ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

МОНОХРОМАТИЧНОСТЬ

В разделах 7.9 и 7.11 было показано, что частотные флук­туации непрерывного одномодового лазера в основном обу­словлены флуктуациями фазы, нежели случайными измене­ниями амплитуды. Флуктуации амплитуды, в свою очередь, обусловлены случайными изменениями мощности накачки

Или флуктуациями потерь в резонаторе. Как правило, эти флуктуации очень малы (-1%) и могут быть существенно уменьшены при использовании кор­ректирующих электронных схем с обратной связью. Таким образом, в пер­вом порядке приближения величину А(£) для одномодового лазера можно принять постоянной и рассматривать степень монохроматичности исходя из частотных флуктуаций. Теоретический предел монохроматичности опреде­ляется нулевыми флуктуациями поля и записывается в виде выражения (7.9.2). Однако этот предел подразумевает очень узкую ширину линии гене­рации Ду£, что встречается на практике крайне редко. Как было видно из примера 7.9, рассчитанное значение составило ~0,4 мГц для Не-Ке лазе­

Ра с выходной мощностью излучения 1 мВт. Как уже говорилось ранее, ис­ключением являются полупроводниковые лазеры, в которых благодаря ко­роткой длине резонатора и высоким внутрирезонаторным потерям указан­ный предел оказывается значительно больше (Ауь = 1 МГц) и реальная ширина линии зачастую определяется этими квантовыми флуктуациями. Для большинства других случаев на ширину лазерной линии оказывают влияние технические факторы, такие как механические вибрации и темпе­ратурные изменения длины резонатора. При использовании в лазерных резонаторах монолитных устройств (как, например, в неплоских однона­правленных кольцевых резонаторах, см. рис. 7.26) значение Ауь может быть уменьшено до 10-50 кГц. Более узкие линии (вплоть до ~0,1 Гц) могут быть получены при использовании различных схем стабилизации частоты гене­рации лазера, см. раздел 7.10. В импульсном режиме работы лазера мини­мальная ширина линии, очевидно, ограничивается величиной, обратно про­порциональной длительности импульса тр. Например, для одномодового ла­зера с модуляцией добротности при тр = 10 не имеем =100 МГц.

В случае, когда лазер работает в многомодовом режиме, степень моно­хроматичности связана, очевидно, с числом генерируемых мод. Например, можно вспомнить, что в режиме синхронизации мод можно получить им­пульсы, длительность которых составляет несколько фемтосекунд, при этом соответствующая ширина лазерной линии составляет порядка нескольких терагерц (ТГц), и условия квази-монохроматичности в этом случае теряют всякий смысл.

Степень требуемой монохроматичности зависит от той или иной области применения лазера. Действительно, крайне узкая ширина линии лазера не­обходима только в точных и сложных научных приложениях, имеющих дело с метрологическими измерениями или с исследованиями в области фунда­ментальной физики (например, регистрация гравитационных волн). Для других, более общих применений, таких как интерференционные методы дальнометрии, лазерные радары и когерентная оптическая связь, необходи­мая степень монохроматичности составляет 10-100 кГц, тогда как для спек­троскопии высокого разрешения или для устройств оптической связи, ис­пользующих спектральное разделение, достаточно иметь ширину линии по­рядка 1 МГц. В некоторых приложениях требования к монохроматичности вообще не предъявляются. Сюда можно отнести лазерную обработку мате­риалов, а также большинство применений в биологии и медицине.