Файл: Волновые и флуктуационные процессы в лазерах..pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 16.10.2024

Просмотров: 150

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

§ 4] с л у ч а й н ы е к о л е б а н и я 113

Воспользовавшись формулой (см. [9])

Г О +t e) Г

получаем

<Ф> = 0,(1 -

2р.2

1+ 4e2Q?

 

Отсюда следует, что максимальное отклонение от асимптоты

(4р)= Oi наблюдается в точке Qi = Qo/(2e), причем это макси­ мальное отклонение равно й0е/2. Таким образом, чем меньше параметр е, тем меньше искажения частотной характеристики за счет явления синхронизации.

Полученные результаты показывают, что при шумовой моду­ ляции разности частот встречных волн можно существенно осла­ бить влияние связи встречных волн на частотные характеристики кольцевого лазера.

Г Л А В А VIII

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНКУРЕНЦИИ ВСТРЕЧНЫХ ВОЛН В КОЛЬЦЕВОМ ЛАЗЕРЕ

§ 1. Способы управления параметрами кольцевого лазера

Теоретическое исследование конкуренции встречных волн в одномодовом режиме, проведенное в гл. IV, V, показало, что кольцевой генератор представляет собой сложную автоколеба­ тельную систему. Взаимодействие между встречными волнами зависит от большого числа параметров и при изменении соот­ ношения между ними в кольцевом ОКТ могут возникать раз­ личные режимы генерации. Для экспериментального исследова­ ния этих режимов необходимо уметь изменять и контролировать параметры кольцевого лазера, определяемые свойствами как активной среды, так и резонатора. Параметры активной среды лазера можно варьировать, изменяя ток разряда, изотопический состав и давление газовой смеси.

В кольцевых лазерах обычно используются газоразрядные трубки с брюстеровскими окнами, вследствие чего излучение в кольцевом лазере оказывается плоскополяризованным. Для ре­ гулирования некоторых параметров кольцевого резонатора (раз­ ности добротностей и разности собственных частот резонатора для встречных волн) можно использовать хорошо известные в оптике поляризационные устройства.

Разность собственных частот резонатора для встречных волн можно изменять с помощью частотного фарадеевского элемента. Он состоит из двух пластин с разностью хода Х/4 (или из двух параллелепипедов Френеля) и расположенного между ними ма­ териала с большой постоянной Верде, находящегося в магнит­ ном поле соленоида (рис. 8.1,а). При прохождении через одну пластину Х/4 плоскополяризованные волны превращаются в по­ ляризованные по кругу. Для встречных волн с круговой поляри­ зацией материал, находящийся в магнитном поле соленоида (на­ пример, тяжелый флинт), имеет разные показатели преломления. В результате эффективные значения периметра кольцевого резо­ натора оказываются различными и возникает разность частот встречных волн, зависящая от величины магнитного поля. При


§ 2] ЛАЗЕР С НЕВЗАИМНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ Ц 5

прохождении через другую пластину К/4 круговая поляризация снова превращается в плоскую. Существуют и другие способы управления разностью частот встречных волн, основанные, на­ пример, на эффектах Физо и Ленгмюра.

Для регулирования разности добротностей встречных волн используется амплитудный фарадеевский элемент. В отличие от частотного элемента здесь используется комбинация из одной пластины с разностью хода к/2 и материала, расположенного в

магнитном поле соленоида (рис. 8.1,6).

 

о

J

Магнитное вращение плоскости поля­

/ II

 

Л Л Л Л

ризации не зависит от направления

 

'

распространения волны, а угол пово­

 

зоw Vjь т ^

рота

пластиной Х/2 для встречных

£ /

 

 

волн отличается знаком. Следователь­

 

,

но, в одном из направлений оба пово­

 

 

а)

 

рота

складываются, а в другом — вы­

 

 

Л Л Л Л I*

читаются. Направление, в котором

1Л_

суммарный угол поворота плоскости

поляризации больше, отличается боль­

 

 

шими потерями при отражениях от по­

2 1

 

5)

 

верхностей раздела под углом Брю­

 

 

стера. Величину связи встречных волн

Рис. 8.1. Схема частотного (а)

через обратное рассеяние можно изме­

и амплитудного (б)

фарадееа-

 

 

ских элементов.

