Глава 19 измерения спектральных параметров и характеристик лазерного излучения

Глава 19 ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В международном стандарте [98] И СО регламентированы термины и опре­деления, относящиеся к измерениям спектральных параметров и харак­теристик лазерного излучения, а также методы измерений и калибровки соответствующих СИ. В этом же документе описаны рекомендуемые критерии выбора дифракционного монохроматора и интерферометра Фабри-Перо. Рассмотрим подробно основные положения этого стандарта, дополнив их сведениями об измерениях длины волны и частоты лазерного излучения.

19. 1. Общие сведения

Под измерением спектральных характеристик понимается количествен­ное определение параметров, характеризующих спектр лазерного излучения. Устройства, предназначенные для регистрации спектров, называются спек­трометрами. Спектрометры, построенные на многолучевых сканирующих ин­терферометрах, иногда называют спектроанализаторами [83].

Спектр излучения лазера образуется при взаимодействии излучения ак­тивной среды и оптического резонатора. Генерация возможна на тех частотах, где усиление активной среды превышает потери в резонаторе, т. е. выпол­няется условие достижения порога генерации. Ширина спектра выходного излучения лазера (ширина линии генерации), количество генерируемых типов колебаний, положение линии генерации на шкале длин волн определяются множеством факторов: уровнем и характером потерь резонатора, шириной контура усиления и коэффициентом усиления активной среды, положением участков спектра, где удается получить достаточно большое усиление, ча­стотным расстоянием между собственными типами колебаний оптического резонатора и абсолютной стабильностью их положения во времени и т. д. Естественная ширина каждой из генерируемых спектральных компонент ни­чтожно мала ( = 102-10~1 Гц) и определяется броуновским движением зеркал и спонтанным излучением активной среды.

Однако существует множество технических причин, вызывающих ушире-ние линии генерации: вибрации, тепловые расширения резонатора, вариации показателя преломления активной среды и воздуха между зеркалами, аку­стические воздействия и т. п. Путем стабилизации условий работы лазера, ис­пользования методов автоматической подстройки частоты в газовых лазерах удается получить очень узкую (104-106 Гц, а в отдельных случаях 10-Ю2 Гц) линию генерации.

Для твердотельных импульсных лазеров характерна многомодовая струк­тура излучения, которая реализуется в большинстве режимов работы, хотя разработаны и эффективные методы селекции типов колебаний, позволяю­щие получить даже одночастотный режим генерации. Существенное влияние на структуру спектра оказывает конкуренция между отдельными типами колебаний, обусловленная нелинейным взаимодействием электромагнитного поля с активной средой в резонаторе. При длительностях импульсов г = = 10~6 с, ширина спектральных линий, соответствующих отдельным типам колебаний, будет определяться длительностью импульса, т. е. не оптическим, а радиочастотным спектром. Это временное уширение спектра делает лиш­ним спектральный анализ отдельных линий в спектре излучения импульсных лазеров при длительностях импульсов т -С 10~6 с.

При изменениях параметров твердотельных импульсных лазеров (тем­пературы, добротности резонатора и др. ) может происходить спонтанный сдвиг линии генерации, вызванный конкуренцией различных переходов. На­пример, может произойти изменение режима работы генератора от схемы с тремя уровнями к схеме с четырьмя уровнями. В некоторых лазерах может происходить одновременная генерация на нескольких длинах волн. В част­ности, в неодимовом лазере возможна генерация на трех полосах одновре­менно.

Наряду со спонтанным сдвигом длин волн генерации, вызванным некон­тролируемым изменением параметров генератора, возможны режимы работы лазеров с принудительной перестройкой линии генерации. Кроме изменения положения полос генерации существенна конкуренция между типами колеба­ний в резонаторе лазера, приводящая как к появлению пичковой структуры импульса, так и к флуктуации спектральных характеристик внутри отдель­ных пичков.

В общем случае спектральные характеристики импульсных лазеров опре­деляются как перестройкой грубой структуры (положения линии генерации), так и хаотической или регулярной перестройкой модовой структуры полос излучения, причем каждый режим генерации может вносить свою специфику в метод измерения спектральных характеристик излучения.

Таким образом, в задачи измерений спектральных характеристик ла­зерного излучения входят: определение числа одновременно генерируемых спектральных компонент, изучение их временной динамики, измерение ши­рины линии генерации — частотного интервала между точками контура спектральной линии лазерного излучения, соответствующими половине ин­тенсивности линии в максимуме, измерение модового спектра (распределение интенсивности между типами колебаний, частотные интервалы в модовом спектре).

Эти измерения являются относительными измерениями в спектре, когда определяются положения и интенсивности спектральных компонент отно­сительно друг друга, в отличие от абсолютных, при которых определяется положение генерируемой компоненты на шкале длин волн.

В твердотельных (ТТЛ) и полупроводниковых (ППЛ) лазерах относитель­ная ширина линии генерации (где  — ширина линии; v — среднее значение частоты) обычно составляет 10~3-10~4. Это позволяет использовать для спектральных измерений выпускаемые промышленностью призменные и дифракционные спектрометры.

В отдельных применениях, например, в лазерной спектроскопии с исполь­зованием спектральных средств и методов, относительную ширину линии импульсных лазеров удается уменьшить до 10~5-10~~6. Такой спектр излучения регистрируется, как правило, на фотопленке с помощью промышленных интерферометров Фабри-Перо.

Техника и методы измерений в обоих случаях хорошо отработаны и прин­ципиально не отличаются от измерений спектров классических ламповых источников света.

В газовых лазерах (ГЛ) относительная ширина линии излучения порядка 10~6-10~7. Параметры распространенных ГЛ, в том числе рабочая длина волны и максимальная ширина линий излучения, приведены в табл. 19. 1. Высокая монохроматичность излучения ГЛ способствовала разработке но­вых СИ, основанных главным образом на многолучевых интерферометрах, и исследованию их характеристик для достижения высоких спектральных разрешений (10~7-10~^).

Таблица 19. 1. Характеристики распространенных газовых лазеров

Стандартом [98] регламентированы методы и средства измерений спек­трального распределения, максимальной и средней длин волн и ширины спек­тральной полосы.