Основы лазерной спектроскопии - Стенхольм С.
Скачать (прямая ссылка):
3.6. ЛАЗЕР С НАСЫЩАЮЩИМСЯ ПОГЛОТИТЕЛЕМ
До сих пор мы рассматривали активную нелинейную среду как усиливающую генерируемое в лазере излучение. Необходимое условие этого — инверсная заселенность (верхний уровень первоначально заселен больше нижнего). В условиях глубокого насыщения заселенности состояний сравниваются, поэтому становится почти одинаковым число переходов вверх и вниз, и излучение в среде распространяется без усиления. Аналогичная ситуация возникает, если изначально более заселен нижний уровень, а среда поглощает излучение. С увеличением поля эффективно заселяется верхнее состояние и поглощение уменьшается. Можно сказать, что среда просветляется под действием сильного поля. За счет этого в лазерной генерации проявляются некоторые новые эффекты.
Рассмотрим лазерную систему, схематически изображенную на рис. 3.7. Генерация поддерживается усиливающей ячейкой, в которой обеспечивается превышение усиления над суммарными потерями. Источником этих пртерь, в частности, является и внесенная внутрь резонатора поглощающая ячейка. Однако если переходы поглощающих атомов сильно насыщены полем, то дополнительные потери невелики. В то же время для других частот, где поглотитель не просветлен, поглощение велико. Поэтому генерация на соседних модах резонатора подавляется — поглотитель не насыщен, и потери велики. На этом принципе основано использование насыщающегося поглотителя для достижения од- ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЛАЗЕРА
165
РИС. 3.7. Схема лаіера с виутриреюнаторным поглотителем. Генерация поддерживается в усиливающей среде, а поглотитель просветляется при насыщении в ноле большой интенсивности.
номодового режима. Полное исследование конкуренции мод в присутствии поглотителя — очень сложная задача, которую мы не будем подробно разбирать. Детали интересующийся читатель найдет в работах, ссылки на которые приведены в заключительном разделе этой главы. Пространственная структура стоячей волны в резонаторе определяет важность того, где именно помещена дополнительная ячейка. В газовых лазерах плотность частиц активной среды столь мала, что краевыми эффектами можно пренебречь и характеристики излучения определяются всем объемом газа. Но для жидкостных и твердотельных лазеров такое предположение нуждается в тщательной проверке.
Положение лэмбовского провала определяет частоту атомного перехода, а его ширина — однородную ширину линии у (см. рис. 3.6). Хотя эта величина гораздо меньше ки, такого разрешения недостаточно для требуемой сейчас во многих приложениях точной стабилизации лазера. К числу таких приложений относится создание лазерного стандарта частоты. Использование насыщающегося поглотителя позволяет существенно увеличить разрешение, то есть приводит к перестроечной кривой с резким пиком, гораздо более узким, чем зависящая от интенсивности и давления ширина у.
Для качественного понимания возможности такого явления рассмотрим предел малых !інтенсивностей (3.112) для лазера с внесенным в резонатор поглотителем. Для простоты предположим, что IAl < ки, а влияние поглотителя на условие генерации 166
ГЛАВА 1.
учтем, непосредственно обобщив (3.112): 1=ЛГ(1-3/[1 + ?(Д)]
-^abJ1 - КоглП + WA)])- (3-119)
Для того чтобы подчеркнуть именно диссипативный характер добавочного члена, мы определили константу накачки Nnorn со знаком минус. Для величины /погл имеем
/ = L ^2 \ УГ" + Т2П0ГЛ = ы (3.120) погл \2й2тГглТ2ОГЛ / 2Turjl
Параметры 7П0ГЛ относятся к поглощающему газу. Амплитуда поля E одинакова в обеих ячейках. Для того чтобы насыщение было более выражено для поглощения, чем для усиления, выберем между ширинами соотношение Ynorr < у. Тогда параметр введенный в (3.120), будет больше единицы, а ширина лоренциана ?погд(Д) меньше, чем у L(A). Из соотношений (3.119), (3.120) получаем
--^0-"1 . (3.121)
N 1 +ЦД)-М[1 + Lnorji(A)]
где
UN
д/ = ———гл (3.122)
N
Если
» > ^no,Л и N > Nnorji + 1, (3.123)
то интенсивность в (3.121) положительна, т. е. пороговое условие выполнено, и возможна генерация. В знаменателе (3.121) стоят два лоренциана. 1(Д) имеет ширину уп и с ростом А увеличивает I. Но в то же время Lnorn(A) имеет более резкую зависимость от А и характеризуется меньшей шириной у'$гл. Физический смысл обоих факторов одинаков — поглощение (или уси- ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЛАЗЕРА
167
РИС. 3.8. Перестроечная кривая лазера с насыщающимся поглотителем. Если поглотитель сильно насыщен в пределах ширины Ynon1, то в центре лэмбовского провала появляется максимум (обращенный лэмбовский провал).
ление) насыщается, когда обе бегущие волны воздействуют на одну и ту же группу атомов. Когда Д превосходит 7™гл в распределении поглощающих частиц по скоростям появляются два провала, и насыщение уменьшается. Поэтому выходная интенсивность падает с ростом Д. Зависимость выходной мощности от частоты имеет при том узкий пик на частоте ш (обращенный лэмбовский гіровал). Если разность между -упогл и у достаточно велика, то зависимость /(с) может быть немонотонной и включать в себя и обсуждавшийся ранее провал (как на рис. 3.8). Наличие узкого пика с шириной порядка 7^гл используют для стабилизации лазерной частоты.
