •Зависимость интенсивности излучения от времени можно записать следующим образом:
- •7.7. Пульсации излучения непрерывного двухчастотного гелий-неонового лазера
- •7.8. Регулярные пульсации излучения гелий неонового лазера, в спектре которого регистрируются 7 дискретных частот
- •7.9. Современные лазеры ультракоротких импульсов
- •Yiii. Свойства ультракоротких импульсов
- •Зависимость спектра импульсного лазерного излучения от времени
- •8.2. Квазимонохроматическое приближение
- •8.3. Импульс гауссовой формы в среде с дисперсией
- •8.4. Фазовая модуляция — уширение и сжатие импульсов с линейным чирпом
- •8.5. Фемтосекундные лазерные системы
- •IX. Измерение параметров ультракоротких лазерных импульсов
- •9.1. О некоторых заблуждениях в области корреляционных измерений длительности ультракоротких лазерных импульсов
- •9.3. Измерение акф для периодической последовательности импульсов
- •9.4. Влияние линейной фазовой модуляции несущей частоты на корреляционные функции излучения
- •X. Полупроводниковые лазеры
- •10.1. Оптические свойства полупроводников
- •10.2. Cвойства p-n переходов
- •10.3. Полупроводниковые лазеры на гетеропереходах
- •11.1. Накачка газовых активных сред
- •11.2.2. Химическая накачка
- •11.2.3. Лазеры с газодинамической накачкой
- •11.3. Лазеры на нейтральных атомах
- •11.3.1. Гелий-неоновый лазер
- •11.4. Молекулярные лазеры
- •11.5. Газовые лазеры на ионах аргона
- •11.4.1. Гелий-кадмиевый лазер
- •11.5. Эксимерные лазеры
- •Основные принципы, соотношения и константы физики лазеров
- •Тестовые задания
- •Раздел 1. Общие вопросы. Конструктивные элементы лазеров
- •Раздел 2. Взаимодействие излучения с веществом
- •Раздел 3. Лазерные резонаторы и световые пучки
- •Раздел 4. Лазерная генерация
- •Раздел 5. Динамика лазеров
4.14. Оптическое гетеродинирование
Сигнал фотоприемника представляет собой колебания фототока, который пропорционален интенсивности падающего на него излучения, т.е. фототок пропорционален квадрату напряженности электрического поля световой волны. Таким образом, фотоприемник осуществляет нелинейное по полю преобразование оптического излучения в электрический сигнал. Это означает, что при попадании на фотоприемник излучения с несколькими монохроматическими частотами его сигнал, будет содержать гармоники этих частот, а также разностные и суммарные частоты исходных колебаний.
Пусть на фотоприемник падают две плоские монохроматические волны с разными частотами, одна из которых эталонная. Тогда выходной ток фотоприемника окажется промодулированным, в частности, и с частотой, равной разности исходных частот. Если эта разностная частота находится в радиодиапазоне, то ее можно с высокой точностью измерить с помощью электронного частотомера. Такой экспериментальный прием, аналогичный гетеродинированию, используемому в радиотехнике, назвали оптическим гетеродинированием.
Оптическое гетеродинирование оказалось исключительно эффективным методом измерения частот лазерного излучения. Используя сравнительно инерционные устройства можно сравнивать частоты близких оптических колебаний. При наличии эталонных частот оптическое гетеродинирование позволит измерить с огромной точностью характерные частоты колебаний атомов и молекул. Набор эталонных частот, перекрывающих практически весь оптический диапазон с интервалом, равном частоте межмодовых биений (~ 80 МГц), как показали недавние исследования [4] можно получить от титан-сапфирового лазера, работающего в режиме синхронизации мод.
Эффективность оптического гетеродинирования сильно зависит от когерентности эталонного и исследуемого сигналов, а также от степени совмещения их плоских волновых фронтов. Поэтому сам метод стал доступен именно для лазерного излучения. Возможность реализации оптического гетеродинирования для лазеров, работающих в квазинепрерывном режиме, в том числе генерирующих предельно короткие импульсы, является еще одним свидетелством детерминированного характера лазерного излучения.
Регистрация сигнала биений от двух независимых лазеров, а также межмодовых биений может осуществляться с таким высоким спектральным разрешением, которое недостижимо средствами оптического спектрального анализа или оптической интерферометрии. При этом даже для стандартных газовых лазеров безо всякой стабилизации частоты спектральная ширина полос биений на десять и более порядков меньше оптической частоты лазерного излучения. Это означает, что когерентные цуги волн, излучаемые самыми обычными не стабилизированными лазерами, содержат не менее 1010 периодов оптических колебаний. Ни о какой «шумовой природе» лазерного излучения при этом, естественно, не может быть и речи.
Оптическое гетеродинирование используют для непосредственного измерения частот лазеров, стабилизированных по насыщенному поглощению эталонных веществ. Здесь используют тот факт, что частоты гармоник в точности кратны частоте излучения основной частоты и, следовательно, стабильны и могут быть измерены с той же точностью, что и основная частота.
Первые прямые измерения частоты видимого диапазона были осуществлены в 1979 г. [5]. В этой работе были измерены частоты гелий-неонового лазера, работающего в красной области спектра, стабилизированные по линиям поглощения молекул иода-127. Так, частота соответствующая линии g поглощения молекул иода, равна 473612340492 кГц.
Измерения оптических частот проводят путем точного измерения частот лазеров, частоты которых последовательно повышаются от дальнего инфракрасного до видимого диапазона. Например, для измерения частоты гелий-неонового лазера был использован радиооптический мост, включающий в себя шесть последовательных измерений частоты (рис.).
В качестве элементов моста, в которых образуются частоты биений стабилизированных лазеров и клистронов, использовались полупроводниковые диоды и диоды типа металл-окисел-металл (МОМ-диоды).
В гелий-неоновом лазере на 0,63 мкм с иодной ячейкой для получения узких резоненсов выходной мощности используются совпадение с линией усиления неона ряда линий поглощения в электронно-колебательном спектре паров молекулярного иода. При давлении 0,1 мм рт.ст. контраст пиков мощности составляет 0,1%,ширина – 5 Мгц.
Типичные размеры лазера: длина резонатора лазера 30 см, длина иодной ячейки 3 см, диаметр луча 1 мм. Достигнута стабильность частоты 10-12 при времени усреднения 10 сек. Измеренная воспроизводимость частоты – 5 10-11.
В 1973 г. гелий- неоновый (3Не – 20Ne)лазер, стабилизированный по i – компоненте иода–127 со значением длины волны в вакууме 632991,399 (0,0025) пм рекомендован консультативным комитетом по определению метра в качестве первичного стандарта в прецизионных интерферометрических измерениях.
В гелий-неоновом лазере на 3,39 мкм с метановой ячейкой в качестве репера для стабилизации частоты используется пик выходной мощности при насыщении поглощения компонента F2(2) колебательно-вращательного перехода полосы 3 метана. При давлении СН4 10-3 мм рт.ст. пик выходной мощности составлял несколько милливатт и имеет ширину 30 …50 кГц. В настоящее время гелий-неоновый лазер с метановой ячейкой позволяет получить наиболее высокие значения воспроизводимости и долговременной стабильности частоты (~ 5 ·10-15).