стотный режим, т. е. осуществить возбуждение лишь одного продольного типа колебаний.

Подавление нежелательных типов поперечных колебаний достигается созданием в оптическом резонаторе условий, при которых дифракционные потери для колебаний высших порядков становятся больше, чем для колебаний основного типа ТЕМоо9.

Это можно осуществить либо подбором специальной конфигурации резонатора, либо введением в резонатор оптических элементов (линз, диафрагм). Первый способ реализуется в резонаторе, образованном плоским и сферическим зеркалами. Расчет и эксперименты показывают, что при расстояниях L между зеркалами, значительно меньших радиуса кривизны R сферического зеркала, добротность резонатора для всех типов колебаний примерно одинакова. Однако с увеличением длины резонатора дифракционные потери быстро растут, а добротность для разных типов колебаний уменьшается в различной степени. При длине резонатора L = ~R добротность для основного типа колебаний ТЕМ0о9 становится значительно выше, чем для колебаний более высоких порядков, что позволяет осуществить эффективную селекцию типов колебаний.

Другой метод подавления высших типов колебаний основан на введении внутрь резонатора специальной диафрагмы. Распределение поля в плоскости поперечного сечения резонатора таково, что основной тип ТЕМоо? концентрируется вблизи оси резонатора, а поля других типов ТЕМц< ТЕМ2ов, TEMioe и т. д. простираются от оси тем дальше, чем более высоким порядкам они соответствуют. Поэтому введение в резонатор диафрагмы с отверстием, расположенным вблизи оси резонатора, будет увеличивать потери высших типов колебаний. Подбором размера отверстия диафрагмы можно добиться подавления всех типов колебаний, кроме основного. Однако при этом и для низшего типа колебаний вносятся значительные потери, что приводит к уменьшению выходной мощности генератора.

Способ селекции при помощи диафрагмы может быть улучшен введением в резонатор системы из двух линз. Диафрагма располагается между линзами в их фокальной плоскости (рис. 29-35). Размер диафрагмы выбирается равным величине фокального пятна линзы при падении на нее пучка лучей с дифракционной расходимостью, определяемой диаметром активного образца. В ОКГ с такой селекцией достигается увеличение мощности колебаний основного типа за счет перераспределения мощности прн подавлении колебаний высших типов.

Возможен также метод селекции поперечных типов колебаний, в котором коэффициент отражения различных участков резонатора подбирается в соответствии с конфигурацией поля требуемого типа колебаний.

Заметим, что одномодовый (или одио-гиповый) режим генерации, при котором возбуждается один низший тип поперечных

колебаний, позволяет получить в дальней зоне предельно узкую диаграмму излучения, ширина которой соответствует дифракционному пределу (8 - Я/Д рад).

Собственные частоты оптического резонатора, соответствующие различным продольным типам колебаний, образуют спектр из эквидистантных линий, отстоящих друг от друга на расстоянии c/2L. Количество

Рис. 29-35. Селекция типов колебаний с помощью двух линз и диафрагмы.

7 г з

Рис. 29-36. Система связанных резонаторов из трех зеркал.

возбуждающихся в ОКГ продольных типов колебаний определяется шириной линии люминесценции активного вещества и длиной резонатора. Укорачивая резонатор, можно уменьшить число генерируемых типов колебаний. Однако при этом приходится уменьшить длину активного образца, что приводит к уменьшению мощности излучения.

Один из наиболее эффективных методов селекции продольных типов колебаний основан на использовании системы связанных резонаторов. Подбором длин резонаторов и коэффициента связи между ними можно добиться селективного возбуждения одного продольного типа колебаний, подавив или существенно ослабив все остальные. Простейшим примером подобного селектора является система из трех зеркал (рис. 29-36), в которой достигается наибольшее усиление колебаний с частотами, соответствующими совпадающим собственным частотам обоих резонаторов. При подборе расстояний между зеркалами с точностью до долей волны и соответствующем выборе коэффициентов отражения зеркал в гелий-неоновом ОКГ удается реализовать практически одночастот-иый режим работы.

