Установка для регистрации коротких лазерных импульсов основной и удвоенной частоты неодимового лазера, страница 3

1. Режим модуляции добротности

Свойство оптического резонатора сохранять энергию электромагнитных колебаний принято характеризовать добротностью. Добротность резонатора определяется отношением средней накопленной в резонаторе энергии W к величине потерь энергии за период световых колебаний ΔW_T

Q = 2πW / ΔW_T

Лазер с модулированной добротностью является специальным устройством для генерации высокой импульсной мощности. Для достижения высокой импульсной мощности могут применяться различные типы лазеров, однако на практике используются преимущественно твердотельные лазеры. Физические принцип модуляции добротности лазера заключается в том, чтобы допустить развитие генерации лазерного излучения лишь тогда, когда достигается максимум инверсной населенности, создаваемой излучением накачки, и, следовательно, генерация лазерного излучения происходит с начальным усилением, намного большим порогового значения. Такой режим работы можно обеспечить с помощью расположенного внутри резонатора затвора, который лишь тогда открывается для прохождения оптического излучения, когда достигается максимум инверсии населенности. Потери и добротность резонатора регулируются. Затем по сигналу извне уровень потерь, а следовательно, и порог генерации быстро понижаются до минимального возможного значения; в результате начальная величина инверсной населенности оказывается существенно выше нового порога, отвечающего малым потерям. В этих условиях вместо последовательности пичков, высвечивается единичный короткий световой импульс большой мощности. Этот метод позволяет получать лазерную генерацию в виде коротких импульсов с длительностью, сравнимой со временем жизни фотона в резонаторе (от нескольких наносекунд до десятков наносекунд) и с высокой пиковой мощностью (порядка мегаватт). [4]

Различают внешнюю и внутреннюю модуляцию. В первом случае (рис. 6а) модулятор находится вне резонатора и осуществляет модуляцию излучения, генерируемого лазером. Во втором случае (рис. 6б) модулятор находится внутри резонатора, изменяя его свойства и осуществляя модуляцию генерируемого излучения.

Рис. 6. Внешняя (а) и внутренняя (б) модуляция лазерного излучения

Для реализации рассматриваемого режима генерации помещают в резонатор лазера модулятор, управляемый внешним сигналом. Под воздействием сигнала модулятор быстро изменяет уровень вредных потерь в резонаторе. Обычно модулятор работает как управляемый оптический затвор; под воздействием внешнего сигнала изменяется пропускание затвора, а следовательно, и потери в резонаторе. Если затвор открыт, то потери низки (добротность высока); если затвор заперт, то потери высоки (добротность резонатора низка).

Рис. 7. Форма коротких импульсов в режиме модуляции добротности

Соседние максимумы разделены временным интервалом:

Δt = 2L / ν

Длительность импульса τ_u такого же порядка, что и Δτ (см. рис. 7). Следовательно, чем шире спектр излучения лазера, тем короче импульс излучения. [5]

Существует несколько методов, разработанных для переключения добротности резонатора лазера: электрооптические затворы; вращающиеся призмы (механические устройства); акустооптические модуляторы добротности; насыщающиеся поглотители.

Упомянутые устройства можно разделить на две группы – активные и пассивные модуляторы добротности. В активных модуляторах для осуществления модуляции необходимо выполнить некоторое «внешнее» воздействие по отношению к модулирующему устройству (например, изменить напряжение, приложенное к электрооптическому затвору). В пассивных модуляторах переключение добротности осуществляется автоматически вследствие оптической нелинейности используемой среды (насыщающийся поглотитель). [6]

Подробнее рассмотрим метод пассивной модуляции добротности, т. к. в нашей работе будет реализовываться метод пассивной модуляции добротности посредством Пассивного Лазерного Затвора (ПЛЗ) на основе твердотельного насыщающегося поглотителя LiF:F₂.

Весьма распространен и очень прост пассивный метод модуляции Q резонатора, основанный на изменении пропускания некоторых красителей под действием мощного светового излучения. Единственным необходимым элементом является насыщающийся поглотитель, помещенный в резонаторе между активным элементом и полностью отражающим зеркалом. Основным недостатком этого метода является фотохимическая деградация насыщающегося поглотителя (особенно красителей). [3]

Внутрь лазерного резонатора помещен насыщающийся поглотитель, поглощение которого заметно уменьшается при увеличении интенсивности излучения. Этот эффект называют просветлением. Насыщающийся поглотитель состоит из материала, который поглощает излучение на длине волны лазера и который обладает низким значением интенсивности насыщения. Во многих случаях он используется в виде кюветы, заполненной раствором насыщающегося красителя в соответствующем растворителе. Также используются твердотельные (например, LiF:F₂ или Cr⁴⁺:YAG для Nd³⁺:YAG лазеров) или газообразные (например, SF₆ для СО₂-лазеров) насыщающиеся поглотители. [6]

На рисунке 8 приведена схема для получения так называемого гигантского импульса.

Рис. 8. Схема пассивного способа модуляции добротности с помощью красителя, просветляющегося под действием интенсивного светового потока

Первоначально добротность лазера невелика. Когда активное вещество лазера 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. По мере увеличения плотности мощности излучения в резонаторе все больше молекул поглотителя переходит на более высокие энергетические уровни, пока не окажутся заселены все возможные возбужденные состояния. С этого момента поглотитель больше не может поглощать излучение на длине волны лазера, говорят, что он «просветляется». Резкое уменьшение потерь в резонаторе в этом случае приводит к «включению» добротности. [3]

Принцип работы лазера в режиме модуляции добротности поясняется временными диаграммами на рисунке 9. Поместим внутри лазерного резонатора затвор, вносящий большие потери и снижающий добротность резонатора. Потери вносятся на время действия накачки, с тем чтобы показатель усиления в активной среде возрос до очень большого значения, но генерация не начиналась. В этот промежуток времени активная среда накапливает энергию и инверсия достигает максимального значения.

