Основная мода лазерного излучения tem00 предпочтительна во многих приложениях так как
Нет.
Основа лазера - это резонатор. И его размеры жёстко связана с длиной волны излучения. В частности, длина резонатора должна быть кратна половине длины излучения.
Излучение основной моды - это когда луч света, прежде чем выбраться за пределы резонатора и, собсно, стать выходным излучением, пробегает по этому резонатору точно по его оси (или точно параллельно оси) и на этом бегании туда-обратно собирает дополнительные фотоны за счёт того самого -se- (стимулированной излучением эмиссии) .
Но условие, что "на длине хода должно укладываться целое число длин волн", может выполняться не только при строго параллельном оси распространении света, но и при косом. Не штука сосчитать котангенс угла (причём таких углов может быть много, а их значения дискретны - то есть их можно перенумеровать) , при котором именно при НАКЛОННОМ относительно оси резонатора распространении тоже будет укладываться целое число длин волн. Правда, при этом и предельная длина, которую такой луч сможет пройти по резонатору до того, как упрётся в боковую стенку, будет конечной (в отличие от излучения основной моды, параллельной оси) . И если энергия накачки достаточно велика, то даже на такой конечной дистанции этот косой луч всё равно может набрать достаточно энергии. И вот он-то и называется дополнительной модой. Причём очевидно, что этих мод может быть несколько (в зависимости от того, на сколько отклоняется излучение соответствующей моды от оси резонатора) , и что их тем больше, и интенсивность их тоже тем больше, чем сильнее накачка.
Так что моды лазера отличаются не частотой, а углом, под которым они из него выходят. Ну а одномодовый лазер - это такой, у которого излучение на дополнительных модах задавлено. Полезен для сверхдальней оптоволоконной связи.
Мода - пределённая частота, если я не ошибаюсь.
Что-то вроде гармоники.
Магистр Брома Мудрец (12836) Значит, ошибаюсь. По-моему, это как со струнами - сколько длин волн укладывается. Одна струна, несколько частот. Нет?
Мода лазерного резонатора – это стоячая электромагнитная волна. В оптическом диапазоне на длине резонатора L должна быть кратна половине длинны волны излучения λ, N*λ/2=L.
Разность частот между соседними модами Δ ν=c/(2*L). При длине резонатора 0,5 м разность частот между модами где-то 300 МГц.
Отсюда следует простой вывод. Для построения одночастотного (одномодового) лазера нужно использовать активную среду с узкой полосой усиления, т. е. возбуждать атомные переходы. Из-за эффекта Доплера любая атомная линия уширяется, то нужно использовать короткие резонаторы, так чтобы Δ ν > ν(доплера) .
Как известно, характеристики пучка лазерного излучения в основном определяются формой резонатора, в котором лазерное излучение усиливается до необходимой мощности. Профиль пучка определяется формой отражающих поверхностей (на рис. 1 представлены самые распространенные), расположенных в резонаторе зеркал из диэлектрического или монокристаллического вещества.
Работа лазерного резонатора построена на явлении полного внутреннего отражения (ПВО), когда преломленный пучок при падении на отражающую поверхность среды отсутствует.
- Плоскопараллельный резонатор представляет собой замкнутую, чаще всего цилиндрическую полость, на противоположных торцах которой расположены плоские зеркала. Расстояние между зеркалами в таком резонаторе равно целому числу полуволн генерации.
- В концентрическом резонаторе расположены два сферических зеркала одинакового радиуса кривизны, центры которых лежат на одной оси, а расстояние равно удвоенному радиусу.
- В конфокальном резонаторе также содержатся два идентичных сферических зеркала, разнесенных на величину удвоенного фокусного расстояния.
- Кольцевой резонатор – оптический резонатор, в котором свет распространяется в одном направлении. Зеркала расположены так, чтобы оптический путь пучка равнялся целому числу шестых долей длины волны генерации.
Рисунок 1. Четыре распространенных типа оптических резонаторов, применяемых в лазерах: n – целое число, λ – длина волны генерации, R – радиус кривизны сферического зеркала, f – фокусное расстояние сферического зеркала
Резонатор стабилизирован, если все излучение, усиливающееся за счет ПВО (при условии, что количество отражений велико) внутри активной среды, остается внутри полости (см. рис. 2). В этом случае не происходит утечки мощности, то есть все излучение достигает единственного выхода из резонатора - частично отражающего зеркала.
Когда резонатор не стабилизирован, лучи при множественном отражении отклоняются на некоторый угол, пока не достигают выхода из резонатора. Если лазерный резонатор не стабилизирован, диаметр пучка излучаемого света будет расти по мере усиления.
Нестабилизированные резонаторы применяют в лазерах, где излучение характеризуется достаточно высокой мощностью. Утечка мощности нужна, чтобы предохранить зеркала от повреждений.
