Государственный комитет СССР по народному образованию
Московское ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции
и ордена Трудового Красного Знамени
высшее техническое училище имени Н. Э, Баумана
Ю. В. ГОЛУБЕНКО, Ю. В. ИВАНОВ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Методические указания к выполнению лабораторых работ
по курсу «Основы физики лазеров»
Москва
1988

Государственный комитет СССР по народному образованию
Московское ордена Ленина» ордена Октябрьской Револугиух и
ордена Трудового Красного Знамени
высшее техническое училище им. Н.Э.Баумана
Ю.В.Голубенко, Ю.В.Иванов
Утверждены
редсоветом МВТУ
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Методические указания к выполнению лабораторных работ
по курсу ’’Основы физики лазеров”
Под редакцией А.Г.Григорьянца
.7	1968
Москва
_ .прения издастся в соответствии с
и г,-в-ет 
ческим управлением II.OI.ee.
Рождествин В. И,
Рецензент д.т.н., проф.
техническое училище им. Н.Э. Баумана
Редактор В,В. Потапова
Корректор Н.Г. Ковалевская
Заказ о Объем 1,5 п.л.(1,4 уч.-изд,л«) Тираж 150 экэ.
Бесплатно, Подписано в печать 21Щ.88 г. План 1908 г* t >28*
Типография МВТУ. 107005, Москва, Б-5, 2-я Бауманская. 5.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В данных методических указаниях представлены лабораторные
работы по ризине спим основам твердотельных лазеров. Лаборатор-
ные работы закрепляют полученные студентами теоретические зна-
ния и дают навыки работы с лазерными системами.
Дисциплина "Основы
эики лазеров" является одной
юших в подготовке студентов.
из профилируй
Кавдая лабораторная работа рассчитана на 4 ч и проводится
группой студентов из 3-4 человек с индивидуальной обработкой
полученных результатов. Каждая работа заканчивается составле-
нием отчета и ообоседованием преподавателя со студентами. Отчет
должен содержать: наименование, цели и задачи лабораторной рабо-
ты, порядок ее выполнения, краткую характеристику применяемого
оборудования и приборов, схемы, экспериментальные результаты в
виде таблиц и графиков, выводы по каждому эксперименту. В про-
цессе собеседования студенты должны показать понимание физичес-
кой сущности полученных экспериментальных результатов.
Внимание! Без изучения инструкции по технике безопасности
к работам не приступать!
Разрешение на проведение экспериментальной части работы
дает преподаватель или учебный мастер.
Работа Я I. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРА НА РУБИНЕ
Цель работы - изучить физические принципы работы лазера, ис-
следовать временные,энергетические,пространственные и поляриза-
ционные характеристики
излучения лазера.
Теоретиче скал часть
Впервые лазерное излучение из твердой среды было получено
на рубине. Рубин представляет собой матрицу окиси алюминия Л
с примесью ионов + • Благодаря большей механической прочнос-
ти и теплопроводности, возможности выращивания образцов высоко—
3
ГО оптического качества, рубин широко используется на практике
Глазерннх системах. На рис. I приведена схема уровней иона хро-

ма в рубине. В процессе оптической
накачки возбуждаются состояния J у ,
. Метастабильные уровни 2 А и
£' играют роль верхних рабочих уро—
вней. Нижний рабочий уровень'’Д,одно- '
временно является основном. Лазер на
Р3тбине описывается трехуровневой ра-
бочей схемой.
В лазерах на рубине в основном
“□ульсная оптическая не-
когерентная накачка. Оптическая на-
качка предполагает возбуждение акти-
вных центров при поглощении активной средой излучения от неко-
торого специального источника света. Использование импульсной
накачки в лазерах на рубине имеет ряд преимуществ. При импуль-
сной накачке становится необязательным быстрое очищение нижне-
го рабочего уровня. Инверсия реализуется в начале импульса воз-
ЯЛ II
Рис, I
Рис. 2
(рис. 2). Кривая I характе-
буждения в течение промежутка I
ризует заселенность нижнего рабочего уровня; 2 - заселенность
верхнего уровня; 3 - импульс возбуждения. Импульсная накачка
легче реализуется технически, позволяет осуществлять различные
импульсные режимы генерации: свободная генерация, генерация ги-
гантских импульсов при активной и пассивной модуляции доброт-
ности, синхронизация продольных мод (генерация сверхкоротких
импульсов).
