ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 150
Скачиваний: 0
§ 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 |
|
з—о—w Vj—ь 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- |