нять,

вводя дополнительную обратную

 

 

 

 

связь с помощью вспомогательных «возвратных» зеркал, распо­ ложенных вне резонатора (см. рис. 2.2).

Расстройку частоты относительно центра линии усиления обычно изменяют путем перестраивания периметра кольцевого резонатора. С этой целью одно из зеркал часто укрепляется на пьезоэлементе. Под действием приложенного к пьезоэлементу напряжения происходит поступательное смещение зеркала, т. е. изменяется длина резонатора. Обычно управляющее напряже­ ние подается одновременно на пьезоэлемент и на горизонтальную развертку осциллографа. При этом скорость развертки синхрони­ зуется со скоростью сканирования частоты и на экране осцилло­ графа удается непосредственно наблюдать зависимость иссле­ дуемых величин от расстройки частоты генерации.

§ 2. Исследование конкуренции встречных волн

вкольцевом лазере с амплитудным

ичастотным невзаимными элементами

Вработе [1] исследовалась конкуренция встречных волн в ге­ лий-неоновом лазере на длине волны Я = 6328 А при давлении смеси 2,5 мм рт. ст. и отношении парциальных давлений Не3 и Ne20, равном 9: 1. Примесь изотопа Ne22 составляла менее 0,5%.


116

КОНКУРЕНЦИЯ ВОЛН (ЭКСПЕРИМЕНТ)

[ГЛ. VIII

Внутрь кольцевого резонатора вводился частотный фарадеевский элемент, создающий разность частот встречных волн около

100 кгц.

Такая разность частот задавалась для того, чтобы существен­ но ослабить влияние связи между встречными волнами за счет рассеяния. Как уже отмечалось на стр. 48, при условии

| Q | » Q e

(8.1)

связь между волнами оказывается мало существенной. Обычно ширина полосы синхронизации Ос~103 гц и, следовательно, при разности частот Q = 100 кгц условие (8.1) хорошо выполняется. Вследствие этого при объяснении экспериментальных данных можно использовать результаты гл. IV, полученные без учета

связи.

Хатчингсом и др. [1] исследовалась зависимость интенсивно­ стей встречных волн от расстройки частоты относительно центра доплеровской линии усиления. Оказалось, что при приближении расстройки к центру доплеровской линии средние значения ин­ тенсивностей встречных волн начинают существенно различать­ ся и вблизи центра линии происходит полное подавление од­ ной из волн.

Полученные зависимости интенсивностей встречных волн и их суммы от расстройки частоты для одномодового режима ге­ нерации изображены на рис. 8.2. Характер этих зависимостей качественно согласуется с теорией. Согласно (4.14) сумма ин­

тенсивностей встречных волн равна

 

 

а (£, + Ег) =

2 (т>1 ~ . W

W .

(8.2)

На рис. 8.2 зависимость a(E2i-\-El),

рассчитанная

по фор­

муле (8.2), построена при ku =

1000 Мгц, -по === 4 -10-2

и двух

значениях параметра уаь (90 и 100 Мгц). Наилучшее соответ­ ствие экспериментальной и теоретической зависимостей полу­ чается при уаь = 95 Мгц.

Интенсивности встречных волн аЕ^ г определяются соотно­ шениями (4.12) —(4.14). Теория и эксперимент достаточно хо­ рошо согласуются, если принять, что относительная разность превышений накачки над порогом для встречных волн равна

h i — Т)2 1/ло = 2| б 1= К)-2.

Из неравенства (4.17) следует, что подавление одной из встречных волн должно происходить в области расстроек

(хёгТ<Ш2-1 а.ло+2[в).

(8.3)


§2] ЛАЗЕР С НЕВЗАИМНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ 11?

Параметры (y/ku)2 и

 

приблизительно равны

Ш * ~

2

10- 2

■0|Ло

4 -^ - 10- 2

\ ku I

УаЬ

 

 

УаЬ

Поскольку, согласно работе Форка и Поллака [2], при давлении Не3, большем 1,5 мм рт. ст., уа/уаь ^ 1/10, то в рассматриваемом

 

 

случае члены (y/ku)2

и 3/20irio

 

 

в неравенстве (8.3) оказывают­

 

 

ся малыми по сравнению с 26.

