Автор Тема: Лазеры с резонаторами и без оных  (Прочитано 5790 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн diant

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 68
  • Репутация: +3/-0
Лазеры с резонаторами и без оных
« : 13 Ноябрь 2013, 22:17:59 »
Друзья, помогите уразуметь.
Есть лазеры, для которых резонатор и весьма качественный просто необходим - иначе не заведутся.
А есть и такие, которым зеркала вообще не нужны, типа азотного. Эти стреляют с одного прохода луча.

Конечно между этими двумя полюсами есть целая шкала градаций. Но не суть... мне хочется понять принцип. От чего зависит, к какому полюсу тяготеет тот или иной лазер?

Скажем, есть ощущение, что лазеры у которых верхний рабочий уровень не метастабилен, тяготеют ко второму типу (которым резонатор почти не нужен, если вообще нужен). Верная мысль? Или есть еще какие-то свойства рабочих сред, которые определяют необходимость качественного резонатора.

Попутный вопрос про азотный лазер, раз уж он упомянут.
Верно ли понимаю, что его излучение происходит не в режиме сверхизлучения Дике? То есть по сути это все таки лазерное излучение, а никак не импульс сверхизлучения?

Оффлайн avrerum

  • Старожил
  • ****
  • Сообщений: 325
  • Репутация: +13/-0
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #1 : 13 Ноябрь 2013, 22:34:29 »
Друзья, помогите уразуметь.
Есть лазеры, для которых резонатор и весьма качественный просто необходим - иначе не заведутся.
А есть и такие, которым зеркала вообще не нужны, типа азотного. Эти стреляют с одного прохода луча.

Конечно между этими двумя полюсами есть целая шкала градаций. Но не суть... мне хочется понять принцип. От чего зависит, к какому полюсу тяготеет тот или иной лазер?

Скажем, есть ощущение, что лазеры у которых верхний рабочий уровень не метастабилен, тяготеют ко второму типу (которым резонатор почти не нужен, если вообще нужен). Верная мысль? Или есть еще какие-то свойства рабочих сред, которые определяют необходимость качественного резонатора.

Попутный вопрос про азотный лазер, раз уж он упомянут.
Верно ли понимаю, что его излучение происходит не в режиме сверхизлучения Дике? То есть по сути это все таки лазерное излучение, а никак не импульс сверхизлучения?
Резонатор или кол-во проходов лучей зависит прямо от коэф.усиления активной среды!!!Впервые слышу сверхизлучение как понятие если честно,в азотном лазерное излучение!

Оффлайн diant

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 68
  • Репутация: +3/-0
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #2 : 13 Ноябрь 2013, 22:59:27 »
Можно чуть подробнее. Я так понимаю, что в активной среде любого лазера, после ее накачки и перехода в состояние с инверсной населенностью рабочих уровней, коэффициент усиления (А) положителен. Правильно ли я понимаю, что при фиксированной геометрии резонатора, качество и юстировка зеркал должны быть тем выше, чем меньше этот коэффициент А?

Тогда возникают два следующих вопроса.
1. С какого значения А зеркала можно вообще выбросить и лазер все равно заведется?
2. При фиксированном А, верно ли, что удлинняя полость резонатора L, можно в конце концов достичь такого значения L, что и такой лазер сгенерит без зеркал?

Про сверхизлучение (СИ). Вещество может излучать в трех режимах: спонтанный и два когерентных режима (лазерный и СИ). На земле два из них легко осуществимы и давно используются (спонтанный и лазерный). СИ - пока удел лабораторий, поэтому мало известен.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2736
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #3 : 13 Ноябрь 2013, 23:08:03 »
Здесь все достаточно просто, если понять главный принцип.

Для лазерной генерации необходимо, чтобы свет, проходя сквозь среду, усиливался. Вообще-то в средах свет поглощается, но при наличии достаточного количества возбужденных атомов возможно усиление. Проходя один сантиметр, свет встречает столько-то возбужденных атомов. Если их достаточно много, фотон сможет породить новые фотоны, устроить "цепную реакцию". Если нет - фотон поглотится прежде, чем произойдет что-то интересное.

Большинство веществ, из которых делают лазеры, очень прозрачны. Смесь гелия и неона, например. Проходя через такую среду, фотон скорее всего не столкнется ни с одним атомом, ни с возбужденным, ни с каким-либо другим. То есть он не поглотится и не усилится, а просто пройдет без толку. Усиление тем не менее возможно, если путь фотона очень велик; рано или поздно он столкнется с атомом, и этот атом наверняка окажется возбужденным, ведь накачка работает. Чтобы это произошло, мы добавляем зеркала. Фотон будет ходить между ними до тех пор, пока наконец не встретит нужный атом. Или - если не повезет - пока не поглотится в зеркале или не улетит в сторону. Отсюда имеем очевидный критерий генерации лазера: вероятность столкновения фотона с возбужденным атомом должна быть выше, чем вероятность поглощения или выхода этого фотона за пределы рабочего тела.