Иногда для селекции типа колебаний в резонатор вводят наклонные прозрачные плоскопараллельные пластины с нанесенными на них частично отражающими покрытиями. Такие пластины представляют собой резонаторы, у которых собственные частоты продольных колебаний разделены значительно большими интервалами, чем у основного резонатора. Поэтому из всех продольных типов колебаний, возможных в резона-

горе, пластины пропускают лишь те типы колебаний, частоты которых совпадают с ix собственными частотами, т. е. такие системы являются фильтрами. Пластины располагаются под некоторыми углами к оси резонатора в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 29-37). При этом одновременно осуществляется подавление также и поперечных типов колебаний, частоты которых не удовлетворяют условиям прохождения их через фильтр. Экспериментальное исследование селекции колебаний в подобной системе в резонаторе рубинового генератора дает следующие результаты [Л 2] Пластины толщиной от 3 до 29 мм располагались под углами примерно 2° к оси резонатора. Коэффициент отражения нанесенных на них зеркальных покрытий составлял 70- 90%. При этом из 160 типов продольных колебаний, лежащих в полосе люминесценции рубина шириной 330 Ггц, удалось выделить четыре частоты, отстоящие друг от друга на 319 Мгц. При этом угол расходимости излучения был уменьшен до дифракционной величины в 1,5-Ю-4 рад (~30 ).

29-7. МОДУЛЯЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ОКГ

Возможность использования принципиальных преимуществ оптического диапазона во многом зависит от создания достаточно эффективных и сравнительно несложных устройств для модуляции излучения ОКГ. Для видимого и ближнего инфракрасного участков оптического диапазона (частота 1014-8 1014 гц) принципиально возможны полосы частот модуляций с верхним пределом 10 -1012 гц. Основными требованиями, предъявляемыми к модуляторам ОКГ, являются широкополосность, линейность модуляционной характеристики, . большой динамический диапазон и экономичность.

В зависимости от параметра колебаний, подвергаемого изменению, при модуляции различают амплитудную, частотную, фазовую и поляризационную модуляции. Наиболее широкое применение из-за относительной простоты реализации находит ампли-i тудная модуляция.

Модулирующие устройства оптического диапазона делятся на два класса: внешние

и внутренние (соответственно называют и модуляцию внешней н внутренней).

Внешняя модуляция связана с модуляцией уже сформированного луча, покинувшего источник излучения: внутренняя - с непосредственным воздействием на источник излучения, т. е., по существу, является управлением процессов генерирования ОКГ.

При внешней модуляции луч лазера перед выходом в свободное пространство пропускается через специальную среду (твердую, жидкую или газообразную), параметры которой изменяются под действием модулирующего сигнала. Модуляция может быть осуществлена, если изменяется хотя бы один из следующих параметров среды: длина пути луча в среде i, коэффициент поглощения л и коэффициент преломления среды п.

Существует ряд физических эффектов, которые позволяют управлять величиной коэффициента преломления среды. Наибольшее значение среди них имеют электрооптические эффекты, связанные с зависимостью коэффициентов преломления от напряженности приложенного к среде электрического поля Е. Различают линейный электроопти-ческнй эффект, известный под названием эффекта Поккельса, когда коэффициент преломления линейно зависит от £. и квадратичный электрооптический эффект или эффект Керра.

Для изменения коэффициента преломления можно использовать также магнитооптический эффект Фарадея - зависимость п от напряженности магнитного поля Н.

Искусственно вызываемые упругие напряжения также могут быть использованы для изменения показателя преломления. Создание в среде контролируемых упругих напряжений можно осуществить с помощью ультразвукового поля или пьезоэффекта. Помимо перечисленных эффектов, к изменению показателя преломления могут привести температурные колебания н изменения давления газовой среды. Однако эти явления практически не используются из-за большой инерционности.

Управление параметрами i и п приводит также к фазовой модуляции излучения, а параметром у.--к чисто амплитудной.

Последняя возможность широко используется в полупроводниковых модуляторах. Наибольшее распространение в настоящее время получили электрооптические модуляторы. Переход от фазовой модуляции, непосредственно получаемой в таких модуляторах, к амплитудной илн частотной осуществляется с помощью пассивного преобразователя, в качестве которого можно использовать двухлучевой или многолучевой дифракционный и интерференционный оптический прибор.