В настоящей лабораторной работе исследуется режим свобод-
ной генерации; в резонаторе лазера находится только активный
8ЛвМ41Нт и отсутствуют нелинейные влементы или »лвмвнты,
ства которых изменяются под воздействием внешних сигналов.
^^лериментальная часть
Рис. 3
Деред выполнением лабораторной работы изучить функциональ-
ную схему лабораторной установки (рис. 3), назначение и порядок
работы приборов. На рис. 3:1 — активный элемент-рубшт; 2— ла-
мпа накачки ИФП-1200: 3 - глухое зеркало резонатора; 4 - выход-
ное зеркало резонатора; 5 - блок
in
тания и охлаждения; 6 - ге-
нератор Г5-54; 7 - делительная пластина; 8 - фотоприемник ФЭУ-
62; 9 - осциллограф СВ—12; 10 - линза I м); II - измеритель
энергии ИМО-2Н; 12 - юстировочный лазер ЛГ-66; 13 - диафрапла;
14 - фотодиод ФД-24К; 15 - ослабители; 16 - поляризационный
фильтр.
Затем осуществить юстировку оптической схомы стенда, вклю-
чить и дать прогреться в течение 30 мин всем приборам.
Часть I, Исследование временных характеристик
Для исследования временных характеристик излучения лазера
часть выходного излучения с помощью пластины 7 ответвляется на
приемник оптического излучения ФЭУ-62. По второму каналу осцил-
лографа регистрируется форма импульса излучения лампы накачки с
5

помощью фотодиода.
Для синхронизации начала развертки осциллографа с началом
импульса накачки синхроимпульс от источника питания поступает
на линию задержки генератора Г5-э4, а с его выхода - на вход
управления разверткой.
I. Просмотреть и зарисовать с экрана осциллографа осцилло-
грамму временной зависимости выходной энергии излучения и
светового импульса лампы накачки для разных значений • Эне-
ргия накачки определяется энергией, ^запасенной в емкостных
накопителях, и рассчитывается так:	» где - напря-
жение на накопителе, В; С - емкость накопительного конденсато-
ра, С » 600 мкФ.


рения (рис. 4) для разных
где по - количество дичков на
Для определения Тг
U/ накачки:	~, 71 = -7—
/	' ср
отрезке t
4
лич необходимо подобрать скорости
развертки и время ее задержки, при которых на экрана оо.т^иллог-
TS Л X	» — ——_ —- --
чков.
л--------’JT
рафа регистрируется не менее 10 не перекрывающихся
I в
Часть 2. Исследование энергетических, про стр
запио
и co
те
стик


I
I. Снять зависимость	Рассчитать полный КПД
- КПД источника
лазера но формуле КПД
С И/7
• гае ?
уун	С ып
ги'.


таиия, ^»0,8. Построить зависимость КПД
2» Рассчитать среднюю импульсную мощность личка в пачке
при тех хе значениях й4 на основании проделанных экспери-
ментов в 1-й части т
<7>	~ I £
Зо Определить расходимость в лазерного излучения мето-
дом фокального пятна, используя черную копировальную бумйгу;
~ , где CL - радиус прожигаемого отверстия; Р - фокус
линзыв
4. Снять и построить зависимость	используя по-
ляризационный фильтр, где Сх - угол, характеризующий ориента—
цию плоскости поляризации фильтра. Рассчитать степень поляри-
зации излучения лазера на рубине
5. Выключить все приборы по инструкции.
Контрольные вопросы
1„ По какой схеме работает лазер на рубине?
2, Почему в лазере на рубине в основном используется им-'
пулъсная накачка? Каковы преимущества импульсной накачки?
3» Чем отличается накачка газовых лазеров от накачки твер-
дотельных лазеров?
4.	При каких условиях в резонаторе может возникнуть гене-
5.	Какие существуют методы измерения расходимости лазерно-
го излучения?
6.	С чем связана расходимость лазерного излучения?