В некоторых веществах, например в сильно накачанных красителях или в азоте после электрического разряда, возбужденных атомов так много, что фотон уже через миллиметры или сантиметры почти наверняка встречается с одним из них. Про такие вещества говорят, что у них "большое усиление". В этом случае никакие зеркала не нужны. Если при этом в веществе достаточно фотонов, образовавшихся случайно, получится сверхизлучение или подобная ему лазерная генерация. Если таких фотонов недостаточно, например если объем вещества невелик, генерации не будет, но будет усиление приходящего извне света. Такая штука может добавлять мощности имеющемуся маломощному лазеру той же длины волны - так называемая схема "генератор-усилитель", по-английски "MOPA".

Если кусок вещества большого усиления имеет неправильную форму, говорят о сверхизлучении. Иное дело, если вещество имеет вид длинного стержня, как, например, газ в азотном лазере. В этом случае подавляющее большинство фотонов будет иметь одного и того же прародителя, и излучение будет довольно когерентным. Происходит селекция мод - устранение нежелательных фотонов, в данном случае за счет геометрии рабочего тела.

Четкой границы между сверхизлучением и лазерной генерацией нету. Она проводится условно в зависимости от степени селекции мод. Если селекция мод удовлетворительная (длинный стержень), хорошая (резонатор) или очень хорошая (резонатор с дополнительными фильтрами), говорят о лазерном излучении. Если селекция мод почти или совсем отсутствует, говорят о сверхизлучении. Надо сказать, что у азотного лазера селекция мод весьма плохая, когерентность очень небольшая, поэтому его используют почти исключительно для накачки других лазеров. По традиции считается, что эта "весьма плохая" селекция мод тем не менее достаточна, чтобы называть излучение "лазерным". Но любой практик, пытавшийся фокусировать азотный лазер, может поспорить с этим.

Очевидно, что в силу конечности скорости света необходимо, чтобы инверсия заселенностей сохранялась все время, пока фотоны гуляют по резонатору. В непрерывном лазере это не проблема, там инверсия постоянно поддерживается. Иное дело - импульсный (нестационарный) лазер. Если импульс накачки короткий, рабочее тело копит энергию на возбужденном уровне, и время жизни этого уровня должно быть достаточно велико. Инверсия заселенностей будет жить ровно столько, сколько живет возбужденный уровень. (Импульсный лазер с длинным - порядка 1 мс - импульсом следует относить не к импульсным, а к непрерывным, точнее к стационарным, ибо он работает до тех пор, пока поступает накачка). Время жизни возбужденного состояния у разных веществ разное, и у некоторых (азот) оно очень короткое. Настолько короткое, что это состояние не принято называть "метастабильным". Этого времени не хватает, чтобы фотон прошел через резонатор несколько раз, поэтому зеркала ничем помочь не могут. В тех случаях (азот, неон), когда вещество с малым временем жизни уровня способно дать высокое усиление, удается сделать лазер без зеркал.

В большинстве высококачественных лазеров применяют вещества с небольшим усилением. Часто - специально разбавленные (бледно-розовый рубин, или Nd:YAG всего лишь с 1% Nd, слабые растворы органических красителей, CO2 разбавляют гелием и т.д.), чтобы искусственно уменьшить усиление. Это нужно для того, чтобы обеспечить достаточно длинный путь луча и хорошую селекцию мод. Чем выше требования к лазеру, тем меньше усиление на один проход через рабочее тело, чтобы в выходном излучении не появлялась примесь усиленных помех.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2736
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #4 : 13 Ноябрь 2013, 23:13:43 »
Как посчитать:

1. Берем сечение взаимодействия возбужденного атома.
2. Берем концентрацию атомов в рабочем теле.
3. Считаем из этого вероятность усиления фотона на единицу длины пути, или, что то же самое, коэффициент усиления на единицу длины.
4. Считаем наименьшую длину пути фотона, при которой усиление превышает поглощение. Если она больше размеров рабочего тела - нужны зеркала. Если она больше любого возможного пути фотона в резонаторе (в силу непараллельности зеркал, например) - генерация невозможна вообще.

