ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
621.373.826
Исследование параметров лазерного излучения одночастотного газового лазера
повышенной мощности
С. П. БОРИСОВСКИЙ*, М. Ю. КЕРНОСОВ**, В. А. СТЕПАНОВ*, Е. Г. ЧУЛЯЕВА**
* Рязанский государственный университет, Рязань, Россия, e-mail: stepanovva@post.rzn.ru ** Рязанский государственный радиотехнический университет, Рязань, Россия,
e-mail: mkern@yandex.ru
Проведены исследования возможности получения стабильного одночастотного режима генерации в крупногабаритных He—Ne-лазерах. Селекция частот в исследуемых лазерах осуществлялась с помощью интерферометра Фабри—Перо, размещаемого под небольшим углом к оси резонатора. Показано, что лазер, переведенный в одночастотный режим излучения, обеспечивает длину когерентности не менее 10 м даже при технических вибрационных и акустических воздействиях.
Ключевые слова: одночастотный режим, стабильность, селекция частот, интерферометр Фабри—Перо, голография, длина когерентности.
Investigation into possibility of obtaining a stable single-frequency generation mode in dig-size helium-neon lasers are made. Selection of frequencies in researched lasers was carried out with help of the Fabri—Pero interferometer, placed at a small angle to the axis of a resonator. It is shown, that the laser, that have been transferred into a single-frequency mode of emission, provides a coherent length of not less than 10 m even if there are technical vibration and acoustic influences.
Key words: single-frequency mode, stability, selection of frequencies, Fabri—Pero interferometer, holography, coherent length.
В настоящее время для создания контрастных гологра-фических изображений с большой глубиной поля обычно применяют промышленные газоразрядные Не—Ne-лазеры, обладающие высокой степенью когерентности и повышенной мощностью излучения. При этом высокая когерентность, как правило, достигается тогда, когда лазер работает в одно-частотном режиме генерации [1—3], а необходимость повышения мощности требует, прежде всего, существенного увеличения объема активной среды и габаритных размеров лазера [4]. В классических линейных лазерах оба условия в одном приборе совместить нельзя. Ниже приведены результаты исследования возможности получения большой мощности и высокой когерентности одновременно, т. е. стабильного одночастотного режима генерации в крупногабаритных Не—Ne-лазерах.
Было проведено экспериментальное исследование когерентности и стабильности интенсивности излучения промышленного одночастотного лазера повышенной мощности, когда из всего спектра продольных мод выделяется одна частота.
Для обеспечения генерации лазера на одной частоте, как показано в [5, 6], наиболее эффективны методы внутренней селекции мод резонатора. Это объясняется тем, что во многих лазерах в результате конкуренции мод при подавлении в резонаторе некоторых из них остальным модам, на которых происходит генерация, передается большая энергия. Кроме того, с помощью устройств, помещаемых внутрь резонатора, можно добиться более высокой степени селекции, так как для того, чтобы подавить нежелательную моду, достаточно лишь увеличить ее потери до уровня, превышающего усиление.
В свою очередь, селекция с помощью внутрирезонатор-ного интерферометра Фабри—Перо (ИФП) является наибо-
лее эффективным методом внутренней селекции. Этот метод известен давно и нашел применение во многих типах лазеров [7—9]. Единственное отличие нашего устройства заключается в том, что для него подобрано соотношение длин ИФП и резонатора [10]. При этом ИФП внутри резонатора размещается под небольшим углом к его оси, что позволяет получить высокий коэффициент отражения в узкой спектральной полосе (во много раз уже линии усиления активной среды).
Расчет параметров ИФП. Коэффициент отражения сложного зеркала, состоящего из интерферометра и расположенного за ним выходного зеркала, соответствует кривой пропускания обычного резонатора Фабри—Перо, вследствие чего можно получить узкую спектральную область с высоким коэффициентом отражения. За счет «ухода» части излучения из-за наклона ИФП выбранная мода будет обладать большими потерями. Однако во многих случаях эти потери недостаточно велики для получения одночастотного режима. Так как потери на «уход» возрастают с увеличением коэффициента отражения поверхности ИФП, данный метод применяется, в первую очередь, в лазерах со значительной конкуренцией мод, в которых для этого необходимо установить низкодобротный эталон.
Резонатор лазера, в свою очередь, представляет собой устройство с коэффициентом передачи мощности (интенсивности):
K (r) = (1-r-а) -¡(1-r )2 + 4r
sin2 (^
sin" 14r Ln v cos
0,05)
1-1
(1)
где г — эффективный коэффициент отражения; а — потери; L — длина резонатора; п — коэффициент преломления среды; V — частота излучения; с — скорость света [4].
С другой стороны, интенсивность лазерного излучения можно выразить по аналогии с формулой Беннета [10]:
I (V)=КС0 ехр
-(К -V) /0,6 ДVD )2
(2)
где I (V) — интенсивность лазерного излучения, которая также зависит от расстройки основного резонатора.