7	* Чем отличаются расходимости между газовыми и твердотель-
ными лазерами?
8.	Как рассчитывается степень поляризации излучения'
Работа М 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА НА
д ПГМОИТТРИЕВОМ ГРАНАТЕ С НЕОДИМОМ
W.Nd3^
цель работы - изучить дриндап работы и конструкцию лазера,
исследовать энергетические характеристики лазера и влияние па-
раметров резонатора на процессы генерации.
Теоретическая часть
Рассматриваемый .тазер на АИГ: М3+ работает по 4-уров-
невой схеме . где перехода 4-3 и 2-1 - безызлучательные. Рабо-
1,06 мкн
11,5'103см
2,2'fQcM
Рио. I

Vi

активной среды
$г.
чим переходом является переход 3-2 (рис. I). В связи с быст-
рым очищением нижнего рабочего уровня 2 лазер имеет сравнитель-
но низкий порог возбуждения. Создание инверс
- необходимая предпосылка для реализации в лазере режима гене-
рации. Для создания и поддержания инверсия в лазере с непрерыв-
ной генерацией используется непрерывная нвкогерентная оптичес-
кая накачка активной среды с помощью газоразрядных ламп накач-
ки. Принципиально важным элементом лазера является оптический
резонатор, основная функция которого - формирование ’
поля излучения с определенными энергетическими параметрами,
спектральное и пространственно-временной структурой.
Для обеспечения генерации в лазере необходимо выполнение
неравенства	, т.е. начальный коэффициент усиления
олжен превышать уровень потерь в резонаторе, который определя-
ется суммой коэффициентов вредных и полезных П потерт
Чем больше это превышение, тем больше генерируемая световая <ощ-
ть. Порог генерации определяется равенством *, — •} ,+угл По-
лезные потери обусловлены уходом части энергии из резонатора в
иде лазерного излучения, вредные потери - возникновением неод-
ородностей оптических свойств элементов лазера при генерации,
дифракционными потерями, потерями в зеркалах резонатора, в са-
мом активном элементе и т.д.
Для повышения мощности генерации необходимо снижать потери
в резонаторе9 можно снизить полезные потери, увеличивая ко-
эффициент отражения выходного зеркала . Однако чрезмерное
его увеличение приводит к снижению доли генерируемого из резо-
натора излучения. Следовательно, должно существовать оптималь-
ное значение	гае < - длина
тивного элемента. Необходимо по возможности снижать вредные
по-
тери. На величину дифракционных потерь существенное влияние ока-
зывают тип резонатора, его длина и качество юстировки, размер
зеркал. В результате неравномерного по объему отвода тепла от
активного элемента, кроме возникновения оптических неоднородно-
стей коэффициента преломления, в нем может наводиться тепловая
линза, которая приводит к изменению геометрии распространения
излучения в резонаторе, а в итоге к снижению выходной мощное
или даже срыву генерации.
ин
Ё1»
Описание лабораторной установки
Лабораторная установка построена на базе твердотельного
лазера на АЙГ: Md 5t ЛТИ-5О2 (рис. 2) и вюлочает в себя источ-
ник питания ИП 9 с устройством охлаждения УО; плоскопараллель-
ный оптический резонатор, образованный глухим зеркалом 5 ( <- -
= 0) и выходным сменным зеркалом 6; квантрон с активным элемен
том 3 и лампой накачки 4, Для юстировки оптической системы слу-
жит Не -Me ^азвР ЛГ-SG'1 с диафрагмой 2. Выходная мощность
7 измеряется с помощью ИМ0--2Н с ослабителем 8. При генерации
Рис. 2.
Экспериментальная часть
ИМ0-2Н.
лазера на ЛИГ: Nd3Необходимо закрывать выходное зеркало ЛГ-66
от излучения экраном.
I. Ознакомиться с техническими характеристиками, конструк-
цией и порядком работы с ЛТИ-502, отъюстировать оптическую схе-
Включить и откалибровать ее согласно описцг
Включить ИП ЛТИ-502 по инструкции.
