ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ПЕРЕСТРОЙКА ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРА

Ширина линии усиления некоторых лазеров (например, лазеров на кра­сителях или твердотельных лазеров на вибронных переходах) является очень большой, и может возникнуть необходимость перестройки длины волны вы­ходного излучения от центра линии в пределах всей доступной ширины ли­нии. В некоторых других случаях лазеры обладают усилением на более чем одном переходе (например, С02 лазер или Аг лазер), из которых, как прави­ло, генерирует самый сильный переход, и может возникнуть потребность в перестройке длины волны лазера в сторону от самой сильной линии. В обоих этих случаях обычно применяют селективные по длинам волн элементы, помещаемые внутри лазерного резонатора.

Для среднего ИК-диапазона (например, при использовании С02 лазера) в качестве одного из зеркал резонатора обычно используется дифракционная решетка, установленная по так называемой схеме Литтрова (рис. 7.16а). При такой конфигурации для заданного угла поворота решетки существует толь­ко одна длина волны (на рисунке обозначена как А^), которая отражается назад в резонатор; при этом перестройка длины волны осуществляется вра­щением решетки.

Для видимого или ближнего ИК диапазона традиционно используется дисперсионная призма, одна из поверхностей которой устанавливается под углом близким к углу Брюстера по отношению к лазерному пучку (рис. 7.16б)* Как и в случае с дифракционной решеткой, при заданном угле установки

Призмы только определенная длина волны (на рисунке обозначена как Хг) отражается от зеркала 2 назад в резонатор; при этом перестройка длины вол­ны осуществляется вращением призмы или зеркала.

Третий селективный по длинам волн элемент, пользующийся все боль­шей популярностью в видимом или ближнем ИК-диапазоне, использует дву - лучепреломляющий фильтр, помещенный внутри резонатора лазера. Фильтр представляет собой пластинку подходящего двулучепреломляющего кристал­ла (например, кварца или кристалла дигидрофосфата калия — КБР), накло­ненную по отношению к пучку под углом Брюстера 0В (рис. 7.17). Предста­вив, что оптическая ось А кристалла лежит в плоскости, параллельной по­верхности двулучепреломляющей пластинки, предположим вначале, что последняя помещена между двумя поляризаторами с параллельной ориента­цией. Будем считать, что такое направление установки поляризаторов по­зволит пропускать только тот пучок, вектор электрического поля Е которо­го лежит в плоскости падения пучка на пластинку. При этом пучок на входе в пластинку не будет испытывать потерь на отражение, поскольку пластин­ка наклонена под углом Брюстера. Если оптическая ось не перпендикулярна и не параллельна плоскости падения, то падающий пучок будет содержать как обыкновенную, так и необыкновенную компоненты. Эти компоненты Претерпевают различный фазовый сдвиг Аф = 2п(пе - п0)Ье, где п0ипе — по­казатели преломления обыкновенного и необыкновенного луча соответст­венно, Ье — толщина пластинки вдоль направления пучка. Проходя через Пластинку, обе компоненты складываются, образуя результирующее поле с Глиптической поляризацией, за исключением случаев, когда разница в фа - 3°вых сдвигах Аф не будет равна целому числу, умноженному на 2п; тогда Наличие второго поляризатора приведет к потерям для этого эллиптически поляризованного пучка. С другой стороны, если Лер равно целому числу, ум­ноженному на 2л, т. е. если

^-(ne-n0)Le=2ln, (7.6.1)

Где I — целое число, тогда поляризация пучка останется неизменной после его прохождения через пластинку. Для идеальных поляризаторов пучок не будет испытывать потерь при проходе всей такой системы, изображенной на рис. 7.17. Для обобщенного значения Аф можно рассчитать пропускание Т всей системы (рис. 7.17). Полагая для простоты, что компонента электриче­ского поля Е составляет 45° с оптической осью А, имеем Т = cos2 (Лф/2). Сле­дует отметить, что последовательные максимумы пропускания принимают значения, кратные числу I, которое отличается на единицу; и их разность частот можно легко определить из выражения (7.6.1). Полагая, что в преде­лах рассматриваемого волнового диапазона разница (пе - п0) изменяется не­значительно, частотный сдвиг, разделяющий два последовательных макси­мума, т. е. область дисперсии Avfsr, определяется как

Таким образом, толщина пластинки, которая обычно лежит в пределах

0, 3-1,5 мм, определяет ширину перестроечной кривой, т. е. разрешающую силу. Чем тоньше пластинка, тем шире доступная область перестройки час­тоты и ниже разрешающая сила. Следует также отметить, что каждый пик пропускания может быть настроен путем вращения пластинки вокруг нор­мали к поверхности. Действительно, при этом изменяется значение пе, кото­рое зависит от угла между оптической осью и вектором электрического поля, и, следовательно, величина Ап = пе - п0, отвечающая за двулучепреломле^ ние. Наконец, необходимо заметить, что в лазерах с малым усилением, на­пример в непрерывных газовых лазерах или лазерах на красителях, можно обойтись без двух поляризаторов, если остальные поляризующие компонен­ты, такие как активная среда или окна Брюстера, обеспечивают достаточ­ную дискриминацию по потерям между двумя поляризаторами.

Пример 7.7. Область дисперсии и разрешающая сила двулучепрелом - ляющего фильтра. Рассмотрим лазер на красителе, генерирующий на дли­не волны X = 600 нм, в который для перестройки частоты генерации поме­щен двулучепреломляющий фильтр, состоящий из кристалла дигидрофос­фата калия (KDP) толщиной L = 1,5 мм. Показатель преломления для обыкновенного и необыкновенного луча при данной длине волны лазера составляет п0 = 1,47 и пе= 1,51 соответственно. Угол Брюстера для данной пластины имеет значение 0В « tan-1 п « 56,13°, где п — среднее значение между п0ипе. Угол Брюстера внутри кристалла определяется законом Снел - лиуса и равен 0'в =33,9°, таким образом, Lp =L/cos0B -1,81 мм. Если на­правление оптической оси А кристалла (рис. 7.17) близко к перпендику­лярному относительно направления распространения пучка, то значение показателя преломления необыкновенного луча, используемое в выраже-

НИИ (7.6.2), в точности равно пе = 1,51, и тогда из выражения (7.6.2) полу­чаем Ау^г ж 4,14 • 1012 Гц. В этом случае интервал длин волн между двумя последовательными пиками составляет АХ = ЦЛу/8г/у) « 5 нм, где V = с/Х = = 5 • 1014 Гц — частота излучения. Поскольку пропускание двулучепрелом - ляющего фильтра (рис. 7.17) задается выражением Т = сое2 Дф/2), нетруд­но видеть, что ширина кривой пропускания (полная ширина между точка­ми, соответствующими половинному значению от максимумов) равна зна­чению АХ/2, т. е. составляет -2,5 нм.