Из этих соображений достаточно очевидно выписываются точные формулы. Если неохота думать, готовый ответ есть в учебнике Звелто.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2736
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #5 : 13 Ноябрь 2013, 23:17:48 »
Кстати, сверхизлучение - не такой уж удел лабораторий. Некоторые светодиоды на нем делаются для повышения КПД. А любой, кто пытался сделать лазер на красителях, знает, как легко "перекачать" концентрированный раствор красителей и получить паразитное СИ во все стороны вместо аккуратного лазерного луча. Если сильно не повезет, то может быть и паразитное лазерное излучение - в роли резонатора выступают стенки сосуда. Чтобы это получилось, достаточно слишком сильно сфокусировать азотник или эксимер на слишком концентрированном растворе красителя. Я сам наблюдал это несколько раз, и примерно в половине случаев - не специально.

Оффлайн diant

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 68
  • Репутация: +3/-0
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #6 : 13 Ноябрь 2013, 23:36:07 »
Gall, спасибо за развернутый ответ. Почерпнул в нем для себя много полезных мыслей. У меня еще будут к вам по нему вопросы, но чуть позже - надо немного подумать над написанным.

А пока коротко один вопрос. Вы не путаете сверхлюминесценцию и прочие сверх... с настоящим когерентным СИ Дике? Вопрос для меня не праздный и я честно говоря с большим интересом прочитал бы какую-нибудь статью о светодиодах на СИ, о которых вы говорите.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2736
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #7 : 14 Ноябрь 2013, 00:46:39 »
Строго говоря, настоящего СИ Дике (коллективного спонтанного излучения) в том смысле, в котором оно описано в работе Dicke R.H., Phys. Rev. 1954, v. 93, p.99, в подобных системах и не бывает. Для него необходимо наличие какого-то дальнодействия внутри самой системы, иного, нежели просто распространение фотонов. Такие эффекты достигаются в полупроводниковых структурах и, кстати, являются основой современных полупроводниковых лазеров. Ближайший родственник - это РОС, и вообще не очень понятно, где проходит граница между РОС и Дике; возможно, это даже один и тот же эффект с разных сторон.

Обычное СИ - "amplified spontanous emission" - это и есть эффект, на котором могут работать газовые лазеры. Ни о каком Дике там речь даже близко не идет, там может быть только усиление спонтанного излучения. Азотный лазер - тоже.

Что конкретно используется в светодиодах, где и как - выяснить не удается. Ясно, что речь идет о светодиодах с высоким КПД (осветительных, с преобразованием излучения люминофором в белое). Есть куча патентов, в которых упоминаются разнообразные эффекты. Вот там, кстати, Дике вполне может быть. Идея понятна, она на поверхности: раз у полупроводникового лазера КПД выше, чем у обычного светодиода, значит, надо сделать светодиод из лазера, можно без резонатора. Плохая доступность информации тут связана с коммерческой тайной, на светодиодном освещении сейчас большие деньги делаются.

Оффлайн diant

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 68
  • Репутация: +3/-0
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #8 : 16 Ноябрь 2013, 12:20:55 »
Gall, поразмышлял над вашими словами и появились новые мысли.

> Чтобы это произошло, мы добавляем зеркала.
> Фотон будет ходить между ними до тех пор,
> пока наконец не встретит нужный атом.
Интересно, а каковы при этом требования на параллельность зеркал резонатора Фабри-Перо? Ведь от этого зависит, как долго этот фотон сможет туда-сюда отражаться. Просто для примера назовите какие-нибудь цифры из реальных лазеров. Например «в He-Ne лазере зеркала юстируют с точностью до хх arcsec…» и т.п.

> Отсюда имеем очевидный критерий генерации лазера:
> вероятность столкновения фотона с возбужденным атомом
> должна быть выше, чем вероятность поглощения или выхода
> этого фотона за пределы рабочего тела.
Если не ошибаюсь, отсюда следует, что даже при положительном коэффициенте усиления среды (А>0) еще не следует, что лазер начнет работать, - потери на зеркалах, например, могут подавить генерацию. (Наверное это банальность, но я с лазерами почти незнаком, потому такие вопросы.)

> В некоторых веществах, например в сильно накачанных красителях…

> В этом случае никакие зеркала не нужны.
То есть лазеры на красителях - второй пример активной среды, которая (помимо азота) может «завестись» без резонатора? Тогда сразу интересно, лазеры на красителях работают по какой схеме - 3-уровневой или 4-уровневой? И как у них обстоит дело с рабочим возбужденным уровнем - он метастабилен или нет? Какое там обычно время жизни?

> Четкой границы между сверхизлучением и лазерной генерацией нету.
Наверное тут правильнее сказать - «между сверхлюминесценцией и лазерной генерацией»?

