Cтраница 3
Почти все дистанционные лазоры для зондирования окружающей среды состоят из одних и тех же функциональных элементов и работают одинаковым образом. Это схематически показано на рис. 6.3. Интенсивный импульс оптической энергии лазерного излучения направляется через соответствующее оптическое выходное устройство к интересующему нас объекту. Выходное оптическое устройство выполняет три функции: улучшает коллимированне пучка, обеспечивает пространственную фильтрацию и блокирует прохождение какого-либо широкополосного излучения. Часто небольшую долю этого импульса отбирают для получения репера нулевого отсчета времени и опорного сигнала, по которому можно нормировать принимаемый сигнал в случае, если воспроизводимость выходного излучения лазера окажется недостаточно хорошей. [31]
Метод, который позволяет уменьшить временной интервал между импульсами по существу до нуля, подразумевает использование лазера с двойной модуляцией добротности. В этих системах с различных участков рубинового стержня извлекают два гигантских импульса. Система использует две отдельные ячейки Поккельса и двойную апертуру в резонаторе, для того чтобы выбрать раздельные выходные моды ТЕМ00, каждая из них имеет добротность, модулированную собственной ячейкой Поккельса. Такое выходное излучение лазера состоит из двух пучков, разнесенных приблизительно на 6 мм, с разделением по времени по существу от нуля до 1 мс. [32]
При работе с гелий-неоновыми лазерами часто сталкиваются с проблемой, которая заключается в небольшой модуляции звуковыми частотами измеряемой интенсивности выходного светового потока. В системах связи, где требуется постоянная амплитуда сигнала несущей частоты ( особенно при малой глубине модуляции), присутствие неконтролируемой изменяющейся во времени модуляции звуковыми частотами нежелательно. Такого рода помехи можно отнести за счет взаимного влияния на коэффициент усиления спектральных линий, которые одновременно присутствуют в излучении. Если измерять выходное излучение лазера при помощи фотоприемника, усилителя звуковых частот и громкоговорителя, то обнаружим, что звук сильнее всего как раз в тот момент, когда дополнительная спектральная линия достигает порога генерации. Очевидно, что если источник питания лазера отрегулирован недостаточно хорошо, то периодически будет изменяться сила звука и звук даже может включаться и выключаться при пульсациях тока в источнике питания. Этот вид помех существенно связан с микрофонным эффектом, поскольку порог лазерного действия зависит от ориентации зеркал. [33]
Прежде чем продолжить рассмотрение неустойчивых резонаторов, необходимо указать здесь причины, почему эти резонаторы представляют интерес для лазерной техники. Отсюда следует, что при длине резонатора порядка метра и для длин волн видимого диапазона размер пятна будет порядка или меньше 1 мм. При таком небольшом сечении моды выходная мощность ( или энергия) лазерного излучения, которую можно получить в одной поперечной моде, неизбежно оказывается ограниченной. Наоборот, в неустойчивых резонаторах поле не стремится сосредоточиться вблизи оси ( см., например, рис. 4.6), и в режиме одной поперечной моды можно получить большой модовый объем. Однако при работе с неустойчивыми резонаторами возникает другая проблема, связанная с тем, что лучи стремятся покинуть резонатор. Тем не менее данное обстоятельство можно даже обратить в преимущества, если лучи, которые теряются на выходе из резонатора, включить в полезное выходное излучение лазера. [34]
Поскольку испускание быстро сбрасывает заселенность ниже необходимого для генерации порога, на выходе лазера получается последовательность импульсов, отражающая колебания заселенности выше-ниже порогового значения. У лазера с модуляцией добротности в резонаторе создаются условия, предотвращающие нарастание плотности излучения ( например, сдвигом одного из отражающих зеркал или вводом поглощающей среды) до тех пор, пока инверсная заселенность не достигнет существенно большего пикового уровня, чем обычно. Когда затем добротность резонатора восстанавливается, вся накопленная в среде с инверсной заселенностью энергия может высвобождаться в виде гигантского импульса очень короткой длительности порядка нескольких наносекунд. Импульсы еще меньшей длительности могут быть получены с помощью второй методики - синхронизации мод. Излучение в резонаторе лазера образует стоячие волны. Спектральная ширина атомных или молекулярных переходов в лазерной среде обычно существенно больше ширины характерных колебаний резонатора. Поэтому в резонаторе могут установиться наборы продольных и поперечных мод, каждый из которых соответствует целому числу длин волн излучения, кратному длине оптического пути. В многомодовом лазере со свободной генерацией временная зависимость выходного излучения лазера носит нерегулярный характер из-за того, что различные моды имеют случайные фазы и амплитуды. Если заставить лазерные моды осциллировать с одинаковыми амплитудами и / или с синхронизованными фазами, то на выходе лазера получится цуг импульсов, длительность пичков которого лежит в пикосекунд-ном временном диапазоне. [35]
Прежде всего следует констатировать, что нестационарные явления в лазере могут возникать без дополнительного вмешательства. Естественно, однако, что это возможно только после того, как пройдет некоторое время с момента включения излучения накачки, так как при отбрасывании производных не учитываются процессы установления в лазерной среде до достижения некоторого стационарного состояния. Если же в основных уравнениях сохранить производные по времени, то можно показать, что процессы включения в случае одной моды нельзя описать как монотонно протекающие с течением времени. Они носят характер затухающих со временем негармонических колебаний поля излучения и инверсии населенностей, которые в конце концов по истечении некоторого времени стремятся к стационарному состоянию. Эти затухающие колебания называют релаксационными колебаниями лазера в одномодо-вом режиме. При рассмотрении многомодового режима ситуация еще более усложняется. В результате пространственной и временной интерференции мод, нерегулярного срыва и возникновения осцилляции выходное излучение лазера приобретает форму нерегулярных во времени импульсов со стохастически флуктуирующей амплитудой. Существенно, что при этом излучение, вообще говоря, не переходит в стационарный режим и продолжает носить нестационарный характер по истечении длительного времени. [36]