Режим модулированной добротности

 

Излучением лазера можно управлять путем изменения добротности резонатора таким образом, что вместо серии маломощных импульсов (пичков) будет излучаться единичный импульс большой мощности (гигантский импульс).

Рис.2.17. Оптическая схема лазера в режиме модулированной добротности резонатора; М –модулятор (оптический затвор).

Режим управляемой или модулированной добротности характеризуется тем, что накачка происходит при "закрытом" резонаторе, когда добротность Q низка и не выполняются условия самовозбуждения. При достижении максимальной инверсной населенности (почти все активные атомы переведены на метастабильный уровень) (рис.2.18), резонатор быстро открывается и наступает одноимпульсная генерация.

Рис.2.18. Временные диаграммы процессов в лазере для режима модулированной добротности, Q -добротность резонатора, Pн - форма импульса накачки, ∆-инверсная населенность, Рвых - форма импульса генерации.

Следует подчеркнуть, что модуляция добротности не дает выигрыша в энергии, а лишь дает выигрыш в мощности генерации.

Для управления добротностью резонатора используют быстродействующие оптические модуляторы (при медленном изменении Q возможно формирование не одного, а нескольких импульсов).

Известны две группы методов управления добротностью: пассивная и активная модуляция потерь резонатора.

Самый распространенный пассивный модулятор добротности использует насыщающийся поглотитель, который поглощает излучение на длине волны излучения лазера. Например, пассивный способ модуляции, основанный на изменении пропускания некоторых красителей под действием мощного светового излучения. Принцип его показан на рис.2.19. Внутрь лазерного резонатора помещен раствор красителя, поглощение которого заметно уменьшается при увеличении интенсивности излучения. Этот эффект часто называют просветлением. Первоначальная добротность резонатора невелика, поскольку кювета заполнена раствором красителя, максимум поглощения которого приходится на рабочую частоту лазера. Когда активное вещество лазера (например, рубин) достигнет высокого уровня возбуждения, лазерная генерация начинается даже в условиях сниженной добротности резонатора. Интенсивное лазерное излучение просветляет краситель, что приводит к резкому повышению добротности резонатора. Если, например, вначале коэффициент пропускания кюветы составляет 0,25, а после просветления красителя возрастает до 1, то эффективный коэффициент отражения от зеркала с нулевым пропусканием возрастает от 0,14 до 1 (в предположении, что коэффициент отражения зеркала равен единице).

Рис.2.19. Схема пассивного способа модуляции добротности с помощью красителя, просветляющегося под действием интенсивного светового потока.

 

Необходимым условием для просветления красителя является совпадение энергетических уровней активного элемента (АЭ) и красителя. В начальный момент при излучении АЭ краситель будет поглощать свет. По мере увеличения накачки краситель начинает просветляться, добротность систем восстанавливается. Когда состояния N₁ и N₂ красителя будут заселены одинаково (рис.2.20), происходит полное его просветление (раствор красителя полностью прозрачен) и наступает одноимпульсная генерация.

Рис.2.20.Энергетические уровни АЭ и красителя.

 

После просветления красителя лазер излучает одиночный импульс длительностью 30-45 нс и мощностью порядка 10⁹ Вт. В качестве красителя для рубинового лазера широко применяют криптоцианин (карбоцианиниодид) или фталоционин ванадия, растворенные в таких веществах, как метиловый спирт, нитробензол, формальдегид. Для стеклянного или кристаллического неодимового лазера пригодны полиметиновые красители.

В качестве поглотителей также используются твердые и газообразные вещества.

При активной модуляции добротности используются:

а) Оптикомеханический метод (вращающаяся призма полного внутреннего отражения или вращающееся зеркало).

Наиболее распространенный оптикомеханический способ модуляции добротности состоит во вращении одного из зеркал лазерного резонатора вокруг оси, перпендикулярной оси резонатора. В этом случае условие высокой добротности достигается в тот момент, когда вращающееся зеркало проходит положение, в котором оно параллельно второму зеркалу резонатора. Для того чтобы ослабить требования к юстировке, вместо зеркала устанавливают 90⁰-ную пентапризму, у которой ребро прямого угла перпендикулярно оси вращения. Такая призма имеет следующее свойство: если свет распространяется в плоскости, перпендикулярной ребру прямого угла, то отраженный свет всегда параллелен падающему, независимо от вращения призмы относительно ребра. Это гарантирует то, что соосность между призмой и вторым зеркалом резонатора в плоскости, перпендикулярной ребру прямого угла, достигается в любом случае. При этом эффект вращения призмы заключается в том, чтобы условие соосности выполнялось в другом направлении.