Снять зависимость выходной мощности от тока накач-
для трех значений коэффициента пропускания выходного
( Т2 ), При снятии зависимостей фиксировать пороговые
нпор . Данные занести в таблицу, постро-

зеркала
значения тока накачки I..,
ить семейство зависимостей ^/7/fZ/? ПРЕ и длине резо-
натора Д - 400 мм.
Внимание! Перед сменой выходного зеркала, а также перед из-
менением L необходимо: а) уменьшить 1Й до 10 А; б) выклю-
чить силовую часть нажатием кнопки "Силовая выкл*.
Снять зависимость Peb,x-/(f) । где /3 - угол разъюс-
выходного зеркала. Фиксировать предельные значения .
Снять экспериментальную зависимость7^
Повторить пп.3-6 дяя L » 550. 700 ш при TZcpi .
Рассчитать пороговые коэффициенты усиления
- длина активного элемента, 4 - 100 мм. а л
Построить семейство зависимостей:
Ptwrftt,) при'	ДЛЯ 4 = 400,650 я 700 мы;
тировки
6.
2 opt, у
где 4
е
'л Opt
при Тг-Тг<,р1 для / = 400,550 и 700 мм;
В)	т2^Тгсрс	ДЛЯ z = 400,500 и 700 им.
10. Рассмотреть с помощью визуализатора, используя корот-
кофокусную линзу, структуру лазерного излучения для случая
плоскопараллельного резонатора и ее изменение в зависимости от
качества юстировки резонатора. Зарисовать распределение лазер-
ного излучения по пятну.
II. Выключить все приборы согласно описаниям.
Контрольные вопросы
I* Какие особенности рабочей схемы лазера на ЛИГ: Nd*''*
2» Какие существуют потери излучения в лазере?
3.	Назовите условия возникновения генерации,
4,	Как зависит выходная мощность лазера от коэффициента
отражения выходного зеркала?
лини»
5.	От каких параметров зависит оптимальный коэффициент от-
ражения выходного зеркала?
6.	На какие характеристики лазерного излучения и как вли-
яют тип резонатора, длина резонатора, качество юстировки, на-
грев оптических элементов?
Работа Я 3. ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ МОДУЛЯЦИИ ЛАЗЕРНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
Цель работы - изучить методы модуляции добротности (пас-
сивный и активный) резонатора лазера при непрерывной и импуль-
сной накачках; экспериментально исследовать выходные парамет-
ры и характеристики излучения лазера, работающего в режиме мо-
дуляции добротности.
Часть I. Пассивный метод модуляции
Теоретическая часть
Пассивная модуляция добротности основана на применении
нелинейных элементов, оптическая плотность которых нелинейно
изменяется в зависимости от интенсивности проходящего через них
На рис. I показан процесс развития в резонаторе гигантско-
го импульса при пассивной модулях
сяой накачкой. Кривая Pit) описывает изменение во времени мощ-
ности генерируемого излучения; 2ea(t) - изменение во времени
коэффициента резонансного поглощения фильтра на частоте генера-
ции; N(t) - изменение плотности инверсной заселенности уровней
активной среды. Исходное состояние соответствует непросветлен-
ному фильтру	В ЭТОМ СОСТОЯЛИ
тности инверсной заселенности Nncp^x
цесс формирования гигантского импульса состоит из двух этапов:
этапа медленного (линейного) развития (длительность
и этапа быстрого (нелинейного) развития (длительность этапа
10 нс). После высвечивания гигантского импульса коэффициент ре-
зонансного поглощения фильтра за счет спонтанных переходов в
фильтре снова возрастает. Время 7^ , в течение которого фильтр
возвращается в исходное (непросветленное состояние), есть вре-
мя релаксац
IH5I51
добротности лазера с импуль-
: пороговое значение што-
достаточно велико. Про-
I мкс)
ИИ
фильтра.
Экспериментальная часть
Оптическая схема лабораторной установки приведена на рис.2,
где I - юстировочный лазер; 2 - активный элемент АИГ: №1 \
Рис. 2
3 - глухое зеркало лазера; 4 - выходное зеркало лазера; 5 - пас-
сивный затвор ; 6 — источник питания МИЛ-31; 7 - осцилло-
граф C8-I2; 8 - фотоприемник ФД24-К; 9 - ФРУ-62; 10 - делитель-
ная пластина; II — нейтральные светофильтры; 12 - измеритель
ИМО-2Н.
