лей (чаще всего призмы с полным внутренним отражением), образующих резонатор. При этом высокую добротность резонатор будет иметь лишь в течение короткого интервала времени, когда отражатели параллельны с высокой степенью точности. При скоростях вращения порядка 20 000- 30000 об/мин, которые легко реализуются на практике, время переключения добротности составляет примерно Ю-7 сек.

Вращающийся втрамате/гь

Активный образец

Выходное зеркало

Рис. 29-29. Управление добротностью резонатора путем вращения одного из отражателей.

Ячейка. Керра

Рис. 29-30. Электрооптический затвор.

Для управления добротностью широкое применение находят различные электро- и магнитооптические затворы, основанные на использовании эффектов Керра, Поккельса, Фараде я. На рис. 29-30 приведена схема, иллюстрирующая принцип действия затвора с ячейкой Керра. Эффект Керра состоит в том, что под действием электрического поли вещество становится в оптическом отношении подобным одноосному кристаллу с оптической осью вдоль направления электрического поля. Поэтому показатели преломления для волны с электрическим вектором, параллельным приложенному полю, и для волны, перпендикулярной поляризации, оказываются различными. Разность хода, приобретенная указанными волнами, пропорциональна квадрату напряженности приложенного поля и длине ячейки. Эффект Керра может проявляться во многих жидкостях и газах, особенно сильно он выражен в нитробензоле. Если, например, длина ячейки с нитробензолом составляет 5 см, то для получения разности фаз я/2 нужно приложить электрическое поле напряженностью 15 000 в/см.

В приведенной на рис. 29-30 схеме поляризационные призмы Ni и N2 (слева) являются скрещенными, т. е. пропускают свет с взаимно перпендикулярной поляризацией. Главные плоскости поляризаторов составляют с направлением приложенного к ячейке

поля угол 45°. Если внешнее электрическое поле отсутствует, то система, образованная двумя поляризаторами и ячейкой Керра, полностью непрозрачна. При наложении поля вещество ячейки становится двоякопре-ломляющиы и свет, выходящий из нее, приобретает эллиптическую поляризацию, так что часть излучения может пройти через оба поляризатора. Если величина приложенного напряжения и длина ячейки выбраны таким образом, что разность хода лучей составляет половину длины волны, то выходящий свет будет иметь линейную поляризацию, перпендикулярную первоначальной, и прозрачность системы будет максимальной.

Поляризационная .

прщзма,

0 пз

Активный, образец

Ячейка, Керра

Рнс. 29-3!. Оптический квантовый генератор с ячейкой Керра.

Обычно используется более простая конструкция электрооптического затвора с одним поляризатором (рис. 29-31). При этом параметры ячейки выбираются такими, чтобы сдвиг фаз составлял я при двукратном прохождении. Тогда затвор будет открыт при отсутствии поля и закрыт при наложении его. При использовании в качестве активной среды рубиновых стержней, генерирующих линейно поляризованное излучение, поляризатор в схеме на рис. 29-31 может быть исключен.

Достоинством электрооптических затворов с ячейкой Керра является малое время переключения, которое может составлять единицы наносекунд. Однако этот способ модуляции добротности обладает и недостатками: требуется очень высокое рабочее напряжение и крутой фронт нарастания импульса, настройка всего устройства затруднительна.

Среди различных способов управления добротностью оптического резонатора особый интерес представляет использование так называемых пассивных затворов, прозрачность которых меняется под действием светового излучения. Применение этих затворов значительно упрощает конструкцию генератора, поскольку отпадает необходимость в использовании управляющих и синхронизирующих систем, и позволяет получить параметры выходного импульса, близкие к предельным, т. е. соответствующие случаю мгновенного включения добротности. К достоинству пассивных затворов относится также то, что они осуществляют необходимую селекцию тппов колебаний, что приводит к сужению спектра излучения.

в себе достоинства отдельных типов ОКГ. Сравнительные данные различных типов ОКГ приведены в табл. 29-1, а основные технические данные серийно выпускаемых или лабораторных образцов ОКГ приведены в таб 29-2

Благодаря использованию разнообразных методов возбуждения и видов переходов удалось разработать большое количество видов лазеров. В настоящее время получена генерация в диапазоне длин волн от 0,23 до 538 мкм, т. е. от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного участков спектра [Л. 30].