> Время жизни возбужденного состояния у разных веществ разное,
> и у некоторых (азот) оно очень короткое. Настолько короткое,
> что это состояние не принято называть "метастабильным".
Правильно ли я понимаю, что рабочий переход в азоте (C3?u?B3?g) имеет только один запрет – по четности? И он кажется слаборазрешенный?

> Этого времени не хватает, чтобы фотон прошел через резонатор
> несколько раз, поэтому зеркала ничем помочь не могут.
А разве азоту времени не хватит? У него среднее время жизни на верхнем рабочем уровне около 40 нс. За это время фотон может успеть пролететь 12 метров и много раз в резонаторе отразиться. Или же возбужденный азот при атмосферном давлении еще быстрее релаксирует за счет неупругих столкновений?

> В большинстве высококачественных лазеров применяют вещества
> с небольшим усилением.

> Это нужно для того, чтобы обеспечить достаточно длинный путь луча
> и хорошую селекцию мод.
А как возникает селекция мод при большим количеством проходов луча по резонатору? Почему соседняя мода, отстоящая, скажем, всего на каких-то 300 МГц от основной (в полуметровом резонаторе He-Ne лазера) при большом количестве проходов луча туда-сюда уже не возбуждается?

> Как посчитать:

> 3. Считаем … коэффициент усиления на единицу длины.
> 4. Считаем наименьшую длину пути фотона, при которой
> усиление превышает поглощение. Если она больше размеров
> рабочего тела - нужны зеркала.
Gall, вот это место самое непонятное. Я так понимаю, если коэффициент усиления (A) больше нуля, то усиление имеет место и при 1 мм и при 1 см и при 1 км – нет разницы. Грубо говоря, интенсивность луча I(L) после прохождения пути L равна:
I(L) = I0 * exp (A*L)
Отсюда следует, что при A>0 интенсивность I(L)>I0 при любых значения пути L.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2736
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #9 : 16 Ноябрь 2013, 14:13:35 »
Интересно, а каковы при этом требования на параллельность зеркал резонатора Фабри-Перо? Ведь от этого зависит, как долго этот фотон сможет туда-сюда отражаться. Просто для примера назовите какие-нибудь цифры из реальных лазеров. Например «в He-Ne лазере зеркала юстируют с точностью до хх arcsec…» и т.п.
Посмотрю. Я не помню точных цифр. He-Ne - капризный лазер, там нужно около 100 проходов. Nd:YAG требует меньшей точности. Тут сложность в том, что в He-Ne зеркала не плоские, там сфера, и юстировка требуется более грубая.

Цитировать
Если не ошибаюсь, отсюда следует, что даже при положительном коэффициенте усиления среды (А>0) еще не следует, что лазер начнет работать, - потери на зеркалах, например, могут подавить генерацию. (Наверное это банальность, но я с лазерами почти незнаком, потому такие вопросы.)
Абсолютно верно. При использовании хороших диэлектрических зеркал под "потерями" понимается в первую очередь выход излучения через полупрозрачное зеркало. У лазеров вроде He-Ne он очень маленький, не более 1%. У Nd:YAG может достигать 50% и более.

Цитировать
То есть лазеры на красителях - второй пример активной среды, которая (помимо азота) может «завестись» без резонатора? Тогда сразу интересно, лазеры на красителях работают по какой схеме - 3-уровневой или 4-уровневой? И как у них обстоит дело с рабочим возбужденным уровнем - он метастабилен или нет? Какое там обычно время жизни?
Уровней там 4 (на самом деле больше 4), но нижний лазерный уровень живучий и склонен к накоплению электронов. Рабочий уровень метастабильный, но короткоживущий (мкс). Все уровни очень широкие, правильнее говорить о полосах.

Цитировать
Наверное тут правильнее сказать - «между сверхлюминесценцией и лазерной генерацией»?
Может быть. В русском языке нет однозначного использования терминов "сверхлюминесценция" и "сверхизлучение". И так и так называют. Когда важно, обычно уточняют - пишут английский термин в скобках.

Цитировать
Правильно ли я понимаю, что рабочий переход в азоте (C3?u?B3?g) имеет только один запрет – по четности? И он кажется слаборазрешенный?
Уточню. Вообще при возбуждении, особенно при кратном, уровни могут меняться. (Плотность электронных состояний и спектр - не всегда одно и то же). Хороший вопрос.

Цитировать

А разве азоту времени не хватит? У него среднее время жизни на верхнем рабочем уровне около 40 нс. За это время фотон может успеть пролететь 12 метров и много раз в резонаторе отразиться. Или же возбужденный азот при атмосферном давлении еще быстрее релаксирует за счет неупругих столкновений?
Во-первых, релаксирует. Маленькая примесь кислорода резко понижает время жизни, давление - тоже. (Поэтому профессионалы работают на чистом азоте при низком давлении). Во-вторых, возбуждение не мгновенное. В-третьих, лазерная генерация начинается с некоторым опозданием. В результате полезная длина получается 2-4 метра.

