CBRR1783 (Измерение параметров лазеров), страница 9

Рисунок 0.3 Повышение точности измерения ненасыщенного усиления основной активной среды 2 (длиной l₀) при двухэтапном методе

Возможность (по крайней мере, потенциальная) повышения точности измерения коэффициента усиления активных сред позволяет рассмотреть особенности зависимости коэффициента усиления от частоты и по поперечному сечению активного элемента. В связи с тем, что зависимость коэффициента усиления активной среды от частоты в производственных условиях не измеряется (ввиду чрезвычайной сложности таких экспериментов как в методическом, так в чисто техническом плане), остановимся лишь на том, какой же, собственно, коэффициент усиления активной среды измеряется компенсационным методом. В зависимости от вида уширения спектральной линии рабочего (лазерного) перехода различают, как известно, однородное уширение и неоднородное. При однородном (и близком к нему) уширении, когда Dn_одн³Dn_неод зависимость ненасыщенного коэффициента усиления от частот (в пределах полуширины линии ) практически отсутствует, т.е. k₀(n)@k₀(n₀), где n₀ — частота в центре спектральной линии. Типичным примером такой активной cреды является гелий-неоновая смесь, генерирующая на длине волны l_ген=З.39 мкм.

Ситуация существенно меняется при неоднородном уширении (Dn_од>>Dn_неод), характерном для большинства серийных лазерных сред. Типичный вид зависимости удельного коэффициента усиления от частоты описывается гауссоидой:

k₀(V)=k₀(V₀)exp[-(V-V₀)²/(DV_c)²], где — величина неоднородного уширения на уровне 0.707 (Dn_неод — соответственно на полувысоте). В этом случае, с помощью компенсационного метода измеряется коэффициент усиления на частоте генерации n_ген@n₀, причем степень приближения частоты генерации n_ген к центру спектральной линии определяется частотным интервалом Dn_рез=c/2L_опт через который расположены продольные моды в резонаторе (с оптической длиной L_опт) измерительного лазера. Поскольку L_опт обычно достаточно велика и, соответственно, Dn_рез£Dn_одн, то даже в случае неоднородного уширения коэффициент усиления, измеряемый компенсационным методом, соответствует центру спектральной линии, т.е. k₀@ k₀(n₀).

Несколько сложнее обстоит дело с учетом распределения инверсной населенности (и, соответственно коэффициента усиления) по поперечному сечению активной среды. Особенности создания инверсии как возбуждения ВРУ, что более характерно для оптической накачки, так и расселения НРУ, существенного для газовых активных сред, приводят к заметно неравномерной зависимости коэффициента усиления от поперечных координат x, y. В рубиновых и ИАГ стержнях это дополнительно усугубляется неравномерным распределением легирующей примеси соответственно Cr₂O₃ и Nd₂O₃ по поперечному сечению кристаллической заготовки стержня (були). В силу этого (в лабораторных условиях) иногда требуется получить зависимость k₀(x,y), для чего достаточно модифицировать установку, работающую по методу калиброванных потерь, точнее, ее резонатор.

В простейшем варианте в резонатор вводится круглая (желательно, ирисовая) диафрагма, ограничивающая поперечное сечение генерирующего пучка. Очевидно, что в упрощенной измерительной установке (без вспомогательной активной среды) дифракционные потери, вносимые диафрагмой, не долины превышать 0.1%. При использовании вспомогательной активной среды (рис.З.4) можно использовать диафрагму с большими дифракционными потерями, что улучшит селекцию высших поперечных мод, но не изменит размер пятна и, соответственно, разрешающую способность при снятии поперечного распределения k₀(x,y).

Построение искомой зависимости k₀(x,y) проводится по точкам k(x_i,y_i), соответствующим отдельным замерам k₀ при разных (поперечных) положениях измеряемой активной среды относительно оптической оси измерительного лазера. Смещать вспомогательную активную среду и проводить подъюстировку резонатора при этом, нельзя, так как это приведет к погрешностям измерения. Поэтому желательно использовать спаренный компенсатор (как показано на рис.3.4), а одиночную пластинку аттенюатора устанавливать обязательно у плоского зеркала резонатора измерительного лазера.