Стабилизированные резонаторы часто используются в лазерах, мощность излучения которых не превышает 2 кВт. За счет стабилизации повышается эффективность накачки и снижается погрешность направленности излучения.
Рисунок 2. Ход излучения в стабилизированном (слева) и нестабилизированном резонаторе (справа): в стабилизированном отсутствуют утечки излучения, в нестабилизированном излучение по мере усиления покидает полость
Длина пути излучения в резонаторе определяет «продольные моды» резонатора или пространственное распределение электрического поля, которое вызывает стоячую волну. Моды (типы колебаний) придают пучку форму.
Колебания сохраняют профиль амплитуды и воспроизводят сами себя после завершения одного пути замкнутого контура внутри резонатора (за исключением возможной утечки некоторого количества мощности из-за потерь в резонаторе).
Для возникновения резонансной моды необходим фазовый сдвиг, равный целому числу оборотов (циклов) замкнутого контура (рис. 3).
Рисунок 3. Фазовый сдвиг излучения после прохождения полного цикла в оптическом резонаторе (пропорционален числу оборотов)
Простейший тип поперечных колебаний лазерного резонатора – гауссова мода (TEM nm) – описывается с помощью аппроксимации электрической компоненты поля произведением функции Гаусса на полином Эрмита:
где E0 – амплитуда электрической компоненты излучения, о си x, y составляют плоскость среза пучка, о сь z – направление распространения излучения, w0 – радиус перетяжки пучка, w(z) – радиус пучка в данной точке распространения, Hn (x) и Hm (x) – полиномы Эрмита с неотрицательными целочисленными индексами n и m, k – волновое число (k = 2π/λ), zR – рэлеевский диапазон, R(z) – радиус кривизны волнового фронта.
Целые числа – индексы полиномов Эрмита – n и m определяют профиль пучка в направлениях осей x и y соответственно. Идеальная Гауссова мода обозначается как TEM00, в этом случае оба индекса полинома Эрмита равны нулю (см. рис. 4). Остальные значения индексов полинома Эрмита соответствуют более сложным типам колебаний. На рисунке 5 показан поперечный срез пучка излучения, соответствующего Гауссовым колебаниям нижнего порядка, а также некоторые поперечные моды высших порядков.
Рисунок 4. Поперечная мода TEM00 (Гауссова мода) и соответствующий ей Гауссов пучок
Рисунок 5. Поперечные срезы пучка, соответствующего резонаторной моде Эрмита-Гаусса нижнего порядка
© Edmund Optics Inc.
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ
Мода лазерного резонатора – это стоячая электромагнитная волна.
Основа лазера - это резонатор. И его размеры жёстко связаны с длиной волны излучения. В частности, длина резонатора должна быть кратна половине длины излучения.
Излучение основной моды - это процесс, когда луч света, прежде чем выбраться за пределы резонатора и стать выходным излучением, пробегает точно по оси резонатора (или точно параллельно оси) и при отражении от прозрачного и полупрозрачного зеркал набирает силу для прохождения полупрозрачного зеркала и выхода из трубки.
Все стеклянные лазерные трубки CO2 являются многомодовыми, от качества внутренней юстировки оптического тракта трубки, производимой на заводе-изготовителе, в целом зависит качество выдаваемого трубкой луча, наилучшим результатом указанной юстировки является пятно формы ТЕМ00, данная форма луча позволяет генерировать сфокусированный лазерный луч заявленной мощности и плотности в пятно малых размеров, которое позволит как качественно резать материалы, так и гравировать с ожидаемым результатом.
Помимо сфокусированной центральной моды, выходящей из трубки, существуют и другие моды, которые не попадают по направлению в центральную моду и соответственно остаются внутри контура трубки, в связи с этим и считается, что все стеклянные трубки многомодовы.
Относительно качества изготовления лазерной трубки при использовании указанных трубок в лазерных станках считается общепринятым стандартом нормальной формы луча трубки для соответствующей работы станка - форма ТЕМ00.
Остальные формы моды не позволяют трубке работать на заявленной производителем мощности и выполнять поставленные задачи резки и гравировки материалов. Чаще измененная форма моды, отличающаяся от ТЕМ00 не позволяет прорезать материалы на ту глубину, резку которой обеспечит трубка с соответствующей центральной модой. При гравировке пропадает точность за счет отсутствия сфокусированного тонкого луча на выходе из сопла, при этом гравировка может двоиться, а также расплываться.