Цитировать
А как возникает селекция мод при большим количеством проходов луча по резонатору? Почему соседняя мода, отстоящая, скажем, всего на каких-то 300 МГц от основной (в полуметровом резонаторе He-Ne лазера) при большом количестве проходов луча туда-сюда уже не возбуждается?
Расход энергии. Более сильная мода "крадет" энергию накачки у более слабой и делает ее еще слабее. Но тут есть и обратный эффект: в силу квантовых запретов более сильной моде может оказаться недоступна часть энергии, и от этой части рождается новая мода (так называемый эффект выжигания дырок). То же самое можно объяснить и иначе: в резонаторе долго живут только фотоны с длинами волн, укладывающимися вдоль резонатора целое число раз (полуволн). Все остальные фотоны не усиливаются.

Цитировать
Gall, вот это место самое непонятное. Я так понимаю, если коэффициент усиления (A) больше нуля, то усиление имеет место и при 1 мм и при 1 см и при 1 км – нет разницы. Грубо говоря, интенсивность луча I(L) после прохождения пути L равна:
I(L) = I0 * exp (A*L)
Отсюда следует, что при A>0 интенсивность I(L)>I0 при любых значения пути L.
Верно, но 1) усиление должно превысить потери (которые не всегда равномерны) и 2) на этой длине должно произойти хоть одно спонтанное излучение, чтобы было чему усиливаться. Вернее даже так: если длина 1 см, то полезный путь усиления будет скорее всего около 5 мм, если спонтанное излучение будет где-то в центре. А оно может быть с краю в сторону этого края или не быть вовсе. Или же спонтанно излученный фотон может пройти вовсе без усиления, есть и такая вероятность.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2736
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #10 : 16 Ноябрь 2013, 22:44:09 »
Добрался до книг, списываю конкретные цифры.

Для He-Ne сечение взаимодействия 3E-13 см^2, время жизни 150 нс, прозрачность полупрозрачного зеркала около 2%, резонатор из сферических зеркал (обычно конфокальный) или плоскость-сфера. Расстройка на 2-10 угловых секунд приводит к падению мощности вдвое. Для твердотельных лазеров часто допустима бОльшая расстройка, до 30-50 секунд.

Рабочий переход в азоте, вроде бы, просто разрешен. А вот переходы между этими уровнями и основным состоянием запрещены по спину, ибо триплетные. Усиление до 100 дБ/м.

Оффлайн diant

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 68
  • Репутация: +3/-0
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #11 : 18 Ноябрь 2013, 11:28:28 »
Gall, спасибо огромное! Будут еще вопросы - напишу.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2736
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #12 : 18 Ноябрь 2013, 14:22:10 »
Не за что!

Если что, рекомендую книги Звелто "Принципы лазеров" и Айхлер, Айхлер "Лазеры. Исполнение, управление, применение". Особенно Звелто, там вся теория со всеми формулами есть. Но конкретных цифр почти нет ни там ни там, они у меня из разных статей в журналах.

Оффлайн diant

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 68
  • Репутация: +3/-0
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #13 : 18 Ноябрь 2013, 21:50:19 »
Если что, рекомендую книги Звелто "Принципы лазеров"
Скачал. Книгу сразу узнал (не в тему правда). Много лет назад она досталась мне в наследство от моего соседа Миши, который был ощутимо старше меня и учился уже в Бауманском, когда я еще в школу ходил. Книга казалась мне одной из самых скучных на свете и много лет лежала в шкафу без внимания. Гораздо больше меня увлекало в те годы содержимое Мишиного стола (верхняя полка к примеру была полностью забита порохом, коробками с начищенными спичечными головками, магниевыми опилками и т.п.). Вообщем пиротехнике он меня хорошо тогда подучил.
А книгу Звелто я кажется кому-то уже давно отдал. И вот надо же так случиться - теперь ее из сети качаю...

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2736
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #14 : 19 Ноябрь 2013, 17:49:07 »
Бывает. Мне повезло - я купил последнее издание, одну из последних книг (тираж уже был распродан). Кстати, последние книги малых тиражей довольно часто удается купить в маленьких периферийных книжных магазинах, где продают в основном дешевые детективы. Серьезные книги, особенно научные, в таких магазинах иногда залеживаются годами, целевая аудитория таких книг туда просто не заходит.