I.	Собрать и отъюстировать оптическую схему импульсного
лазера для режима свободной генерации (без пассивного затвора).
2.	Включить и дать прогреться всем приборам по инструкции.
3.	Определить пороговое значение энергии накачки Ц/^для
режима свободной генерации.	где С = 75 мкФ,
пороговое значение напряжения накачки.
4.	Зарисовать осциллограммы импульсов тенора
руемых фотодиодом, для трех значений энерг
5.	Ввести в резонатор пассивный затвор - кристалл .
• 3 и 4 для режима пассивной модуляции добротности.
6.	Снять зависимость	при пассивной модуляции.
Рассчитать и построить зависимость для КПД лазера, работающего
в режиме модуляции добротности Q -/(v^), q = ^г/щ'НМ .
7.	Выключать все приборы.
Г.
, регистра-
накачки IV; .
Н'Л5
Повторить
Itl
ПС г.'
Часть 2. Активный метод модуляции
Теоретическая часть
дм реализации режима работы лазера с активной модуляцией
добротности в его резонатор помещают модулятор, управляемый^
внешкям сигналом. Под воздействие сигнала модулятор быстро из-
меняет уровень вредных встарь в резонаторе - переходит из сос-
тояния . соответствующего высоким потерям, в состояние, соответ-
ствующее низким потерям, и обратно. Поскольку такие переходы
совершаются в результате воздействия извне, то данный режим мо-
чуляппи добротности резонатора называют активной модуляцией.
Рис. 3
На рио. 3 показан процесс развития гигантского импульса
при активной модуляции добротности резонатора.
Кривая Р(I) описывает изменение во времени мощности гене-
рируемого излучения; Qit) - изменение во времени добротности
резонатора; - измерение плотности инверсной заселенности.
В исходном состоянии имеем низкую добротность Q„.n и высокую
начальную плотность инверсной заселенности /V, . Процесс гене-
рации гигантского импульса состоит из двух этапов: относитель-
но данного медленного (линейного) развития импульса (длитель-
ность этого этапа t0 я 100 нс) и короткого этапа быстрого (не-
линейного) развития (длительность 10 нс). Почти вся энер-
ВЫСВ9Чивается иа втором этапе, поэтому длительность
гигантского импульса принято измерять по длительности ^.Умень-
шение инверсной заселенности происходит практически лишь на
этапе быстрого развития импульса.
Время включения добротности -	- это промежуток времен-
им, в течение которого добротность возрастает от наименьшего до
наибольшего значения. Если	то говорят о быстром вклю-
чении добротности (рис. 3). Если	, то говорят о медлен-
ном включении добротности. При достаточно медленном включении
добротности картина генерации качественно меняется: вместо нди-
яичного импульса могут высвечиваться несколько импульсов с по-
стоянно уменьшающейся мощностью и возрастающей длительностью.
Временной интервал мевду импульсами постепенно нарастает, изме-
няясь от 100 нс до I мкс.
Модулятор добротности на основе акустооптического затвора
(АОЗ) представляет собой оптически прозрачное вещество, ъ кото-
ром с помощью пьезоэлектрического преобразователя козбуипяатея
ультразвуковая волна (кварцевое стекло для видимого диапазона,
германий для ИК-диапазона). Вызываемые волной деформации
приводят к формированию фазовой дифракционной решетки за счет
локального изменения показателя преломления в слоях вещества,
перемещающихся со скоростью звука. Период такой решетки равен
длине волны акустических колебаний, а ее амплитуда пропорцио-
нальна амплитуде ультразвука. Часть лазерного излучзкия будет
дифрагировать на сформированной фазовой решетке и выходить из
резонатора не усиливаясь, что приводит к изменению добротности
резонатора.
При большой длине взаимодействия света с акустической вол-
ной и при высоких частотах имеет место так называемая дифракция
Брэгга. В этом случав дифракционный спектр состоит из двух мак-
симумов, соответствующих порядкам дифракции л* - 0 и /z« = I.
