Оптический резонанс и двухуровневые атомы - Аллен Л.
Скачать (прямая ссылка):
С газовыми лазерами непрерывного действия связан другой пример переплетения когерентных и нскогерентных явлений Основные лачерные процессы раз\мно описываются скоростными уравнениями, н точно предсказывается при этом порог лазерной іенерации Однако согласия с тщательными экспериментальными исследованиями удается достигнуть только при тщательном учете атомной когерентности Первый пример такой теории оптических нмпульсов в инвертированной среде был представлен Арекки и Бонифацио [15].
В случае непрерывного газового лазера работающего в режиме свободной генерации, частоты аксиальных «од смещены по отношению к резонансам пассивного объемного резонатора вследствие эффектов межмодовоіі конкуренции и дисперсионных характеристик активной среды При определенных условиях ме жду фазами отдельных мод возникают простые соотношения, при этом гоїюрят, что моды синхронизованы [16] Выходное излучение лазера тогда уже не непрерывно, а состоит из последовательности импульсов с периодом C/2L, где L — длина резонатора, и с шириной имтльса ncl2L, где « — число «синхронизованных» (в указанном смысле) продольных мод
Фокс и Смит [17] предположили что лазерный нмпульс образованный синхронизованными молами двигаясь ту та-обратно в резонаторе, вполне может нревратттьси в л-ичн\іьс В самом дете если бы цлнтельность импульса была больше чем время перехоля возбужденных активных центров f невозб\ жаенное состояние то среда усиливала бы начальную часть имп\ льса и ослабляла его конец, тем самым укорачивая нмп\льс И наоборот, если бы импульс был короче \казанного промежутка времени, то он удлиняйся бы Самосогласованный импульс, усили-
130
Глава S
васмь;й без искажении, должен поэтому иметь интенсивность и длительность близкие к таковым для и импульса
Из (3 18) ішдно, что влияние когерентною возбуждающего поля на атомы сводится к изменению инверсии согласно соотношению
1 - lil'+'l- sin' (tVO^F+A6») . (5-17)
если предположить что при / = 0 атом находился на верхнем уровне и что / мало в сравнении с характерны» временем любого некогерептного процесса При этом импульс падающего излучения с длительностью
т = л IW+ \ЕГ''' (5.18)
будет вызывать наибольшее изменение населенности Если !S известно из эксперимента то, пользуясь формулой (5 18), можно нредсказаті длительность п импульса Фокс и Смит показали, что при й/2л ~ 275 МГц имеет место хорошее согласие между -•КС пери ментом п теорией Авторы считают, что система ведет себя так, как если бы все атомы были отстроены по частоте на некоторую среднюю величину от резонанса с по іем В действительности импульс является, конечно, результатом взаимодействия ряда мод. так что вышеуказанная одномодовая теория является весьма приближенной.
Далее, при помещении в резонатор Не —Ne лазера неоновой поглощающей ячейки возникала непрерывная последователь кость оптических импульсов [18]. Объяснение может заключаться в том, что для любой поглощающей ячейки наступает просветление, и п результате реализуются пульсации того же типа, как и в насыщающихся красителя', внутри резонатора твердотельного лазера с синхронизацией мод1), а именно зі-им пульс, поступающий в ячейку, инвертирует поглощающую среду, отражается от зеркала, вновь инвертирует поілощающую среду и в итоге выходит без потерь Это говорит о том что п-нмпульс может без потерь проходить через поглотитель или усилитель, или но меныиеи мері: о том, что за счет действия усиливающей среды потерн импульса могут быть практически сколь уголно малыми
Найдено также (19], что частота повторения импульсов, которая для резонатора с длиной L должна быть порядка c/2L, изменяется как /~Ч где / — пиковая интенсивность импульса и что при изменении CjIL длительность импульса также изменяется приблизительно ьак это говорит о том. что величина /т3 остается постоянной, по крайней мере в некоторые режимах.
1J Lm например обзоры [33* 34*] — Прим ptO
Эксперименты по распространению ішпульгае
131
К тому же измеренная частота C/2L отличается от значения, вычисленного го длине резонатора, это свидетельствует о том. что эффективная скорость цмпл'льса меньше, чем с т е имеет место эадержха импульса Мак Колл и Хан [20] показали что их теория когерентных импульсов, описанная в гл 4, может Быть применена к лазерным усилителям бегущей вочпы Можно думать, что если интенсивности импульсов достаточно малы, так что разбиение импульсов почти не происходит, то работа [20] отвечает настоящему случаю и действительно, теория согласуется количественно с экспериментальными данными [18, 1°]')
Интересно отметить, что и теория Лэмба [21] лазерной генерации может Сыть использована для обсуждения л-имульсов и синхронизации мод Аллен и др [22] показали, что в рамках тео рнн Лэмба может быть строго решена чадача о синхронизации трех аксиачьных мод н решении вполне согласуются с экспери ментальными данными для Не—Ne-лазеров с излучением как 6328 А. так и 1.15 мкм Однако какое либо предпочтитечьное значение площади импульса 6 для имп\ іьсов с синхронизацией трех мод у этих лазеров otc\tctbvct [23]. Аналогично tx3 значительно изменяется с c/2L Но при переходе от одного режима синхронизации к другому при постоянном C./2L (посредством небольшого сдвига центра кривой усиления по отношению к резонансной моде) ни площадь Є ни произведение /т3 почти не из меняется, что согласуется с вышеупомянутыми резучьтатачи Тот факт что в трехмодовом случае л импульсы, но-внднмиму, не возниiii)ют, не совсем неожиданный Длительность импульса в такой системе будет значительно превышать еоответствующис времена релаксации диполей В ірупіх экспериментальных работах которые лесь цитируются длительность импульсов быта порядка Ю-10 с так что вполне возможно творить о л-щшучь-сах Д\мается однако, что л-нмтльсы не являются неизбежным следствием синхронизации мод Это тоже неудивительно Ведь в реальном лазере площадь импульса ни в коей мере не сохраняется Поперечное сечение пхчкв и, сведоватедьно, поле изменяются в толь резонатора в соответствии с формой моды, так что реализовать единое значение площади не удается
