Рис. 47. Схема химического киСлород-иониого лазера: / - лазерная , секц»я; 2 -ловушка выходная; 5 -откачка; 4 - расширитель; 5- ловушка; 6 - газогенератор; 7 -зеркало -

Литература к разд. 3

1. Андерсон Дж. Газодинамические лазеры: введение. М.: Мир, 1979.

202 с. U .

2 Богданкевич О. В. и др. Полупроводниковые лазеры. М.: Наука, i

1976. 415 с.

3. Веденов А. А. Физика электроразрядных СОг-лазеров. М.; ;иерго-издат, 1982. 111 с. ...

4. Гудзенко Л. И.. Яковленко С. И. Плазменные лазеры. М.: Атомиз- , дат, 1978. 253 с,

5. Исследования по химическим лазерам: Труды ФИАН СССР им. П. Н. Лебедева, М.; Наука, 1990. Т. 194. 216 с.

6. Микаэлян А. Л., Тер-Микаелян М. Л., Турков Ю. Г, Оптические генераторы на твердом теле. М.: Сов. радио, 1967. 384 с.

7. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1985. 590 с.

8. Солоухин Р. И., Фомин Н. А. Газодинамические лазеры иа смешении. Минск: Наука и техника, 1984. 248 с.

9. Уивер У. Р., Ли Я. Г. Газовый лазер с солнечной накачкой для прямого преобразования солнечной энергии Авиакосмическая техника, 1985. Г, 3, № 9. С. 3... 8.

10. Химические лазеры/Под ред. Дж. Гросса и Р. Ботта. М.: Мир, 1980, 832 с.

4. ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

4.1, Резонаторы

4.1.1. Спектр излучения лазера

При рассмотрении в подразд. 1.2 распространения излучения в резонаторе лазера не учитывалось влияние на этот процесс длины волны %. Однако из-за интерференции световых волн в пространстве между двумя параллельными зеркалами возможно развитие электромагнитных колебаний только строго определенных длин волн.

Между двумя зеркалами распространяются две волны: падающая на зеркало и отраженная от него. Из-за интерференции они могут гасить друг друга или взаимно усиливаться в зависимости от того, имеют ли они одинаковую фазу или нет. Идеально отражающие зеркала (коэффициент отражения /?=ilOO%) обладают таким свойством, что амплитуда световых колебаний на зеркале равна нулю; в противном случае свет будет проникать дальше за зеркало и оно уже не будет идеально отражающим. Это же условие должно быть выполнено и на втором зеркале. Но при этом фаза отраженной волны может совпадать с фазой падающей только Fi том случае, когда между зеркалами укладывается целое число полуволн, т. е. величина 2L/X (рис. 48, а, б). Таким ; образом, при заданной длине между идеальными зеркалами могут существовать (возбуждаться) только такие электромагнитные колебания, длины волн которых определяются формулой: Х„ = 2Ь/п, где п - целое число. Отсюда ясно, что два зеркала являются для световых волн резонатором, получившим название открытого, или резонатора Фабри-Перо,

который резонирует на определенных (собственных) частотах:

v„ = c/2L.ft. (4.1)

Интервалы между соседними частотами одинаковы и равны c/2L (рис. 49, а). В действительности, спектр собственных

колебаний резонатора более сложен из-за того, что каждая j;

частота, определяемая формулой (4.1), расщепляется на ряд J

близко расположенных частот. Это расщепление связано с s

.АктиЬная с/иеЗа

Суммарная волна L - расстояние между зеркалами

Рис. 48. Интерференция прямой и отраженной волны в пространстве между зеркалами М: а - усиление прямой волны, б - гашение прямой волны

отражением волн от края зеркал внутрь резонатора и другими эффектами. Реальные зеркала лазера никогда не могут иметь коэффициент отражения, равный 100 %. Потери в зеркалах, связанные с выходом излучения наружу и поглощением в самом материале зеркала, приводят к тому, что

условия резонанса выполняются для небольшой полосы Avp частот вблизи каждой из собственных частот резонатора v„

(рис. 49, б).