Моды бывают различной формы (TEM):
Моду лазера можно различить по тому, под какими углами выходят лучи через полупрозрачное зеркало из лазерной трубки. Чаще всего встречающиеся виды многомодовости:
Мы убедились, что резонатор лазера существенно влияет на выходную мощность излучения, а также на его спектральные характеристики. В действительности влияние резонатора на свойства лазерного излучения является еще более значительным и принципиальным. Резонатор формирует определенные состояния поля излучения; их называют модами (типами колебаний) резонатора.
Отдельная мода обозначается так:
где m, n – поперечные индексы моды, a q – продольный индекс; это то самое число q, которое фигурирует в соотношениях (7.31) и (7.32).
Каждая мода характеризуется определенной пространственной структурой поля – определенным распределением амплитуды и фазы поля в перпендикулярной к оси резонатора плоскости, в частности, на поверхности зеркал резонатора. Специфику этой структуры фиксируют поперечные индексы моды m и n.
Конкретному сочетанию индексов m и п соответствует ряд мод с разными значениями индекса q; это продольные моды (их называют также аксиальными модами). В спектре генерации каждой из них отвечает своя спектральная линия резонатора. Например, на рис. 7.14 представлены семь продольных мод; мода, соответствующая частоте , есть центральная продольная мода.
Совокупность продольных мод с данным сочетанием индексов m и n объединяют под названием поперечной моды. Поперечная мода обозначается как
Каждый тип поперечной моды имеет определенную структуру светового пятна на зеркале резонатора. На рис. 7.15 показана структура наблюдаемого на круглом зеркале светового пятна для нескольких наиболее простых (низших) поперечных мод. Видно, что чем меньше значения поперечных индексов, тем сильнее сконцентрировано поле моды вблизи центра зеркала.
Поперечную моду ТЕМ00 называют основной модой. Для, нее характерна наиболее простая структура светового пятна.
Наблюдаемая в реальных условиях структура светового пятна часто представляет собой суперпозицию нескольких поперечных мод (многомодовый режим генерации). Спектр генерируемого излучения содержит обычно несколько спектральных линий (многочастотный режим генерации).
Остановимся на особенностях волн, распространяющихся в устойчивых ООР. Будем исходить из того, что световая электромагнитная волна - строго поперечная: , где - волновой вектор, и обозначается как ТЕМmnq (ТЕМ-аббревиатура «Transverse Electro-Magnetic»).
Индекс “q” обозначает число вариаций поля в продольном направлении (по оси резонатора-для “плоской” волны), а индексы “m” и “n” - в поперечном направлении.
Совокупность волн с одними и теми же “m” и “n”, но различными “q”, образует поперечную моду ТЕМmn, например, ТЕМ00, ТЕМ11 ТЕМ12 и др. Поперечная мода ТЕМ00 называется низшей или основной модой, дифракционные потери для неё минимальны, т.к. распределение поля в ней по радиусу-гауссово и выглядит как пятно, расположенное на оси резонатора (см., рис. 3). Для этой моды возможна фокусировка луча в пятно минимального размера (порядка л).
Рис. 3. Эпюры поля на зеркале резонатора для продольной основной моды ТЕМ00 и различных поперечных мод высших порядков - ТЕМmn
Мода ТЕМmnq называется “q-ой” продольной модой поперечной моды ТЕМmn. Таким образом, например, основная поперечная мода представляет собой совокупность продольных мод: …ТЕМ00q-1, ТЕМ00q, ТЕМ00q+1, ТЕМ00q+2 и др., и частотный интервал между ними (“межмодовый” интервал) выражается формулой (3).
В реальных условиях структура светового поля представляет собой суперпозицию нескольких поперечных мод. Интерференция волн на зеркалах приводит для каждой моды к специфическому распределению поля, имеющего m и n вариаций по x- и y-координатам (прямоугольные зеркала) или по радиусу и азимуту (круглые зеркала) (рис. 3). Частотный интервал между ближайшими модами ТЕМmnq и ТЕМm+1nq, например, при m=n=0: ТЕМ00q и ТЕМ10q можно найти из формулы, которую нетрудно получить в т.наз.”приближении СВЧ-объёмного резонатора”:
Пространство между двумя отражателями можно полностью или частично заполнить активной средой. ООР, внутрь которого помещена активная среда с инверсией населенностей, из “пассивного” превращается в “активный”, обеспечивает положительную обратную связь, и вместе с устройством накачки активной среды представляет собой оптический квантовый генератор (лазер). Расстояние между отражающими поверхностями резонатора L определяется размерами применяемой активной среды и колеблется от долей миллиметра (у полупроводниковых лазеров) до нескольких метров у мощных газовых лазеров.