Помимо упомянутых методов модуляции, можно также использовать эффекты, связанные с расщеплением спектральных линий под действием магнитного и электрического полей (эффекты Зеемана и Штар-ка). Однако при этом требуются слишком большие управляющие напряжения.

Внутренняя модуляция в лазерах связа-. на с воздействием модулирующего сигнала на процесс генерации. При этом воздействие осуществляется либо на накачку, либо на параметры оптического резонатора лазера - его оптическую длину, добротность или величину обратной связи. Любой фазовый модулятор, помещенный в резонатор лазера, способен управлять оптическими размерами резонатора, любой амплитудный модулятор - добротностью.

Для внутренней амплитудной модуляции в настоящее время чаще всего используются следующие способы: модуляция лазера по накачке, модуляция добротности резонатора лазера, модуляция с использованием эффектов Керра и Поккельса. Весьма перспективной является модуляция полупроводниковых лазеров по току пи- . тания.

В газовых ОКГ, работающих на смеси гелий - неон, модуляция по накачке может производиться путем изменения амплитуды радиочастотного поля, возбуждающего разряд в газовой смеси. При изменении мощности накачки от пороговых до оптимальных значений осуществляется модуляция интенсивности оптического излучения. Опыт показал, что неискаженная модуляция наблюдается только в тех случаях, когда модулируется небольшая часть мощности генератора накачки (примерно от 10 до 20 вт).

Иногда внутренняя модуляция сопровождается нежелательными явлениями. Так, при изменения мощности накачки полупроводниковых диодных лазеров меняется и ширина спектральной линии. Например, при температуре диода 77° К ширина спек-

тральной линии меняется от 175 А (при то-

ке 150 ма) до 30 А (при токе 190 ми).

Наиболее перспективным в настоящее время считается модулятор, в основе работы которого лежит использование эффекта Поккельса.

В ячейках Поккельса чаще всего применяют следующие кристаллы: дигидрофос-фат калия KHsP04 (сокращенно КДР) н дигидрофосфат аммония NH4H2PO4 (сокращенно АДР), причем наиболее перспектив-

ными считают кристаллы КДР. На рис. 29-38 представлен модулятор, использующий эффект Поккельса.

Луч лазера падает нормально к поверхности поляризатора. Световой луч, входящий в кристалл КДР после поляризатора, плоско поляризован. При наложении в определенном направлении на кристалл электрического поля луч на выходе кристалла приобретает эллиптическую поляризацию.

Рис. 29-38. Схема модулятора, использующего эффект Поккельса.

/ - модулирующий сигнал; 2 - коаксиальный кабель; 3 - воздух; 4-пьезоэлектрический кристалл; 5 - световой луч до модуляции; 6 - световой луч после модуляции; 7 - анализатор; 8 - поляризатор; В - резонатор.

Оси эллипса изменяются в соответствии с изменением напряжения модуляции. При этом вектор поляризации прошедшего через кристалл света поворачивается. После кристалла поляризованный луч света попадает на анализатор. В зависимости от ориентации вектора поляризации та или иная часть света пройдет через анализатор. При вращении вектора поляризации, зависящем от модулирующего напряжения, возникает амплитудная модуляция излучения ОКГ. В качестве поляризаторов и анализаторов могут быть использованы обычные поляроиды, призмы Николя и другие элементы. Для большей эффективности модуляции кристалл КДР или АДР размещается в объемном резонаторе. Кристалл КДР является прозрачным в диапазоне 4 000-13 000 А, что и определяет значения световых модулируемых частот. Возможный электрооптический эффект согласно теоретическим исследованиям ограничивается частотой модуляции ~6 000 ГгЩ. Поэтому имеется возможность повысить значения модулирующих частот по сравнению с применяемым в настоящее время диапазоном 10 Г гц. Однако следует иметь в виду, что с повышением частоты модуляции эффективность модуляции падает из-за разогрева кристалла СВЧ полем. Приведем примерные параметры исследованных модуляторов. На кристалле АДР: при резонансной частоте объемного резонатора (т. е. поднесущей частоте) 850 Мгц получены полоса частот модуляции 2 Мгц, коэффициент модуляции 30%, входная мощ-