Подставив коэффициент передачи мощности (1) в формулу для усиления интенсивности (2), получим
I (V) = (1 - г - а) -¡(1-г)2 + 4г
зт2 (
вт" 1Ln V сое 0,05)
х G0 ехр
-(К-V) /0,6 ДVD )2
или зависимость интенсивности лазерного излучения от расстройки резонатора в виде
I(V) = д ехр(- (V / 700)2)[(1 - 0,05)2 + 300 зт2 0,035V]"1. (3)
Выражение (3) описывает распределение интенсивности лазерного излучения по частоте и резонансы в его спектре. Эта зависимость, полученная расчетным путем для рассматриваемого лазера, показана на рис. 1, из которого следует, что на уровне половинной интенсивности в спектре излучения лазера, работающего в одномодовом режиме, наблюдается примерно 20 частот.
Рассчитаем коэффициент отражения ИФП, необходимый для получения устойчивого одночастотного режима. Согласно [4] эффективный коэффициент отражения системы ИФП — сферическое зеркало определяется как
я2=к^,
где Я2 — коэффициент отражения прозрачного зеркала; К — коэффициент передачи мощности в устройстве с ИФП (считаем ^ ~ Rи)
К=
1+
з^2 (2м4п сов (1-^ )2 1 с
в)
Здесь Rи — коэффициент отражения граней интерферометра; в — угол между осями ИФП и пучка излучения в нем; п — показатель преломления материала интерферометра (кварца).
Представим потери излучения за один проход резонатора в виде
Кп = -0,51п
R2),
усиления Ку и
где R1 — коэффициент отражения плоского зеркала.
Расчетная зависимость коэффициента коэффициента потерь Кп от расстройки резонатора при R1 = 0,995 для различных R| приведена на рис. 2. Эта зависимость позволяет определить для заданного Ку значение R2^ при котором генерации не будет на всех частотах, кроме
Рис. 1. Зависимость интенсивности лазерного излучения от расстройки резонатора
центральной (коэффициент усиления принимали равным 10 % за один проход резонатора, а отражение граней для кварцевого эталона — 4 %). Из рис. 2 следует, что с ростом угла наклона интерферометра смещается резонансная частота лазера. Оптимальный угол наклона интерферометра относительно оси резонатора находится вблизи 4°.
Кроме того, определяли Rrр (коэффициент отражения граней интерферометра, при котором происходит селекция) и расстояние между минимумами потерь от оптической длины кварцевого ИФП. Обнаружено, что с уменьшением ^^ значение Rrр возрастает. Зависимость Дv(LИфП) позволяет определить, что при ^^ = 1...5 см второй минимум потерь находится далеко за пределами контура усиления (при температуре газа около 50 °С).
Результаты расчетов показали, что наиболее эффективным является ИФП длиной не более 5 см и отражение граней составляет 5 %. Если отражение меньше, то возникает слишком узкий пик селекции, что приводит к повышению нестабильности частоты, если больше — получается несколько частот. При внесении ИФП в резонатор возможны дополнительные потери излучения, обусловленные поглощением в материале, наклоном граней и непараллельностью интерферометра.
469,9990
469,9995
470,0000
470,0005 V, МГц
Рис. 2. Зависимость коэффициентов усиления Ку и потерь Кп от расстройки резонатора при R1 = 0,995 для различных R2*: 1 — 0,95; 2 — 0,97; 3 — 0,98
х
7—160
Рис. 3. Изменение мощности лазерного излучения одночастотного лазера в режиме самопрогрева
Кроме того, было рассмотрено влияние температурного расширения материала на стабильность оптических характеристик лазера. Стабильность ИФП определяется, в первую очередь, изменением показателя преломления кварца в зависимости от температуры. Для оценки термостабильности были использованы данные [11] о температурных коэффициентах линейного расширения а и показателя преломления р кварца. При изменении температуры на А? меняется оптическая длина ИФП: АLп = LnавАt.
Для оценки термостабильности ИФП примем для кварца а = 5 ■ 10-7; в = 1 ■ 10-4; А? = 0,1 °С; п = 1,48; LИФП = 0,05 м. Вычислим
ALn = 0,05
Av=
vAL nL
1,48 (5 ■ 10-7 + 1 ■ 10-4) 0,1 = 6,25 ■ 10-7;
= 6,25 ■ 108 = 625 МГц.
5 1014 ■ 6,25 10-7
1 ■ 5 10
-2
Таким образом, изменение температуры на 0,1 °С приводит к сдвигу частоты на 625 МГц при использовании кварцевого ИФП. В этом случае происходят «перескоки» частоты с одного резонанса на другой. Для ситалла Аv = 62,5 МГц, так как коэффициент преломления равен 1 и не зависит от температуры (воздух). Это свидетельствует о том, что с таким ИФП может быть получена более высокая стабильность технической ширины линии и соответственно длина когерентности.
Изменение мощности излучения от времени при самопрогреве резонатора с включенным активным элементом при использовании ситаллового ИФП показано на рис. 3, из которого следует, что в первые минуты прогрева происходят «скачки» с одной частоты на другую, связанные с изменением длины интерферометра. Наблюдаемая на рис. 3 структура представляет собой поочередное выделение продольных мод в пределах линии усиления за счет тепловой перестройки ИФП.
Поскольку основное назначение прибора — голография, где необходимо знать длину когерентности, была измерена длина когерентности [2, 12] по схеме с испо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.