Действительно, при идеально отражающих зеркалах электромагнитная волна, отражаясь от них, проходила бы бесконечное число раз между зеркалами. Путь, проходимый волной, был бы бесконечно велик. Поэтому даже небольшое отступление от резонансной частоты vo в конечном счете привело бы к гашению прямой и обратной волны из-за интерференции. Если же 7?<100%, то, сделав несколько проходов.

Рис. 49. Спектр собственных частот резонатора Фабри-Перо; а -в случае идеальных зеркал, б - реальных зеркал (?«100%)

Волна покинет резонатор. Например, если коэффициент отражения каждого зеркала -90 %, то при каждом отражении !*олна будет терять 0,1 от своей интенсивности и за 10 проходов полностью выйдет из резонатора. Путь ее пробега мо-кет быть велик, но он конечен. На конечном пути неболь-ное отклонение частоты колебаний от ее резонансного зна-Дния Vo может не привести к полному взаимному гашению Фямой и отраженной волн (рис. 48). В этом случае происхо-

дит лишь частичное гашение, тем большее, чем больше разность частот (расстройка Avp между резонансной частотой Vn и частотой электромагнитной волны) и чем больше проходов осуществляется этой волной между зеркалами. Поэтому резонансный характер колебаний сохраняется, но они несколько расширены по частоте.

Спектральная линия лазерного перехода обладает некоторой шириной Av.., (см. подразд. 1.-2, рис. 4). Если эта иш-рина меньше разности частот между двумя собственными частотами резонатора (v„-v«.-i), т. е. если Ava<c/2L, lu в пределах спектральной линии может возбуждаться только одно резонансное колебание резонатора Vr, (рис. 50). В этом случае излучение лазера будет монохроматическим. Перво-

Рис. 50. Формирование спектра лазерного излучения при ширине спектральной линии Дгл< <c/2L (L - расстояние между зеркалами, с - скорость распространения света в активной среде)

начально за счет спонтанного излучения будет испущен свет во всем контуре спектральной линии Av- Однако резонатор сразу вырезает более узкую полосу частот Avp. В дальнейшем интенсивность световых волн, частоты которых равны собственной частоте резонатора Vn, будет испытывать наибольшее усиление, что при многократном прохождении резонатора приведет к доминированию частоты vo над всеми остальными. Если же в ширину спектральной линии попадает

несколько собственных частот резонатора Av,4>c/2L, то возможна генерация сразу на нескольких частотах v„, попавших в пределы спектральной линии. Излучение лазера становится немонохроматичным: оно будет состоять из целого набора частот (рис. 51), хотя генерация на каждой собствен-1юй частоте будет почти монохроматичной. В некоторых лазерах, например в Не-Ne-, СО-лазерах, лазерах на органических красителях, активные среды обладают усиливающими свойствами на нескольких энергетических переходах, т. е. !ля них возможна одновременная генерация на нескольких

п<-2 п + З

Рлс. 51. Формирование спектра излучения лазера при ширине спектральной линии A\a>c/2L; Vti, Vn-I, Vti+i -- собственные частоты резонатора

заметно различающихся длинах волн. В этих случаях при необходимости перестройки и сужения спектра генерации в 1сзонатор лазера могут вводиться специальные спектрально-селективные элементы (селекторы). В качестве селекторов применяются спектральные покрытия зеркал или светофильтры, клиповые и плоскопараллельные интерферометры Фабри-Перо, дифракционные решетки, дисперсионные призмы и некоторые другие устройства (рис. 52). Введение одного селективного элемента сужает ширину линии генерации до 10~5...10~ мкм без существенного уменьшения выходной мощности и позволяет перестраивать спектр генерации в пределах 0,1 ... 1 мкм.