 

Рис.2.21.Схема модуляции добротности с помощью вращающейся

призмы.

 

Поджиг импульсной лампы накачки лазера производится с опережением (обычно несколько сотен микросекунд) относительно момента достижения максимальной добротности резонатора. Это опережение легко регулируется с помощью вспомогательного источника света (рис.2.21), который объединен с детектором светового сигнала, отраженного от призмы. Электрический импульс с детектора (в качестве детектора обычно служит фотодиод) включает систему поджига, инициирующую сильноточный разряд в лампе. Модуляция добротности с вращающейся призмой является простыми и недорогими устройствами и могут быть изготовлены для любой длины волны. Однако они весьма зашумлены и, как правило, обеспечивают медленную модуляцию добротности вследствии того, что скорость вращения зеркал имеет ограничения.

б) Электрооптический метод (электрооптическая модуляция с ячейкой Покельсаили ячейкой Керра).

в) Акустооптический метод

В лазерах с модулированной добротностью длительность лазерного моноимпульса составляет величину от единиц до десятков наносекунд.

Режим синхронизации мод

Рассмотрим идею метода синхронизации мод для генерации сверх коротких световых импульсов. Исключим из рассмотрения в оптической схеме лазера все отражающие поверхности, кроме двух поверхностей зеркал, образующих резонатор. Тогда спектр продольных мод ОР имеет вид, показанный на рис. 2.22 и состоит из равноудаленных монохроматических линий, расположенных на расстоянии ∆ω=πc/L друг от друга.

Рис.2.22.Спектр собственных мод ОР: ω_q -собственная частота,
E_q -амплитуда q -колебания, ∆ω - расстояние между соседними линиями.

 

Пунктирной линией показана люминесцентная линия активного элемента.

Если в резонаторе возбуждается (N+1) мод, попадающих в полосу усиления люминесцентной линии, то ширина спектра генерации составит:

∆ω_ген=N∙∆ω.

Результирующее колебание в резонаторе можно представить в виде:

(2.5)

где E₀ - амплитуда, -частота, φ_q - фаза q-го колебания.

Рассмотрим два случая:

а) Фазы колебаний отдельных составляющих случайны.

Результатом суммирования (2.5) является простое сложение амплитуд (интенсивностей) отдельных гармонических колебаний: т.е. .

б) Режим синхронизации мод

Под синхронизацией мод понимают процесс, в результате которого разность фаз между соседними типами колебаний (модами) остаются постоянными φ_q+1-φ_q=φ. Выполнение условия синхронизации мод приводит к их взаимной интерференции и результатом сложения является упорядоченная последовательность коротких импульсов (рис.2.23). При этом длительность отдельного импульса Dt обратно пропорциональна ширине спектра генерации, т.е. Dt= , а период следования импульсов равен T=2L/c.

Рис.2.23. Форма колебания E(t) в режиме синхронизации мод.

На рис. 2.24 приведена схема твердотельного лазера в режиме пассивной синхронизации мод. Для устранения селектирующих поверхностей используются клиновидные зеркала, торцы активного элемента отполированы под углом Брюстера, кювета с красителем установлена под некоторым углом к оси лазера.

 

Рис.2.24. Схема т/т лазера с пассивной синхронизацией мод;

М – модулятор (кювета с просветляющимся раствором красителя),

АЭ- активный элемент, З₁, З₂-клиновидные зеркала.

 

В такой системе возникает многочастотная генерация со спектральной шириной, близкой к действительной ширине люминесцентной линии данного лазерного перехода.

Таким образом, синхронизация фаз продольных мод позволяет получить в твердотельных лазерах импульсы лазерного излучения длительностью 10^-10.. 10^-12 сек с пиковой мощностью до 10¹² Вт. Такие световые импульсы называются сверхкороткими (или ультракороткими). Разработаны такие методы активной синхронизации мод, при которой потери или усиление лазера модулируются внешним управляющим сигналом.

Рис.2.25. Активная синхронизация с помощью акустооптического

модулятора.

Для этой цели используются акустооптические (рис.2.25) или электрооптические модуляторы, управляемые высокочастотным электрическим сигналом.

 

 

Газовые лазеры