Дифракционные максимумы минус первого и высших порядков отсут-
ствуют. Интенсивность первого максимума будет наибольшей, если
излучение падает под углом к волновому фронту акустической вол-
ны, удовлетворяющим условию Брэгга:
Si/г &е = % f >
где д - длина световой волны в веществе;
длина звуковой волны.
Угол f)s называется углом Брэгга. Акустооптический затвор
МУ-301,используемый в лабораторной работе, работает в режиме
15
дифракции Брэгга. АОЗ размещен на столике, позволяющем осущест-
влять поворот вокруг горизонтальной оси для проведения юстиров-
ки по углу Брэгга. Ширина звукового столба в звукопроводе АОЗ
составляет 3 мм (при толщине эвукопровода 12 мм). Для совмеще-
ния столба ультразвуковых волн с пучком лазерного излучения при
юстировке и настройке необходимо перемещать АОЗ в направлении,
перпендикулярном к пучку излучения.
Питание АОЗ к контроль мощности осуществляются со стойки
СПО.
Модулятор на основе сканирующего интерферометра Фабри-Перо
(СИФП) представляет собой две параллельно расположенные стеклян-
ные пластины с нанесенными на внутренние поверхности отражающи-
ми покрытиями. Расстояние между отражающими покрытиями называют
базой интерферометра. В результате многократного переотражения
света происходит интерференция лучей» В зависимости от разности
фаз между интерферирующими лучами может происходить их взаимное
усиление либо вычитание.
Для данной длины волны разность фаз будет определяться ве-
личиной базы ОИФП. Изменяя базу СЙФП по определенному закону,
можно изменять его коэффициент пропускания (отражения). На этом
принципе построена работа СИФП и модулятора на его основе. Одна
из пластин СИФП крепится к цьезокерамике, на которую подается
управляющее напряжение, следовательно, эта пластина будет совер-
шать колебания вместе с пьезокерамикой по управляющему закону.
Если коэффициенты отражения пластин равны и то
при изменении базы СИФЛ полный коэффициент отражения интерферо-
метра в своих предельных значениях будет составлять:
Поместив СИФП на место выходного зеркала лазера, будем из-
менять его коэффициент отражения. Это приведет к изменению доб-
ротности резонатора лазера по управляющему закону. Вид формируй
с! 1 ТНИЯ бУДвТ 3аВИСвТЬ 01 Харрис™* управл=;
гнала от динамики процессов генерации внутри резонатора.
Экспериментальная часть
Собрать оптическую схему твердотельного лазера с непрернв-
ч
ной накачкой, работающего а режиме активной модалящм добротно-
ста (рис. 4) я произвести ее юстировку. На рис. 4: I - юстиро-
вочный лазер ЛГ-66; 2 - глухо о зеркало лазера; 3 * активный эле-
мент; 4 - модулятор на основе АОЗ; 5 - модулятор на основа СИФП;
6 - ИСТОЧ1
к питания ЛТН-502 с блоком витания; 7 - блок питания
и управления СИФП; 8 - делительная пластина; 9 - ФЭУ-62; 10 -
осциллограф С8-12; II - светофильтры; 12 - поглощающий конус.
Изуче ние сабо ты АОЗ
добиться появления генерации,
генерации для нескольких зна-
питания а управления АОЗ. За-
> пг.г
I. Включить источник питания ЛТН-502. Подать напряжение смеще-
ния на СИФП (выставить начальный коэффициент пропускания СИФП)
2. Включить силовую часть ЛТН-502,
Зарисовать осциллограммы свободной
некий тока накачки.
3.	Включить согласно описанию блок
рисовать осциллограммы импульсов генерации и улравля
сов, подаваемых на второй вход осциллографа:
а)	для нескольких значений частоты управляющих импульсов
при неизменной их длительности	,
б)	для нескольких значений яри	'
4.	Выключить источник питания АОЗ, силовую часть ЛТИ-502, блох
17
Исследование модулятора на основе СИФП
J «да Хе* =»	• »—• ом.
коэ^хМдиент пропускания на СИФП С Ucm
I даовать осциллограммы ^пульсов генерации и управляющих
импульсов с амплитудой L упр •	.
а) для нескольких значений /у,у» ПРИ Uynp ~ссл^ ’
//	( // -О’ 30 В) па резонансной частоте.