Оффлайн diant

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 68
  • Репутация: +3/-0
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #15 : 29 Ноябрь 2013, 19:40:42 »
Gall, а можно ли как-то простыми словами описать, когда одно из двух зеркал (которое не глухое) должно иметь пропускание "почти ничего" (скажем 1%), а когда оно может быть вообще полупрозрачным (50% пропускание)? От каких свойств активной среды это зависит?

Или может быть этот же вопрос можно упростить - просто привести примеры реальных лазеров, у которых выпускающее зеркало почти непрозрачно и наоборот сильно прозрачно. А я уже над ними покумекаю.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2736
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #16 : 29 Ноябрь 2013, 21:53:25 »
Чисто от усиления зависит. Прозрачность зеркала равноценна поглощению. Усиление должно превышать поглощение. Т.е. через зеркало должно выходить меньше фотонов, чем образуется за один проход через резонатор.

Реальные примеры: газовые лазеры на нейтральных атомах (He-Ne, He-Cd, He-Hg и иже с ними) имеют маленькое усиление, в них используют примерно 99%-е зеркало. Особенно желтый и зеленый He-Ne, на этих линиях совсем плохое усиление, и до изобретения хороших диэлектрических зеркал He-Ne на этих длинах волн вообще не могли сделать. Большинство твердотельных лазеров имеют довольно большое усиление, у них может быть 50%, а иногда даже и 10%. У CO2-лазера примерно так же. Совсем крайний пример - азотный лазер, там допустимо зеркало 0% (то есть отсутствие зеркала).

Оффлайн diant

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 68
  • Репутация: +3/-0
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #17 : 30 Ноябрь 2013, 10:06:05 »
Gall, спасибо! Примерно так я себе и представлял, но смутно. Теперь туман рассеялся :)

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2736
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #18 : 30 Ноябрь 2013, 12:46:52 »
Тут еще вот что надо добавить (в основном в связи с вашей темой про покупку зеркал). Для лазера важен, очевидно, коэффициент отражения, а не пропускания. До сих пор мы представляли себе идеальные зеркала, у которых отражение+пропускание=100%, и исходя из этого выбирали 1% пропускания. У реального зеркала есть еще и поглощение, его надо учитывать на практике. И вот с ним все плохо.

Есть зеркала металлические и есть зеркала диэлектрические. Главный недостаток металлических - низкое отражение даже у лучших. Характерные цифры: лучшие зеркала 95%, рядовое оптическое зеркало 93%, зеркала в некритичных приборах (зеркало гальванометра) 90%, бытовые зеркала 75%. Остальное поглощается. У полупрозрачного зеркала поглощение остается тем же, т.е. зеркало с 5% пропускания ну никак не будет иметь больше 90% отражения.

У диэлектрических поглощение почти 0, но зато очень узкий рабочий диапазон длин волн и углов. Ширина спектра рабочего диапазона почти никогда не бывает больше 100 нм, более типичны величины около 50 нм. Отклонение угла падения света от расчетного равноценно сдвигу длин волн. Вне рабочего диапазона отражение падает скачком почти до нуля. Например, зеркало со 100%-м отражением на 633 нм для глаза выглядит как прозрачное стеклышко с легким то ли золотистым, то ли голубым оттенком, меняющее цвет в зависимости от угла зрения. Серийно выпускаются зеркала в основном под нормальное падение или 45-градусное отражение, под распространенные длины волн (532, 633, 650, 1064 и т.д.). Лазерные зеркала часто бывают сферическими, вогнутыми, поскольку предназначены в основном для устойчивых резонаторов. Резонаторы из двух плоских зеркал почти никогда не применяются, в крайнем  случае плоским бывает одно из зеркал. Причина таких решений - нежелание вводить в резонатор (особенно в сложный) линзы.

Поэтому, увы, широкополосных зеркал с высоким отражением не существует. Существуют широкополосные с плохим отражением и узкополосные с высоким. В перестраиваемых лазерах из положения выходят, заменяя глухое зеркало на дифракционную решетку (одновременно и перестройку обеспечивая) или призму-ретрорефлектор. Даже если остается одно зеркало с потерями, все равно потери падают вдвое. В мощных импульсных лазерах вместо глухого зеркала можно поставить элемент на эффекте ВРМБ (вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна), убив сразу трех зайцев - и отражение, и модуляция добротности, и чистка луча за счет сопряжения фазы.

Зеркала под длины волн типичных лазеров серийно и на заказ производятся в Китае, их нетрудно найти на aliexpress.com.

Оффлайн diant

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 68
  • Репутация: +3/-0
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #19 : 30 Ноябрь 2013, 16:10:44 »
Gall, параллельно с вашими ответами читаю понемногу в сети и смотрю кто что производит и продает. Так понемногу и складывается картина.