 

 

Пренебрегая

этими

членами,

 

 

для ширины области однона­

 

 

правленной

генерации

полу­

 

 

чаем

 

 

 

 

 

 

Дц =

2уаЬ ]/26 =

 

 

 

 

 

;2уа* ] / J ~П1—Ла I

 

(8.4)

 

 

 

 

По

 

 

 

 

При

2 1б}=

10—2 имеем

Дц =

-2 0 0 -100

100 200

= 20

Мгц,

что соответствует

 

Ji,Mm

экспериментальным

данным.

 

а(ф£?)

?аЬ-90Мгц

 

 

 

 

0,00 -

 

 

 

 

0,02 -

-2 0 0 -100

0

100 2 00

-2 0 0

-100

100 200

 

 

/ с,Мгц

 

 

/с,Мгц

Рис. 8.2. Зависимость интенсивностей

встречных волн

и их суммы

 

 

от расстройки.

 

В работе [I] отмечается, что с увеличением превышения над по­ рогом т)о ширина области однонаправленной генерации умень­ шается. Это согласуется с формулой (8.4).

Таким образом, наблюдаемое конкурентное подавление одной из волн можно объяснить, предположив неравенство добротно­ стей кольцевого резонатора для обоих направлений. В данном


118 КОНКУРЕНЦИЯ ВОЛН (ЭКСПЕРИМЕНТ) [ГЛ. VIII

эксперименте неравенство добротностей могло возникнуть из-за неидеальности частотного фарадеевского элемента.

В работе Ли и Атвуда [3] при исследовании конкуренции встречных волн искусственно вводилась разность потерь с по­ мощью амплитудного фарадеевского элемента. Помимо этого, в резонатор вводился также и частотный элемент, создававший разность частот около 50 кгц. При сканировании частоты гене­ рации относительно центра линии усиления наблюдалось конку­ рентное подавление волны с меньшей добротностью. Измеренная ширина области однонаправленной генерации Др, при разности

превышений | rji — ri21= 0,5 X Ю-4 равнялась

37 Мгц,

а при

| Til т]21== Ю~4 и том же превышении над порогом

78 Мгц.

Превышение над порогом было примерно т)0 =

0,03. Из

(8.3) и

(8.4) следует, что ширина области однонаправленной генерации

изменяется примерно как Vl "Hi — Лг 1> тогда как согласно при­ веденным данным Др приблизительно пропорционально | т]i — г|21- По-видимому, это противоречие объясняется тем, что Ли и Ат­ вуд неправильно оценили разность добротностей, вносимую в резонатор невзаимными элементами.

В работе [3] обращается внимание на асимметрию зависимо­ сти интенсивностей конкурирующих волн от расстройки и не­ симметричное расположение области однонаправленной генера­ ции относительно центра линии усиления. Одно из возможных объяснений этого эффекта связано с учетом столкновений (§ 2

гл. IV).

§3. Конкуренция встречных волн и области синхронизации

Впредыдущем параграфе рассматривались процессы конку­ ренции встречных волн в кольцевом лазере при достаточно боль­ шой разности частот Q. С уменьшением й все большее влияние на конкуренцию оказывает связь волн через обратное рассеяние. Наиболее значительным влияние связи становится в режиме син­ хронизации, когда обе волны генерируются на одной частоте.

Детальное исследование конкуренции встречных волн с син­ хронизованными частотами проведено Б. И. Трошиным и В. Н. Лисицыным [4, 5]. Исследования проводились с гелий-нео­ новым лазером на длине волны %= 6328 А при отношении пар­ циальных давлений Не и Ne, равном 7: 1, и общем давлении, изменявшемся в пределах 1,2-=-2 мм рт. ст. Измерялись интен­ сивности встречных волн при сканировании частоты генерации по линии усиления. Варьируемыми параметрами являлись: превы­ шение над порогом г]о, давление газа, коэффициенты обратной связи, направление изменения частоты генерации.

При малых превышениях над порогом

(rjo ^ 10-3) в

широкой

области расстроек наблюдается режим

бегущих волн

с суще-