Одной - из важнейших задач лазерной техники является расширение набора частот, перекрываемых генераторами когерентных колебаний. Определенные успехи в расширении диапазона когерентных оптических колебаний были достигнуты средствами нелинейной оптики, занимающейся исследованием нелинейных эффектов, возникающих при воздействии мощных оптических излучений на вещество. Таким путем была получена генерация гармоник и изучены разного рода комбинационные явления, приводящие к преобразованию частоты. Для многих применений ОКГ чрезвычайно важно иметь возможность плавно перестраивать частоту излучения. Такая возможность открывается при использовании параметрических генераторов света.

Принцип действия параметрических генераторов основан на явлении параметрического взаимодействия световых волн в оптически прозрачной нелинейной среде. Так, энергия мощной световой волны (накачка) с частотой (Он может передаваться слабым колебаниям на частотах щ и а>2, удовлетворяющих соотношению ыв=а>1+а>2-

Таким образом, среда, обладающая определенными свойствами, является усилителем волн на частотах wi и шг. Если на пути этих волн поставить зеркала таким образом, чтобы соответствующие оптические резонаторы резонировали на частотах (Oi и и>2.

Таблица 29-1

В качестве веществ для пассивных затворов используются, например, жидкие растворы крипто- и фталоцнанина, различные типы стекол.

Принцип действия пассивных затворов можно пояснить следующим образом. Введение в резонатор пассивной ячейки, обладающей резонансными потерями, приводит к увеличению порогового уровня накачки, в результате чего к моменту начала генерации на метастабильном уровне накапливается значительное число активных атомов. При возникновении генерации лазерное излучение, проходящее через ячейку, резко уменьшает ее потери, и запасенная энергия излучается в виде мощного импульса. Рубиновые лазеры с жидкостными затворами генерируют импульсы излучения длительностью порядка Ю-8 сек с энергией до нескольких джоулей. Все типы генераторов с управляемой добротностью имеют меньшую энергию в импульсе и более низкий к. п. д. (0,1-0,3%), нежели генераторы в режиме свободной генерации. Это объясняется тем, что при закрытом затворе активные атомы накапливаются в метастабильном состоянии. При этом поглощение энергии накачки в кристалле резко уменьшается и значительная ее часть рассеивается вне рабочего элемента; кроме того, неоднородности-рубино-вого кристалла при больших пиковых мощностях в большей степени поглощают и рассеивают возникающее излучение.

Сопоставление различных типов ОКГ

Каждый нз рассмотренных выше типов ОКГ обладает специфическими свойствами и показателями, по которым он резко отличается от других типов квантовых генераторов. Газовые ОКГ являются лучшими по монохроматичности и когерентности излучения, твердотельные - по энергии и импульсной мощности, полупроводниковые - по к. п. д. В настоящее время трудно ожидать, что будет создан генератор, соединяющий

Таблица 29-2

то в среде возможно самовозбуждение колебаний на этих частотах. Чрезвычайно важным здесь является то обстоятельство, что прн фиксированной частоте накачки частоты а>1 и <о2 могут быть любыми. Таким образом, использование параметрических взаимодействий позволяет в принципе преобразовать когерентные колебания на фиксированной частоте (например, лазера на рубине или на стекле, активированном неодимом, и др.) в когерентные же колебания с перестраиваемой частотой.

В качестве среды для параметрических генераторов используются кристаллы ди-гидрофосфата калия (КН2РО4) и нйобата лития (LiNb03). Перестройка генерируемых частот производится вращением кристалла, наложением статического электрического поля, изменением температуры. Следует отметить, что в сильном поле накачки взаимодействовать могут не только световые волны, но и световые волны с акустическими волнами, световые волны со спиновыми волнами и т. п.

Для достижения порога параметрического возбуждения необходим поток мощности в несколько мегаватт на квадратный сантиметр, что легко достижимо в современной лазерной технике. Коэффициент полезного действия параметрических генераторов составляет примерно 0,1%.

Оптические резонаторы

Для того чтобы активное вещество давало высоконаправленное излучение, его помещают в оптический резонатор, который представляет в простейшем случае полость, ограниченную двумя плоскими параллельными зеркалами (интерферометр Фабри-Перо). Идея использования такого резонатора в оптических квантовых генераторах была впервые высказана А. М. Прохоровым.

Оптический резонатор может быть образован также зеркальными покрытиями, нанесенными на торцовые параллельные грани стержня активного вещества.

Основная особенность оптических резонаторов заключается в том, что размеры их значительно больше длины волны, в результате чего происходит одновременное возбуждение большого числа собственных колебаний резонатора, что существенно ухудшает выходные параметры оптических генераторов (монохроматичность, мощность излучения и др.).

Собственные типы колеба-н и й, называемые также модами, могут быть получены в результате решения граничной электродинамической задачи. Приближенно возможные типы собственных колебаний могут быть рассмотрены по аналогии