- •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
7.2. Автокорреляция лазерных импульсов. Интерферометр Майкельсона
Автокорреляционную функцию (АКФ) оптического излучения измеряют с помощью интерферометра Майкельсона. Этот интерферометр представляет собой систему из трех зеркал, расположенных так, как показано на рис.7.1.
Прибор работает в параллельном пучке света. Пучок разделяется светоделительным зеркалом, наклоненным к падающему пучку на угол 45 градусов, или светоделительной призмой на два пучка равной интенсивности (коэффициент отражения этого зеркала берется равным 0,5 для указанного выше угла падения). Эти пучки отражаются точно назад зеркалами 2 и 3 с нанесенными на них полностью отражающими покрытиями.
Рис.7.1. Схема измерений огибающей АКФ с помощью интерферометра Майкельсона.
1 - лазер, 2 -телескопическая система, формирующая широкий, параллельный пучок света. 3 - зеркало, колеблющееся вдоль оси пучка с амплитудой, примерно равной половине длины волны излучения; 4 - уголковый отражатель, который перемещается вдоль оси интерферометра, обеспечивая изменение разности хода интерферирующих лучей; 5 - диафрагма, 6 фотоприемник и регистрирующая система.
При этом на экране, установленном на выходе интерферометра, пучки точно накладываются друг на друга, создавая интерференционную картину. Сдвиг фазы между интерферирующими лучами определяется разностью расстояний от светоделительного зеркала до двух других зеркал. Интенсивность светового пятна на экране изменяется от нуля до максимального значения, равного интенсивности падающего на интерферометр луча в зависимости от разности хода интерферирующих лучей.
До создания лазеров работа с интерферометром при использовании в качестве источника света лампы накаливания представляла собой сложную экспериментальную задачу. Это было связано с необходимостью формирования параллельного светового пучка, точной юстировки зеркал и выравнивания оптических длин плечей интерферометра. Для осуществления такого выравнивания для разных длин волн анализируемого излучения внутрь интерферометра устанавливался компенсатор точно такой же толщины и из того же стекла, что и светоделительное зеркало.
С помощью лазера настройка интерферометра доступна даже школьникам. Поскольку при этом не требуется точно выравнивать оптические длины плечей интерферометра, легко сформировать параллельный световой пучок, а лучи, отраженные зеркалами хорошо видны на удаленном экране. Для обеспечения необходимой точности юстировки зеркал экран, на котором наблюдают степень пространственного совмещения двух пучков, следует устанавливать в нескольких метрах от интерферометра.
Для устранения влияния на работу лазера лучей, отраженных от интерферометра в обратном направлении, оптическая ось интерферометра немного разъюстируется по отношению к оптической оси лазера. Поэтому лазер необходимо относить на возможно большее расстояний от интерферометра, чтобы отраженный луч не попадал на выходное зеркало лазера.
При исследовании предельно коротких импульсов на результатах измерений может сказываться дисперсия света в светоделительном зеркале. В этом случае его толщина должна быть минимальной. При высоком оптическом качестве зеркал и при использовании хорошо сколлимированного с помощью телескопа луча непрерывного гелий-неонового лазера, обычно используемого для юстировки прибора, нетрудно наблюдать интерференционные полосы. В случае идеальной юстировки на выходе интерферометра наблюдают равномерное освещение, а также полное погашение светового луча на экране, когда интерферирующие лучи оказываются в противофазе.
Для наблюдения на экране интерференционных полос одно из зеркал интерферометра слегка разъюстируют. Изменение разности хода интерферирующих лучей, за счет перемещения с помощью микрометрического винта одного из зеркал интерферометра вдоль оптической оси, приводит к смещению на экране всей системы интерференционных полос, причем направление смещения определяется знаком изменения разности хода.
В случае падения на интерферометр расходящегося светового пучка, на экране, естественно, наблюдают кольцевую интерференционную картину, симметричную оптический оси прибора. При плавном изменении разности хода интерферирующих лучей за счет перемещения одного из зеркал диаметры колец непрерывно изменяются. При этом кольца в интерференционной картине в зависимости от направления перемещения зеркала или последовательно схлопываются в точку на оси картины или расходятся из центра.
При падении на идеальный интерферометр Майкельсона плоской монохроматической волны с длиной волны , и интенсивностью I0, интенсивность света на его выходе I зависит от разности фаз интерферирующих лучей: , где и оптические длины плечей интерферометра.
Это означает, что при нулевой разности хода лучей в интерферометре и в последующих максимумах интерференции, когда косинус становится равным единице, интерферометр Майкельсона полностью пропускает падающую на него волну. В минимумах интерференции, естественно, свет полностью отражается от интерферометра назад в направлении источника света. Учет этого отражения устраняет кажущийся парадокс с сохранением энергии в интерференционной картине на выходе интерферометра: в максимумах интерференционной картины интенсивность света в два раза превышает сумму значений интенсивностей интерферирующих лучей.
В современных конструкциях интерферометра Майкельсона точное перемещение зеркала осуществляют с помощью шагового электрического двигателя, управляемого компьютером. Сигнал с фотоприемника преобразуют аналогово-цифровой платой в цифровую форму и также записывают в память компьютера.
Лазер и интерферометр помещают на оптическую скамью, подвешенную на воздушной подушке для развязки от механических вибраций пола лаборатории.