Тема: Стабилизация He Ne лазера Углубленное понимаеие

[we-akri]

Всем привет попался ко мне тута He-NE лазер без брюстеров купленный на ebay то-есть не поляризован так что ли Походу трубка аналог отечественного ЛГН-303
Ну вот я и думаю что надо бы прикрутить систему стабилизации к нему.
В общем все сделал настроил А теперь сижу и думаю что получилось из всего этого

Насколько я понимаю что у лазера есть две ортогональные моды излучения
Однако без стабилизации они самопроизвольно вращаются
Когда я ставил полярик на выход луча лазера, то интенсивность луча падала то сильнее то слабей точка становилась. (полярик я не вращал в этот момент)
То есть очень плавное мерцание и зависло от температуры трубки. если чуть ее охладить трубку просто подув на нее то сразу поляризация менялась.
А если разделить луч бемсплитером то на выходе двух лучей получается что интенсивности тоже меняются.

(РS это зад лазера луч которого проходит через разделитель луча разделяя моды)
Но когда лазер стабилизирован получается что интенсивность луча не падает проходя через полярик даже если я вращаю полярик ничего не меняется
Но что это означает
Что типа горизонтальная и вертикальная мода выстраиваются одна Горизонтом другая вертикалью и получается что-то типа креста?



НО есть ли в таком случае эффект кручения?
Не пойму в чем фишка если взять лазер линейно поляризованный с брюстерами и добавить 1/4 пластинку то там тоже не будет меняться интенсивность луча проходя через полярик
Но так хоть я уверен что там есть эффект кручения, а у стабилизированного что происходит с модами  есть ли там кручение в каком либо понимании?
Что же происходит когда вектора В и Е складываются чуть ли не в ноль с осью X

https://www.youtube.com/watch?v=74CdBqMgtEA&feature=youtu.be

[avrerum]

Да судя по отражению внутри там есть угол Брюстера!Без Брюстера он если не в резонаторе сама трубка, то работать вовсе не будет, небольшое отклонение от угла приведет к срыву генерации!!!
Вот видео посмотрите... https://www.youtube.com/watch?v=Byt4Ktwydi8

[we-akri]

Это вы к тому что не существует вообще без брюстерных лазеров? без брюстера не будет генерации луча.
Я думал что с брюстерами лазер это линейно поляризованый 500:1
А без брюстеров это Random поляризация.

[avrerum]

Без Брюстера отпаянных отдельно от зеркал-нет!Потери критические будут если окна не будут соответствовать углу.Если-же трубка с зеркалами отпаяна-то там нет необходимости в окнах!

[we-akri]

вот трубка модели моего лазера

[avrerum]

Ну и зачем там окна Брюстера если там зеркала помещены в активную среду сразу???Окна ставят где отдельно трубка от зеркал стоит...а здесь они впаяны в трубку!Окна стаят что-бы снизить потери внутри резонатора ибо ге-не лазер имеет маленький коэффициент усиления и нужно что-бы излучение без потерь многократно проходило сквозь среду.И выходное зеркало поэтому имеет большой коэффициент отражения!

[Gall]

Но так хоть я уверен что там есть эффект кручения, а у стабилизированного что происходит с модами   есть ли там кручение в каком либо понимании?

Это очень просто. Если наложить две плоских волны ОДИНАКОВОЙ длины, получается круговая поляризация. Круговая поляризация И ЕСТЬ крест, образованный одинаковыми длинами волн. Когда волны в таком кресте складываются, получается то же самое, что и вращение. Посмотрите, как в трехфазной электросети из трех синусоид получается "вращение" - очень похожая ситуация.

Но если наложить две плоских волны РАЗНЫХ длин волн, круга не получится. Волны не будут иметь постоянную разность фаз, и в сумме вместо равномерного вращения в одну сторону будет получаться "хаотичное" болтание туда-сюда с частотой, равной разности частот колебаний (которая может еще и непостоянна). Разность частот большая - гигагерцы, поэтому колебаний вы не увидите, а увидите "неполяризованный" луч.

