- •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
7.4. Описание излучения на выходе лазера как суперпозиции эквидистантных монохроматических плоских волн
Не вдаваясь пока в тонкости работы лазера, рассмотрим излучение, выходящее из лазера и распространяющееся в виде регулярной последовательности ультракоротких импульсов. Результаты множества прямых измерений показывают, что это излучение можно рассматривать как линейную суперпозицию монохроматических волн. Это подтверждают следующие экспериментальные факты:
излучение состоит из строго регулярной последовательности ультракоротких импульсов. Постоянство периода следования импульсов есть простое следствие стабильности зеркал лазерного резонатора. Каждый последующий импульс в последовательности отличается от предыдущего только тем, что испытывает дополнительный обход лазерного резонатора.
излучение лазеров обладает несущей частотой излучения, длина волны которой совпадает с максимумом спектрального контура усиления активной среды. Эту несущую частоту непосредственно наблюдают при регистрации автокорреляционной функции излучения с разрешением интерференционных полос. Следствием существования общей несущей частоты является когерентность импульсов, несмотря на то, что расстояние между импульсами может в сотни тысяч раз превышать пространственную протяженность каждого из импульсов.
излучение можно считать состоящим из набора строго эквидистантных частот. Степень постоянства расстояния между частотами, согласно прямым измерениям методом оптического гетеродинирования, превышает 20 значащих цифр. Набор этих частот называют оптической гребенкой и используют для прецизионных измерений.
строгая эквидистантность частот спектра отражает факт постоянства периода следования импульсов. Сами эти частоты возникают в спектральном приборе. Математически это объясняется разложением строго периодического процесса в ряд Фурье. Именно поэтому дискретные частоты в спектре излучения лазера согласованы по фазе. Эти частоты нельзя считать модами лазерного резонатора. Продольные моды резонатора всегда неэквидистантны и не согласованы по фазе вследствие дисперсии и нелинейности активной среды.
Строго периодическая гребенка оптических частот, генерируемая лазером ультракоротких импульсов, оказалась мощным инструментом для измерения оптических частот. Ранее реперные оптические частоты получали с помощью лазеров, стабилизированных по поглощению небольшого числа эталонных веществ, молекулярного иода, метана .. , узкие линии поглощения которых попадают в спектральную область усиления активной среды лазера. Таких эталонных частот было немного. Теперь частоту каждой из сотен тысяч дискретных частот гребенки оказалось возможным точно определить, зная номер частоты в гребенке, путем сравнения с эталонной частотой только одной из частот гребенки. Таким образом, весь оптический диапазон оказался перекрыт эталонными спектральными линиями (дискретными линиями гребенки). В спектроскопии появилась возможность перехода от измерений длин волн к измерениям частот, которые можно осуществлять радиотехническими методами в тысячи раз точнее. За исследования оптических гребенок и методов измерения частот на их основе в 2005 г. была присуждена нобелевская премия по физике.