>  Главный недостаток металлических - низкое отражение даже у лучших.

Да, понимаю.
Кстати, сразу вопрос. Есть обычные глухие серебряные широкополосные зеркала с защитным покрытием. Почти все производители имеют их в репертуаре. И как правило для нового зеркала в диапазоне 450-700 заявляется очень хорошее отражение, типа не хуже 97%. Верю. Но вот интересно, как такое серебряное покрытие "под защитой" ведет себя со временем? Как быстро оно станет в этой полосе хуже защищенного алюминия, который уже с завода сходит не лучше R90%?

>У диэлектрических поглощение почти 0, но зато очень узкий рабочий диапазон длин волн и углов

Вроде бывают и диэлектрические широкополосные?
Например BB1-E02 у Торлаба:
http://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=139&pn=BB1-E02
И цены не грабительские. R99% в полосе 400-700.
Углы у меня всегда 0 гр - это не пугает.

А вто чего я его пока не очень понимаю, зачем половину зеркал делают дл 45 гр. падения? Это для каких резонаторов?

>Резонаторы из двух плоских зеркал почти никогда не применяются, в крайнем  случае плоским бывает одно из зеркал.

И наверное всегда - глухое?

> В мощных импульсных лазерах вместо глухого зеркала можно поставить элемент на эффекте ВРМБ (вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна)

Про такой эффект даже не слышал, надо будет почитать. Про решетку для сепарации (вместо зеркала) уже понял, красивый прием.

> Зеркала под длины волн типичных лазеров серийно и на заказ производятся в Китае, их нетрудно найти на aliexpress.com.

Я все на ebay смотрю, а про aliexpress не знал - познакомлюсь.
Что еще удивляло (до сих пор), почему все плоские зеркала для лазеров продаются только в глухом варианте. Частично-прозрачных практически нигде нет. Теперь кажется понимаю (если не прав - поправьте). Видимо причина в том, что плоскопараллельные резонаторы почти не используются.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2736
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #20 : 30 Ноябрь 2013, 19:56:14 »
Кстати, сразу вопрос. Есть обычные глухие серебряные широкополосные зеркала с защитным покрытием. Почти все производители имеют их в репертуаре. И как правило для нового зеркала в диапазоне 450-700 заявляется очень хорошее отражение, типа не хуже 97%. Верю. Но вот интересно, как такое серебряное покрытие "под защитой" ведет себя со временем? Как быстро оно станет в этой полосе хуже защищенного алюминия, который уже с завода сходит не лучше R90%?
Сильно зависит от качества изготовления. Те, которые я видел, за несколько лет не испортились, но они были из самых дорогих. Про дешевые не знаю абсолютно ничего.

Цитировать
Вроде бывают и диэлектрические широкополосные?
Бывают, но они чуть-чуть больше поглощают и пропускают, чем узкополосные. Даже у этих - две девятки. У узкополосных чаще три. При многократных отражениях все это возводится в степень, и разница становится весьма существенной. Я делал интерферометры Фабри-Перо на разных зеркалах, так там разница невооруженным глазом видна становится.

Цитировать
А вто чего я его пока не очень понимаю, зачем половину зеркал делают дл 45 гр. падения? Это для каких резонаторов?
Для колец, а также просто для отклонения мощных лучей. Лазер - он длинный, его обычно ставят вдоль стола, а потом зеркалами заворачивают луч на стол. Металлические зеркала на мощном луче сильно греются.

Цитировать
>Резонаторы из двух плоских зеркал почти никогда не применяются, в крайнем  случае плоским бывает одно из зеркал.

И наверное всегда - глухое?
Когда как. Чаще резонатор просто бывает сфера-сфера - проще и надежнее. Сферу-плоскость используют обычно тогда, когда форма зеркала обусловлена технологическими ограничениями. А ограничения не спрашивают, на какое зеркало им быть :)

Цитировать
> В мощных импульсных лазерах вместо глухого зеркала можно поставить элемент на эффекте ВРМБ (вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна)

Про такой эффект даже не слышал, надо будет почитать. Про решетку для сепарации (вместо зеркала) уже понял, красивый прием.
Дифракция света (с обратным отражением) на неоднородностях, созданных в среде самим же лучом. Наблюдается, например, в ацетоне (годится даже растворитель из хозтоваров) при энергиях/мощностях как у небольших импульсных Nd:YAG. В них же и применяется.

А решетка - да, прекрасная идея. Для самодельного лазера на красителях практически безальтернативный вариант. Юстировать просто, перестройку дает, потери маленькие.