при изменении 6^ I “ и...ои dj
Выключить все приборы согласно описаниям.
б)
Контрольные вопросы
1.
2.
Чем определяется режим свободной генерации лазера?
При каких условиях лазер работает в режиме модул/
шт
добро?-'
ности?
3« Какие устройства можно использовать для модуляции добротно-
сти?
4.	В чем отличие активной модуляции добротности от пассивной
модуляции?
5.	Объясните принцип работы пассивных затворов.
6.	Какое явление лежит в основе принципа работы АОЗТ
7.	Объясните принцип работы модулятора на основе СИФП.
Работа М 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ
Цель работы - изучить условия возникновения нелинейных опти-
ческих явлений,исследовать процессы генераций 2-Й гармоники.
%
Теоретическая часть
Электромагнитные поля обычных источников света характери-
зуется величиной электрической напряженности Е = Ш00 В/см, 
что значительно меньше напряженности электромагнитных полей в
атомах и молекулах вещества Е - I0& т 10$ В/см, а следователь-
18
но, прохождение таких световых пучков через вещество не будет
изменять его характеристик. Лазерные же исто™ ноэвоХ
получать электромагнитные поля напряженностью 10? - 10^ в/см
и выше, что соизмеримо с напряженностью полей в веществах. По-
хождение лазерного пучка через вещество приводит к изменению
его характеристик в зависимости от интенсивности излучения в
частности изменяется да Электрою ская восприимчивость
Предположим, что и(Е)~а?^Ер результате поляризация даелек-
трина Р^о^Е/Е-ърР+^Е будет описываться квадратичным зако-
ном. Отклик среда на интенсивный лазерный пучок оказывается не-
линейным. Одно из нелинейных явлений - просветление среды под
воздействием лазерного излучения, изучалось при исследовании
модуляторов на основе пассивных затворов. В нелинейных средах
могут иметь место и явления взаимодействия световых волн, в
результате которого возникают световые вольы на других часто-
тах. Пусть в среде распространяются две световые волны с часто-
тами	и	a Р=о^Е\
где £=£>^^^^4),,
тогда Р -- ^{^(соза)л ^с0зи)2) ^о(1Еб21_со^(сл)1-/-а)2)± +
-i-co^l	> ^CO3(2a)2)t ±j_].
Следовательно, в среде возникают волны с частотами +	»
9 2 $ , 2	. Аналогично, световая волна частоты	,
проходя нелинейную среду, может взаимодействовать сама с собой,
приводя к образованию волны частотой 2) .в этом случае из-
лучается вторая гармоника. Чтобы происходила передача энергии
от исходной световой волны во 2-ю гармонику,необходимо, чтобы
скорости указанных световых волн в среде совпадали, т.е. дол-
жны совпадать их показатели преломление в среде 4, и .
Данное условие может быть выполнено, если воспользоваться осо-
бенностями прохождения световых волн через кристаллы.
Плоскость главного сечения - плоскость, проходящая через
оптическую ось кристалла и направление распространения вотан.
Световая волна в кристалле превращается в две о различав
ростами и поляризациями: I) обыкновенная волна с показателем
преломления fl « независящим от направления распространения
волны в кристалле, и поляризацией,перпендикулярной плоскости
главного сечения; 2) необыкновенная волна, характеризующаяся
л от угла & между оптической осью кристалла
око-
ПГ1
I
ж направлением распространения в нем волны, и поляризованная в
плоскости главного сечения. " главные значения пока-
зателей преломления средн. I
На рис. I показаны сечения индикатрис показателя преломле-
ния плоскостью, проходящей через оптическую осы а) отрицатель-
ный одноосный кристалл, б) положительный одноосный кристалл.
Рис. I
С ростом частоты показатели преломления кристалла увели-
чиваются. На рис, 2 доказаны сечения индикатрис показателя пре-
Рис. 2
локления отрицательного одноосного кристалла для основной час-
сплотные линии) и второй гармоники (штриховые линии).