Рисунок 0.4 Схема измерительной установки для снятия зависимости коэффициента ненасыщенного усиления от удаления x с геометрической оси активной cреды; c геометрической оси активной среды; диафрагма Д сужает зондирующий пучок до минимального размера, соответствующего основной (ТЕМ_¥) моде.

В заключение остановимся на некоторых особенностях ~измерения ненасыщенного усиления активных сред, возбуждаемых в импульсном режиме. Очевидно, что в этом случае желательно (а в ИК и УФ диапазонах излучения обязательно) использование фотоэлектрической регистрации порога генерации. Сигнал с фотоэлектрического приемника с постоянной времени, существенно меньшей длительности импульса накачки, удобно просматривать на двухлучевом осциллографе, ждущая развертка которого запускается импульсом накачки.

Используя такой комплект аппаратуры, можно промерить не только максимально создаваемую в измерительной активной среде инверсную населенность (в действительности — ненасыщенный коэффициент усиления), но и зависимость k₀(t) при воспроизводимой (от импульса к импульсу) интенсивности накачки. Естественно, при этом предполагается (и практически всегда выполняется на практике) постоянство формы импульса накачки. Зависимость k₀(t) строится по серии экспериментов: для различных значений вносимых в резонатор измерительного лазере потерь a_i фиксируется момент времени t_i (отсчитываемый от момента включения импульса накачки), когда возникает генерация.

3.2.2 Измерение усиления активной среды прямым методом.

Рисунок 0.5 Измерение насыщения в проходном лазерном усилителе длиной l₀ — к вопросу измерения усиления прямым методом

Сущность данного метода тривиальна и заключается в построении зависимости коэффициента усиления активной среды K=I_вых/I_вх от интенсивности входного сигнала I_вх (рис.3.5), величина которого регулируется с помощью (клинового) аттенюатора О_сл, уменьшающего интенсивность вспомогательного лазера I_лаз, интерференционный фильтр ИФ и диафрагма Д уменьшают уровень фоновой засветки. Экстраполируя экспериментальную зависимость K(I_вх) к бесконечно малым I_вх (<<bS_хр), можно получить ненасыщенный коэффициент усиления K₀=K(0); поскольку измерения проводятся обычно с активной средой, работающей в режиме проходного усилителя, когда K₀=exp(l₀k₀), то, очевидно, ненасыщенный коэффициент усиления . Следует отметить, что непосредственно данный метод редко используется на практике в связи с невысокой точностью измерений, обусловленной при небольших усилениях погрешностями определения K из-за шумов измерительной схемы, а при большом усилении — экстраполяцией K(I_вх) в область малых входных сигналов. С другой стороны, ара атом при этом появляется возможность (по крайней мере в первом приближении) определить параметр насыщения b, для чего следует сравнить полученную зависимость K(I_вх) с расчетной (при том же виде уширения).

Можно проще получить значение параметра насыщения b, используя измерительный лазер с калиброванными потерями и измеритель плотности энергии U в резонаторе. Эту плотность легко вычислить, измеряя мощность, выходящую через одно из "глухих" зеркал резонатора, по формуле U=2P/tcSэф. Очевидно, что в измерительном

1.1 Измерение пространственного распределения энергии в лазерном пучке

1.2 Измерение поляризации лазерного пучка

2. ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ И КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1 Влияние параметров лазера на когерентность его излучения

2.2 Интерферометры для измерения спектра лазерного излучения

2.3 Измерение частоты лазерного излучения методом фотобиений

3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГЛАВНЫХ КОМПОНЕНТОВ ЛАЗЕРА

3.1 Компенсационный метод измерения потерь или усиления лазерных компонентов

3.2 3.2. Измерение усилия активной среды

3.2.1 Измерение ненасыщенного усиления методом калиброванных потерь.

3.2.2 Измерение усиления активной среды прямым методом.