Газовый лазер на смеси гелия и неона, страница 2

Зеркаларезонатора представляют собой многослойные покрытия чередующихся слоев сернистогоцинка (ZnS) и фтористого магния (MgF₂) толщиной Л/4, где Л-длина волны операции.При этом число слоев может достигать значений 11-15,что определяет величину отражения ипропускания зеркала. Для указанного числа слоев коэффициент пропускания зеркала достигает 0,5 -0,1%. Чем чище применяемые материалы для изготовления зеркал и чем точнее наносимые четвертьволновые слои, тем выше коэффициент отражения зеркала при меньшем числе слоев. Чередование четвертьволновых слоев приводит к интерференции падающего на многослойное зеркало света, чтообеспечивает высокий коэффициент отражения зеркала на рабочей длине волны. Выходная мощность лазера в зависимости от длины трубки и ее диаметра может достигать значений 0,1 - 100 мВт.

СВОЙСТВА   РЕЗОНАТОРОВ

Резонаторы лазеров различаются по конфигурации зеркал и расстоянию между ними. Так в конфокальном резонаторе R₁ = R₂ = L , вплоском R₁ = R₂ =00, в концентрическом R₁=R₂ = L/2, в полусферическом R₁ = 00, R₂ = L. Здесь R -радиусы кривизны зеркал, L -расстояние между ними.

Резонатор лазера называется устойчивым, если его параметры удовлетворяют неравенству

0<(1 -L/R₁).(l -L/R₂)<1.

Радиусыкривизны зеркал образуют параметры g₁ = 1 - L/ R₁ и g₂ = 1 - L/R₂. Величина, определяемая как N = a₁ a₂/ЛL, называется числом Френеля, где a₁ и a₂ -- радиусы зеркал впоперечном направлении. Число Френеля характеризует дифракционные потери оптического резонатора По смыслу отношение a/L - это угол, под которым одно зеркало видно из центра другого, 2а/Л - число зон Френеля ; укладывающихся на диаметре зеркала. Меньший или больший угол видения определяет число зон Френеля , которые участвуют и формировании лазерного пучка. На рис.2 представлены дифракционные потери мощности излучения лазера в зависимости от числа Френеля. Параметр lgl =0 означает, что резонатор, для которого L = R₁,R₂, т.е. конфокальный резонатор. Из рисунка видно, что с увеличением числа Френеля потери резонатора резко уменьшаются. Параметр lgl = l означает,что R_1,2 = оо, т.е. плоский резонатор, для которого малые дифракционные потери характеризуются большими числами Френеля. Здесь четко проявляется разница между резонатором с плоскими зеркалами и вогнутыми зеркалами. При одинаковых дифракционных потерях резонаторы с вогнутыми зеркалами имеют меньшие числа Френелянежели резонаторы с плоскими зеркалами и как следствие имеют меньшие диаметры разрядных трубок. Если два резонатора имеют одинаковые величины N₁, g₁,g₂, (хотяL и R₁ и R₂ могут быть разными), то такие резонаторы имеют те же самые дифракционные потери, ту же резонансную частоту и одинаковую модовую структуру. Такие резонаторы называются эквивалентными. На рис. З представлены конфигурации полей в лазерныхрезонаторах.

РАСХОДИМОСТЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Лазерномуизлучению присуща расходимость пучка света , которая характеризуется углом расходимости Q т.е. углом отклонения лучей пучка света от оси лазера. Чем меньше этот угол, темменьше круг освечивания, который создается вдали от лазерного излучателя.Предельная расходимость определяется дифракционной расходимостью Рэлея

Q=l,22Л/d, гдеЛ - длина волны излучения лазера, d - диаметр разрядной трубки.

Измерение расходимости лазерного пучка осуществляется в дальней зоне. Условие данной зоны записывается следующим образом: LЛ» D², здесь L-расстояние для которого пятно пучка на экране имеет диаметр D, Л- длина волны лазера. Для дальней зоны можно принять достаточный для практики критерий LЛ приблизительно равно 10D². Практически для измерения расходимости пучка применяются два основных метода, метод фокального пятна и метод двух сечений (двух экранов). В методе фокального пятна значение расходимости пучка определяется из отношения диаметра пятна изображения пучка в фокальной плоскости объектива (пятно в фокусе объектива) к фокусному расстоянию объектива.

В методе двух сечений значение расходимости определяют из отношения разности диаметров в двух сечениях пучка в дальней зоне к расстоянию между выбранными сечениями, т.е. Q = D₂ – D₁/ L₂ – L₁, где D_1,2 - диаметры пучков, L_1,2 -расстояния от лазера до мест выбранных сечении пучка.

Каждый из этих двух методов имеет свои недостатки. Для метода фокального пятна необходимо точно измерять пятно излучения в фокусе объектива на измерительном микроскопе на фотопленке. В методе двух сечений дальняя зона, как правило, лежит вне пределов лаборатории.

В данной лабораторной работе мы будем пользоваться методом двух сечений, одно из которых берется вблизи лазера, другое в некоторой дали от него. Не претендуя на истину, будем определять расходимость лазерного пучка исключительно с целью знакомства с методом.

Модовый состав излучения гелий - неонового лазера

В оптическом резонаторе условием возникновения генерации является существование в нем стоячей волны. При этом на длине резонатора должно укладываться целое число полуволн с узлами на зеркалах. Излучающие атомы неона имеют в разрядной трубке различные скорости движения, поэтому ширина линии излучения имеет доплеровскую форму Аv_д = 2v₀[(2КТ/Mc²(ln2)]^1/2, где v_o - центральная частота перехода, К постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, М - масса атома, ответственного за генерацию, с - скорость света. Для гелий-неонового лазера доплеровская ширина линии неона вставляет величину около 4500 - 1700 МГц.

Каждая группа атомов, имеющая одинаковые скорости, делает свой вклад в частоту излучения в пределах естественной ширины линии неона. Оказывается, что в доплеровском контуре осуществляется генерация на многих частотах излучения, которые отстоят друг от друга на расстоянии собственных резонансов резонатора c/2L, где L - длина резонатора. Усиление линии генерации максимально в центре естественной ширины линии перехода, поэтому происходит сужение спектра излучения по сравнению с естественной шириной.

 На рисунке 4 представлен доплеровский контур лазерного перехода и характерные ширины линий в контуре. Многочисленные линии генерации, которые могут возникать в пределах длины резонатора и доплеровской ширины, называются модами. Моды, которые располагаются строго по оси резонатора, называются основными или продольными. Если разрядная трубка имеет достаточно большой диаметр (более 1 мм) то возможно возникновение поперечных мод. При этом интерференционная картина, возникающая на выходном зеркале резонатора пли на экране за ним, будет иметь сложную мозаичную структуру, как это представлено на рисунке 5. Обозначение ТЕМ (0,0,q) - поперечная электромагнитная волна.