Рис. 9. Временные диаграммы развития лазерного импульса

Если теперь открыть затвор, то усиление окажется намного выше порогового, что приведет к резкому возрастанию интенсивности вынужденного излучения и одновременному сбросу инверсии вследствие индуцированных переходов. Запасенная в активном веществе энергия в виде короткого (длительностью порядка нескольких наносекунд) и интенсивного импульса света. [5]

1. Пассивные модуляторы добротности

Пассивный модулятор добротности состоит из материала, который поглощает излучение на длине волны лазера и который обладает низким значением интенсивности насыщения. Во многих случаях он используется в виде кюветы, заполненной раствором насыщающегося красителя в соответствующем растворителе. Также используются твердотельные пассивные лазерные затворы.

Наиболее известные пассивные затворы – это:

- затворы из керамики с примесью кобальта

- затвор на основе V: YAG

- черный гранат Cr⁴⁺: YAG

- пассивный затвор LiF:F₂

Один из наиболее распространенных пассивных методов коррекции временной формы импульса заключается в использовании сред, просветляющихся под действием интенсивного лазерного излучения. В качестве этих сред применяются различные красители и вышеперечисленные среды. Просветление среды происходит при интенсивности насыщения:

I_н = hω/(σ_nt_p)

Где σ_n – поперечное сечение поглощения, t_p – время релаксации метастабильного состояния. Плотность энергии, при которой происходит просветление, определяется выражением:

W = I_н·ln{(1+t_н/t_p)/T₀}

Где t_н – длительность лазерного импульса, Т₀ – начальное пропускание затвора [7].

Кристаллы LiF:F₂ c F₂ центрами окраски широко применяются в лазерной технике ближнего ИК диапазона спектра. С их помощью реализованы пассивные методы модуляции добротности и пассивной синхронизации мод резонаторов неодимовых лазеров, работающих на длине волны λ ~ 1 мкм. Используются кристаллы LiF₂ и в качестве активной среды (длина волны генерации λ ~ 1.2 мкм) при лазерной накачке излучением, попадающего в область резонансного поглощения центров окраски F₂, а также для развязок каскадов мощных лазерных систем.

Экспериментально было подтверждено:

1. Если оптические поверхности элементов резонатора (АЭ и кристалла LiF:F₂) ориентированы не по нормали к оптической оси, т. е. резонатор не является поляризационно изотропным, лазер от импульса к импульсу генерирует излучение с одной и той же поляризацией. Состояние поляризации может быть изменено в результате наклона оптических поверхностей элементов резонатора.

2. Если АЭ и кристалл LiF:F₂ установлены так, что их торцы строго перпендикулярны оптической оси резонатора, ситуация резко меняется: лазер от импульса к импульсу генерирует излучение с разной, но почти всегда линейной поляризацией.

3. Так называемы поляризационный коллапс вызван двухфотонным механизмом разрушения центров окраски F₂. Поскольку центы окраски F₂ разной ориентации разрушаются излучением с различной поляризацией, спустя некоторое число импульсов N пассивный затвор LiF:F₂ превращается в поляризационно анизотропный элемент. [8]

1. Преобразование частоты. Генерация второй гармоники

   1. Нелинейная поляризация

С появлением мощных источников когерентного излучения оптического диапазона (лазеров) стало возможным наблюдение и использование нелинейных оптических явлений, в которых в отличие от обычной линейной оптики происходит нарушение принципа суперпозиции световых волн.

Исследования удвоения частоты в оптическом диапазоне позволили выявить новые закономерности взаимодействия излучения с веществом. Практическим результатом этих исследований явилось создание высокоэффективных (с КПД 50% и более) удвоителей частоты лазерного излучения, а также каскадных умножителей на третью, четвертую и более высокие гармоники, которые находят широкое применение в приборах квантовой электроники.

Эффект генерации суммарных частот заключается в том, что при поступлении в среду излучений на частотах ₁ и ₂ на выходе возникает электромагнитная волна с частотой ₃ .

₁ + ₂ = ₃

Если ₁ = ₂ = , т.е. в среду поступает волны одной частоты, то излучение на суммарной частоте является их второй гармоникой:

 +  = 2

Взаимодействие световой волны с веществом на классическом языке описывается вектором поляризации Р. Эта поляризация, вообще говоря, является некоторой функцией Р = f(Е) напряженности электрического поля Е световой волны. В приближении соответствующем области линейной оптики поляризация связана с напряженностью поля Е линейно:

Р = Е

Такое приближение достаточно хорошо работает для не очень высоких значений Е, т.е. для интенсивностей обеспечиваемых обычными, не лазерными источниками света даже самыми мощными. При воздействии на среду лазерного излучения с достаточно высокой плотностью потока это соотношение может уже не выполняться. Если отличие связи поляризации Р и поля Е от линейной не слишком велико (а именно так обстоит дело даже в сильных лазерных полях), то функцию Р = f(Е) можно представить в виде ряда:

Р =  Е + ЕЕ + ЕЕЕ + …