Динамика развития генерации лазера следующая (рис.4). Начало процессу генерации даёт спонтанное испускание фотона одной из частиц на лазерном переходе в направлении, совпадающем с осью ООР. На диаграмме интенсивности лучей (рис. 4) величина такого излучения обозначена как I0'. Этот сигнал, пройдя слева направо через активную среду длиной L, усиливается до величины I1'', далее частично выходит через правое зеркало и отражается в обратном направлении (интенсивность I1''R), далее пройдя через среду опять усиливается (до I1'), отражается от левого зеркала и так далее-до насыщения, когда увеличение интенсивности луча за два прохода через активную среду равно мощности излучения, покидающего резонатор через зеркало 2 (условие самовозбуждения).
Рис. 4. Схема (а), динамика развития генерации и условие самовозбуждения (б) в активном ООР (лазере). I''(1-R)=Iвых - интенсивность выходного излучения лазера при насыщении; R1=1 и R2=R-коэффициенты отражения зеркал ООР
Параметры активного ООР (конфигурация резонатора, распределение коэффициента усиления и показателя преломления по радиусу среды и др.) определяют частотно-пространственные параметры генерируемого излучения, такие как распределение амплитуды и фазы в поперечном сечении, угловую расходимость излучения, выходящего из резонатора, общую генерируемую мощность (энергию), частотный спектр и состояние поляризации.
В активном ООР генерируются только те моды пассивного резонатора, которые находятся в частотном интервале, задаваемом активной средой (рис. 5), и для которых значение ненасыщенного коэффициента усиления будет превышать потери резонатора б0(н)>в. Очевидно, что чем ниже уровень потерь в относительно б0(н), тем выше интенсивность генерации на данной моде. Ширина каждого резонанса пассивного резонатора определяется его добротностью (5), а активного ООР - добротностью генератора в целом. Очевидно, что наилучшим образом достоинства лазера как источника с наивысшей монохроматичностью излучения будут проявляться при генерации на одной продольной моде ТЕМ00q основной поперечной моды ТЕМ00. Выделить моду (00q) из спектра многомодовой генерации при неоднородно уширенной линии можно методами внутрирезонаторного управления спектральными характеристиками излучения, а именно-методами селекции мод, которые будут рассмотрены ниже.
Таким образом, ЛАЗЕР - это источник когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона, использующий для усиления и генерации света явление индуцированного (вынужденного) излучения атомов, ионов или молекул, составляющих активную среду, помещённую в ООР. Лазер содержит три основных компонента: активную среду, в которой создают инверсию населённостей для какой-либо одной или нескольких пар уровней; устройство накачки для создания и поддержания инверсии в активной среде и открытый оптический резонатор - устройство для формирования частотно-пространственных характеристик генерируемого излучения и осуществления положительной обратной связи.
Рис.5. Процесс формирования частотного спектра излучения лазера с неоднородно уширенным контуром усиления при различном соотношении усиления и потерь: а-контур усиления, б-спектр собственных частот пассивного резонатора (мода ТЕМ00), в-ненасыщенный коэффициент усиления б0 меньше уровня потерь в; г и д- б0>в, заштрихованы моды активного резонатора (лазера)
Рис.6. Процесс насыщения контура усиления перехода при различных интенсивностях излучения в резонаторе: а - при однородном уширении контура, б - при неоднородном уширении за один проход, в - провалы Беннета в неоднородно уширенном контуре усиления в активном многопроходном резонаторе, симметричные относительно центральной частоты н0
5.1. Однородное уширение. Поскольку при однородном уширении все частицы ансамбля вносят одинаковый вклад в формирование всего лоренцевого контура усиления, очевидно, что и каждая частица будет участвовать в насыщении его во всем частотном диапазоне б0(н). При этом будет генерироваться одна мода, для которой значение б0(н)-в> будет максимальным. “Проседание” кривой усиления при этом происходит во всей полосе частот (рис. 6,а)
При взаимодействии с волной, частицы активной среды при индуцированных переходах излучают энергию, получаемую ими от источника накачки. Далее, будет показано, что мощность, излучаемая средой и “подпитывающая” волну при её движении в одном направлении, пропорциональна площади провала, который она “выжигает”, а за два прохода-пропорциональна сумме площадей провалов, т.е. двойной площади одного провала.
До сих пор речь шла об устойчивом резонаторе. Неустойчивые резонаторы несмотря на неустойчивую модовую структуру поля стоячей волны имеют привлекательные особенности и также применяются в квантовых приборах. Световое поле неустойчивого резонатора и резонатора, работающего «на границе устойчивости», не стремится сосредоточиться вблизи оси, как в устойчивом резонаторе, и поэтому энергия стоячей волны в течение коротких промежутков времени может быть снята с большего объёма среды: как с приосевых, так и с периферийных участков её сечения. Неустойчивые резонаторы используются на практике в лазерах с коротким временем существования инверсии, а также-в лазерах с высоким усилением, таких как полупроводниковые, некоторые типы газовых, и состоят из плоских либо сферических отражателей.
Читайте также: