Режим модулированной добротности

Режим модулированной добротности реализуется при импульсной работе лазера, когда за сравнительно большой промежуток времени за счет энергии накачки происходит значительное накопление частиц на верхнем рабочем уровне активного вещества, а излучение происходит в виде очень коротких импульсов с высокой пиковой мощностью («гигантских» лазерных импульсов).

Для предотвращения лазерной генерации в процессе накачки в резонатор вводятся элементы (затворы), управляющие его добротностью. Затворы по сути дела управляют моментами времени, когда начинают выполняться условия самовозбуждения лазера (баланса амплитуд и фаз). В качестве элементов, управляющих добротностью резонатора, используются механические, электрооптические и пассивные затворы. После того как населенность верхнего рабочего уровня достигнет достаточно больших значений, затвор выключается, добротность резонатора резко возрастает и реализуются условия, необходимые для развития мощного короткого импульса излучения. Лазеры с управляемой добротностью позволяют получить импульсы света с длительностью 10~⁷…10^-9с и менее при пиковой мощности излучения до 10¹² Вт.

Рис. 20.17.

Диаграммы, поясняющие процессы в лазере с модулированной добротностью, представлены на рис. 20.17, где показаны временные зависимости мощности источника накачки Р_н (рис. 20.17, а), изменения добротности С? (рис. 20.17, б), населенности верхнего уровня рабочего перехода ЛГ₂ (рис. 20.17, в) и мощности излучения лазера Р_иал (рис. 20.17, г). За счет введения затвора к моменту включения источника накачки существенно увеличиваются потери в резонаторе, т. е. его добротность оказывается низкой, а поэтому пороговая населенность верхнего рабочего уровня Аммане будет существенно превышать пороговую населенность М_{2 пор} в отсутствие затвора. Таким образом, генерация не может возникнуть при 1: < при, данной мощности накачки Р_н. В результате под действием источника накачки будет продолжаться накопление активных частиц на верхнем уровне. Через некоторое время (см. рис. 20.17, б) населенность ^ достигнет максимального значения (^2 макс)^для данной мощности накачки Р_и.

Приближенно можно считать, что вся энергия, которая в режиме свободной генерации излучалась пичками, к моменту будет накоплена в активном элементе.

В момент когда А^₂ = М_2макс затвор выключается, добротность С? резко возрастает до величины (?_макс, причем при этой возросшей добротности N2 _макс N_{2 пор}, где Ы_{2 пор} — пороговая населенность верхнего лазерного уровня для возросшей добротности оптического резонатора. В результате с момента при выключении затвора происходит лавинообразное нарастание мощности лазерного излучения. Вся запасенная на рабочем лазерном переходе энергия излучается в одном коротком импульсе. Исследования показывают, что длительность импульса лазерного излучения в режиме модулированной добротности примерно на два порядка меньше длительности каждого пичка при свободной генерации.

Таким образом, в режиме свободной генерации, когда в течение всего импульса накачки остается постоянной высокая добротность резонатора (2 = (?_макс (затвор отсутствует), лазерная генерация начинается как только инверсная населенность достигает порогового значения пор (например, в момент времени * (см. рис. 2.17, в). Поэтому для формирования каждого пичка свободной генерации используется существенно меньшая энергия накачки, чем в режиме модуляции добротности, вследствие чего эти импульсы имеют гораздо меньшую мощность и большую длительность. Режим модуляции добротности применяется не только при импульсной накачке, его можно использовать и при непрерывной накачке для получения последовательности коротких лазерных импульсов. Физические процессы будут такими же, как и при импульсной накачке. При включении затвора происходит накопление частиц на верхнем лазерном рабочем уровне (аналогично режиму модулированной добротности при импульсной накачке); после выключения затвора формируется мощный короткий импульс излучения, затем процессы повторяются.

В режиме модулированной добротности на характеристики излучения лазера существенное влияние оказывает скорость изменения добротности резонатора посредством управляющего элемента при переходе его из закрытого в открытое состояние. Экспериментальные исследования показывают, что при низкой скорости изменения добротности вместо одного импульса может излучаться пачка импульсов с убывающей во времени амплитудой. Такая структура лазерного излучения связана со свойствами индуцированных излучательных переходов. Многоимпульсная генерация в режиме модулированной добротности является нежелательным явлением из-за ухудшения характеристик лазерной системы. Для получения одноимпульсного излучения необходимо изменять добротность резонатора таким образом, чтобы она принимала установившиеся значения после окончания формирования первого импульса, т. е. управляющий элемент должен полностью изменять добротность резонатора за время, соизмеримое с длительностью генерируемого импульса (т²⁵⁵10-⁷ … 10~⁹ с).

Охарактеризуем наиболее типичные методы модуляции добротности лазеров.

Механические методы. Для реализации режима модуляции добротности используется метод, основанный на механическом вращении одного из зеркал резонатора. В механических затворах обычно используется не плоское или сферическое зеркало, а треугольная призма с полным внутренним отражением. Возбуждение колебаний в таком резонаторе возможно лишь в интервалы времени, когда угол между плоскостями зеркал не превышает нескольких угловых минут. Время переключения добротности 10~⁷ с можно реализовать при скоростях вращения призмы ~ 30 000 об/мин. Включение лампы накачки синхронизируется с вращением зеркала. Разряд в лампе начинается за время ^ до того, как зеркало придет в положение, соответствующее максимальной добротности резонатора. Использование призмы полного внутреннего отражения вместо плоского зеркала вызвано тем, что небольшие случайные колебания призмы вокруг горизонтальной оси не сказываются на работе лазера, что очень важно при эксплуатации такого затвора.

Электрооптические методы. Электрооптические затворы (модуляторы, (^-затворы) работают на основе использования эффекта двойного лучепреломления, возникающего под воздействием электрического поля в некоторых изотропных жидкостях (эффект Керра) и твердых кристаллах (эффект Поккельса). Существует несколько схем устройства такого типа (? затворов. Одной из наиболее распространенных является схема, в которой внутрь резонатора вдоль его оси между активной средой и зеркалом помещают электрооптический элемент Керра или элемент Поккельса, а за ним в непосредственной близости от зеркала — поляризатор. При подаче на электрооптический элемент постоянного напряжения определенной величины с вектором напряженности поля, направленным под углом в 45° по отношению к плоскости поляризации лазерного излучения, за счет эффекта двойного лучепреломления происходит суммарный поворот плоскости поляризации этого излучения на 90°. Поляризатор обычно ориентируют таким образом, чтобы он пропускал излучение свободной генерации (напряжение на электрооптическом элементе отсутствует), а излучение, поляризованное в перпендикулярной плоскости, задерживал, т. е. затвор закрыт при наличии соответствующего напряжения на электрооптической ячейке. За время, пока затвор закрыт, источник накачки создает наибольшую степень инверсной населенности в активном материале. После этого напряжение с электрооптического элемента практически мгновенно снимается, добротность резонатора резко возрастает и возникает сверхмощный импульс излучения.

В качестве электрооптической среды в затворах широко применяются нитробензол (ячейка Керра) и кристаллы дигидрофосфата калия (КЭР) и рубидия (КЭР) (ячейка Поккельса). К достоинствам электрооптических затворов следует отнести высокое быстродействие (~ 10 ¹⁰ с), высокую стойкость к воздействию мощного оптического излучения, отсутствие подвижных частей и возможность электрического управления.

Фототропные управляющие затворы. Такие затворы представляют собой нелинейную оптическую среду, для которой коэффициент поглощения существенно уменьшается при возрастании проходящего через нее излучения. Наиболее часто в этом случае применяют просветляющиеся красители. Эффект просветления определяется переходом поглощающих молекул красителя в возбужденное состояние и связанным с этим уменьшением показателя поглощения. Этот тип модуляторов является пассивным в отличие от первых двух.