20
к оптической оси возможно выполнение условия
носит название угла синхрони-
В качестве кристаллов с нелинейной поляризацией применяют
Под углами 6> к оптической оси возможно выполнение условия
волнового синхронизма. Угол 6» носит название угла синхроны-
зма. В качестве кристаллов с нелинейной поляризацией применяют
кристаллы дигидрофосфата калия t дидейтерофоефнта калия
DKPP , дигидроарсеълта цезия CDA , ниобата лития. Йодата ли-
тия и др. Максимальное значение интенсивности второй гармоники
достигается на так называемой когерентной длине:	На
расстоянии происходит перекачка мощности из основного из -
лучения во 2-ю гармонику, а затем опять же на расстоянии
происходит обратная перекачка мощности
А	Г I , _ i *>	_	-	. м . _ 4 1
где 4^ = ^—* волновая расстройка, I/,
интенсивность падающего излучения на частоте;
» (б2 - коэффициенты нелинейной связи.
Рассмотрим условие точного выпел *ения фазового синхрониз-
ма = 0. Эффективность преобразования во 2-ю гармонику в
этом случае будет определяться по формлуе:
.? =7ф^г = tK^ ’
где L(t) * интенсивность преобразованного излучения на длине
Z.
Описание лабораторной установки
В данной лабораторной работе исследуется внерезонаюрная
генерация 2-й гармоники на кристалле KLP (рис. 3). Для уво-
Рис. 3
личения интенсивности пада
(его
ется пассивный затвор на основе
ляется дисперсионным элементом»
излучения в резонатор ломеща-
LiP . Применяемая сриэыа яв-
разделяющим две длины волны.
21
»к
„оплпитея с помощью измерителя ИМО-2Н,
Измерение энергии производится	.
Экспериментальная часть
схему для режима свободной генерации.
I,	Собрать оптическую схему w я __	----_
2.	Включить I
3.	Снять зависимость
морениях
4. Ввести в
мума
5.	Снять зависимость а'йа,т
отклонение I	.
6.	Снять зависимость 6* ц/ --} ( WH) .
7.	Рассчитать
нику КПД =
1„ С помощью ИМ0-2Н
-Й гармоники добиться мини-
о
характеризует
m «.-.да .	^3	.
- оптическую схему кристалл КРР
, мяклимп’МУ генерируемой энергии	.
расстройки. Определить угол синхронизма в
_	-• ,^x^^F(a), где ОС —
оптической оси кристалла от угла синхронизма.
шимош г’3л,х	*
КПД лазера с учетом преобразования во 2-ю гармо-
ЮО? = У 6VJ .
8 Рассчитать коэффициент преобразования 2-й гармоники
_	и/л	l-'kx^./ЛЛО/
,£н	О
9. Ввести в резонатор пассивный затвор. Повторить пункты 3
для режима модуляции дооротности.
ХО. Выключить все приборы по инструкции.
Контрольные вопросы
I.	Какие фазические явления лежат в основе генерации 2-й гармо-
ники?
2.	Назовите условие волнового синхронизма.
3.	Объясните понятие когерентной длины кристаллу.
4.	Что такое угол синхронизма?
5.	От чего зависит эффективность пре образования во 2-ю гармонику?
Литература
I» Тарасов Л.В» Физика процессов в генераторах когерентного оп-
тического излучения. - М.: Радио и связь, 1981. - 440 с.; ил.
2.	Пахомов ИХ, Рожков О.В
квантовые приборы. - М.: Радио и связь, 1982. - 456 с.
Рождествин В.Н. Оптико-электронные
22
э.	Лазерная техника и технология: L 7 кн. Кн.1. Физические осно-
вы технологических лазеров: Учеб.пособие для кузов /В.С.Голу-
бев; Ф.В.Лебедев; Под ред. А Г.Григорьянца. - М.; Быипая окола,
1987. - 191 с.; ил.
4.	Иващенко П.А., Калинин Ю.А., Морозов Б.Н. Измерение парамет-
ров лазеров. - М.: Издательство стандартов, 1982. - 168 с.
5.	Дмитриев В.Г., Тарасов А.В. Прикладная нелинейная оптика.
Генераторы второй гармоники и параметрические генератора сва-
та. - М.: Радио  связь, 1982. - 346 с.
Содержание
Предисловие *•••-•*
fhOc-T'* I* I......
Работа №	.......
Работа P 3......*	• *
Работа