Короче, это то же самое, что всегда говорили про интерференцию: взаимно когерентные лучи интерферируют, некогерентные - нет. Образование круговой поляризации - это частный случай интерференции.

Картинка - неправильная. На ней одна плоская поляризация.

В гелий-неоновом лазере достаточно большой длины получается две моды. Эти две моды ВСЕГДА образуют крест; причина - за генерацию разных поляризаций отвечают разные атомы газа, одна мода забирает себе все "свои" атомы, и второй моде приходится работать на том, что не взяла первая. Эффект называется "выжигание дырок" (см. Звелто).

В трубках такого типа окон Брюстера НЕТ. Окна используют либо для того, чтобы сделать внешние зеркала (чтобы избежать контакта зеркала с газом трубки), что позволяет зеркала двигать или совать внутрь резонатора разные вспомогательные элементы. Либо для того, чтобы фиксировать поляризацию, поскольку окно - это слабенький поляризатор, и в лазере он неминуемо затягивает генерацию на себя. Окно Брюстера ИСКЛЮЧАЕТ возникновение двух перекрестных мод.

В лазере без Брюстера поляризация, как правило, ЛИНЕЙНАЯ. Такая же, как в лазере с Брюстером. Разница в том, что с Брюстером она направлена строго туда, куда повернуто окно, а в лазере без - крутится случайным образом, в основном с температурой лазера. Причем вращение - это не столько вращение, сколько исчезновение одних мод и возникновение других, возможно с другой поляризацией и длиной волны. На этом и основана стабилизация. Регулируя эту температуру, подгоняют направление поляризации под желаемое. Одновременно фиксируется и длина волны, которая тоже связана с теми же параметрами.

Просто наблюдение через поляризатор НЕДОСТАТОЧНО, чтобы делать выводы. Отличить круговую поляризацию от неполяризованного света так невозможно. Надо проверить поляризацию четвертьволновой пластинкой, а спектр самого лазера надо смотреть на Фабри-Перо. Ключевая особенность стабилизированных лазеров - у них спектр не прыгает. Именно это и покажет интерферометр. А поляризация - дело десятое, поляризованный свет можно получить гораздо проще без всяких лазеров, как в 19-м веке и делали.

Без Брюстера отпаянных отдельно от зеркал-нет!

Однако в отпаянных окно иногда БЫВАЕТ в качестве поляризующего элемента. Сейчас не используется, встречал только в литературе, вживую не видел никогда. Зафиксировать поляризацию другими способами легче, благо в He-Ne достаточно долей процента разницы, чтобы поляризация определилась. Как раз из-за малого усиления.

[Gall]

Вообще круговую поляризацию понять легче всего через механику. Посмотрим сбоку на маятник, который движется по кругу (описывет конус). Что мы увидим в проекции? Увидим обычное колебание по синусоиде. В другой проекции - такое же колебание, но сдвинутое на четверть периода. Круговое движение эквивалентно двум колебаниям в разных плоскостях с одной частотой и со сдвигом фазы на 90 градусов.

Если сдвиг фазы не равен 90 градусам, вместо круга получится эллипс. Если он 0 или 180, эллипс вырождается в прямую (т.е. два синусоидальных колебания в разных плоскостях без сдвига фаз равноценны точно такому же колебанию по диагонали).

Если частоты колебаний близки, но неравны, получается постоянно меняющаяся картина: круг - эллипс - линия - эллипс - круг в другую сторону. Скорость этих изменений есть разность частот. Совпадение частот - частный случай: разность частот равна 0, скорость изменений равна 0, картина неподвижна (см. выше).

Если частоты колебаний далеки (у мод лазера они достаточно далеки), картина меняется так быстро, что о ней не имеет смысла говорить. В таком случае просто рассматриваем колебания отдельно как независимые и не пытаемся их суммировать. (Хоть физически это ничем и не отличается от прошлого случая, практически мы не успеваем увидеть ни прямую, ни круг, а видим только общую смесь.) В лазере скорость изменений - порядка гигагерца, фотодиоды так быстро не работают.

См.: фигуры Лиссажу.