Цитировать
Я все на ebay смотрю, а про aliexpress не знал - познакомлюсь.
Китайский вариант eBay - если известно, что вещь делается в Китае, то там она будет дешевле. Некоторые вещи (например, запчасти к сотовым) вообще есть только там.

Цитировать
Что еще удивляло (до сих пор), почему все плоские зеркала для лазеров продаются только в глухом варианте. Частично-прозрачных практически нигде нет. Теперь кажется понимаю (если не прав - поправьте). Видимо причина в том, что плоскопараллельные резонаторы почти не используются.
Так и есть. Плоские зеркала - они для того, чтобы гонять уже вышедший из лазера пучок туда-сюда, ну или чтобы делать длинные зигзагообразные или кольцевые резонаторы. Внутри лазера - сфера, и не в последнюю очередь из-за требований к юстировке.

У высококачественных лазеров в первую очередь резонатор сложный. Если такой лазер разобрать, обычно там даже трудно бывает понять, что зачем стоит и как луч идет. Сложная траектория, куча зеркал, призмы, клинья, всякие дополнительные элементы "чистки" луча вроде эталонов и диафрагм и т.д., одни элементы компенсируют неидеальности других - в общем, действительно сложная конструкция. Особенно если лазер - MOPA (т.е. генератор + усилитель).

Оффлайн diant

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 68
  • Репутация: +3/-0
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #21 : 02 Декабрь 2013, 22:22:05 »
(вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна)

Дифракция света (с обратным отражением) на неоднородностях, созданных в среде самим же лучом. Наблюдается, например, в ацетоне (годится даже растворитель из хозтоваров) при энергиях/мощностях как у небольших импульсных Nd:YAG. В них же и применяется.

Gall, а можно чуток подробнее про этот эффект. Очень интересный.
Я тут прочитал, что в кварце он требует очень мощных полей для проявления. И вообще где бы про него почитать более менее доступно (не армадой формул)? У Звелто что-то ничего про это не нашел...

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2736
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #22 : 02 Декабрь 2013, 23:32:43 »
Что там подробно объяснять без формул, я не знаю, честно говоря. Суть явления в том, что в жидкости или в твердом теле любые движения атомов могут распространяться только в виде волн (по сути, звуковых). Луч лазера вызывает колебание молекул, эти молекулы передаются их соседям и создают звуковую волну. Но поскольку луч лазера действует по всей своей длине, создавая такие волны в каждой точке, то картина волн получается совершенно определенной и "повторяет" структуру луча. Полученные неоднородности образуют периодическую структуру, которая работает как фазовая дифракционная решетка - ну или как многослойное диэлектрическое зеркало, если хотите. От него луч и отражается обратно.

Замечательное свойство ВРМБ - оно сопрягает фазу, т.е. фаза ведет себя с точностью до наоборот по сравнению с обычным отражением. Поэтому ВРМБ "лечит" луч, фаза которого сдвинулась в оптике: отразившись и проходя обратно через ту же оптику, луч восстанавливает первоначальную фазу. Это свойство используется для улучшения когерентности лазеров, особенно в MOPA-схеме.

Еще одно (грубое, но суть отражающее) описание эффекта ВРМБ: луч лазера записывает голограмму самого себя и сам же ее воспроизводит немедленно.

Для ВРМБ лучше всего подходят органические жидкости. Кювета с ацетоном длиной несколько сантиметров прекрасно работает в Nd:АИГ. Тут на форуме даже делали такой лазер, фотки есть.

Оффлайн diant

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 68
  • Репутация: +3/-0
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #23 : 03 Декабрь 2013, 20:32:05 »
Gall, понял, спасибо. Еще буду читать об этом эффекте, может что-то потом по нему спрошу. А пока перехожу в другую тему - есть практический вопрос...

Оффлайн товарищ мышъ

  • Постоялец
  • ***
  • Сообщений: 128
  • Репутация: +11/-2
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #24 : 17 Декабрь 2013, 11:39:33 »
 Читал про лазер на бромиде меди он вроде без резонатора. Это так или я ошибаюсь?
Делай что должен и будь что будет....

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2736
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазеры с резонаторами и без оных
« Ответ #25 : 17 Декабрь 2013, 15:23:34 »
Я видел конструкцию с резонатором, но наверное без резонатора тоже можно сделать. У галогенидов металлов довольно большое усиление.

Лазер на красителях при импульсной лазерной накачке точно можно сделать без резонатора (красителя концентрацию побольше сделать и все), но это не имеет практического смысла. Возиться с пачкающими и капризными жидкостями стоит только ради высокого качества (когерентности, спектра) луча, а высокое качество без резонатора не бывает.

 



SimplePortal 2.3.3 © 2008-2010, SimplePortal