"Неполяризованного" света в природе не существует вообще. "Неполяризованный" свет - это сумма большого количества лучей, поляризованных как попало и, возможно, меняющих свои интенсивности как попало.  Получается в целом примерно то же, что и от двух лучей, но еще более хаотично - почти "истинно случайно", а с учетом квантовой неопределенности может и действительно истинно случайно. Принцип тот же, что и у образования белого света из отдельных длин волн, только не по частоте, а по поляризации.

[we-akri]

Мда... как то все сложновато это звучит
Из всего выше я понял что мой лазер не имеет окон брюстера.

Круговая поляризация И ЕСТЬ крест

А тут насколько я понял все таки когда лазер стабилизируется там можно сказать что есть некое кручение
Да это понятно надо все тщательно проверять но... не особо мне это надо.

И теперь еще один вопрос как можно применить стабилизированный лазер.
Я просто посмотрел цены на стабилизированные и малость сказать .......  Цены на них по 5000Евро
А теперь вот и думаю в чем же фишка стабилизации и как это можно использовать в домашних условиях.
Что можно сделать интересного с таким лазером?

[Gall]

Мда... как то все сложновато это звучит

Это то, что раньше в школе проходили на уроках черчения. Хорошо себе представлять, как выглядят проекции движения с разных сторон. Если сверху мы видим вращение, то спереди и сбоку это выглядит как колебание. Движение шарика по кругу начертить в трех проекциях. Ничего другого тут не происходит.

Когда мы смотрим поляризацию излучения, мы на самом деле видим не саму поляризацию, а ее проекцию на поляризатор. Из этого прямо следует закон Малюса и все остальное. Закон Малюса тоже выводится просто методами школьного черчения. Найти проекцию отрезка, если отрезок виден под косым углом.

А тут насколько я понял все таки когда лазер стабилизируется там можно сказать что есть некое кручение

Скорее перераспределение мощностей. Стабилизатор выставляет определенное (желаемое) соотношение мод излучения.

Я просто посмотрел цены на стабилизированные и малость сказать .......  Цены на них по 5000Евро
А теперь вот и думаю в чем же фишка стабилизации и как это можно использовать в домашних условиях.
Что можно сделать интересного с таким лазером?

В домашних - очень мало, сам по себе такой лазер почти бесполезен без других точных приборов, которые стоят не меньше. Плюс требуется умение математически обрабатывать результаты.

А в лабораториях это просто измерительный инструмент. Можно сказать, точная линейка. Длина волны излучения остается строго постоянной, причем долгое время - при желании даже недели и месяцы. Используя длину волны лазера в качестве эталона расстояния, можно наблюдать очень малые изменения расстояний со временем. Гелий-неоновые лазеры в лабораториях обычно именно так и применяются: в качестве линейки и не более того. Даже обычный, нестабилизированный лазер позволяет измерить такие вещи, как, например, изгиб толстой стальной рельсы от надавливания на нее пальцем. Или, скажем, показатель преломления воздуха - его отличие от единицы ничтожно, но для оптики вполне обнаружимо. (Строго говоря, это можно измерить и без лазера, но надо городить монохроматор с дуговой лампой, что слишком сложно для большинства любителей.) А со стабилизированным лазером точность возрастает в разы - настолько, что объектом измерений может быть, например, изменение длины волны какого-нибудь другого излучения. Или теория относительности, вещи вроде лазерных гироскопов. (Тут, правда, может потребоваться помощь сварщика, чтобы сделать достаточно жесткую раму.)

Так-то для домашней лаборатории достижимо очень многое, упирается обычно в недостаток места. Кто может позволить себе для лаборатории отдельную комнату, а лучше - подвал в частном доме, тому повезло. В таких условиях можно получить даже термоядерную реакцию или жидкий азот в промышленных количествах. В жилой квартире возможностей сильно меньше, вакуумную установку уже поставить некуда, а про вещи вроде газовых стеклодувных горелок лучше забыть сразу. Но иметь хороший осциллограф, точный мультиметр (старенький HP 34401a), маленький песочный стол для оптики и реактивы для проявления фотопленок - вполне можно.