Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 64
Текст из файла (страница 64)
В качестве насыщающихся поглотителей используются, кроме прочего, растворы красителей. Через концентрацию красителя и толщину поглотителя удается нужным образом регулировать начальное пропускание Т,. Для красителя типа криптоцианина, растворенного в метаноле (модулятор добротности для рубинового лазера), интенсивность насьпцения составляет: / = 5 МВт/см'. Для лазера на стекле с неодимом применяют, главным образом, кристаллы иттрий-алюминиевого граната, легированного Сг" (1, = 6 кВт/см' — вычисление на основе плотности пороговой энергии 27 мДж/см' и времени жизни 4 мкс) (поданным Кехнера).
Для СО,-лазера находят применение газы вроде ЯРк Насыщаюшиеся поглотители используются как пассивные затворы, автоматически срабатывающие при превышении определенной входной интенсивности для модуляции добротности либо синхронизации мод лазеров — в целях генерации коротких лазерных импульсов, как это подробно обсуждается в следующей главе. зрячи 16.1. В случае акустооптического модулятора из кварцевого стекла (в схеме Брэгга) при включении ультразвуковой частоты/'= 100 МГц имеет место отклонение луча гелий-неонового лазера на Л = 10,6 мрад.
Какова здесь скорость звука? 16.2. Как велика разность показателей преломления Ьл в модуляторе поперечного типа на кристалле дейтерированного дигидрофосфата калия (КО*Р) длиной 1=2см (в=1,508) с приложенным полуволновым напряжением Х/2 (Х = 500 им)? 16.3. Определить полуволновое напряжение ГГд для модулятора КО*Р поперечного типа длиной 1= 2см и шириной г(= 3 мм для гелий-неонового лазера. Какова разность показателей преломления Ьл? (Используйте значения из таблицы 16.1 и уравнения 16.5 — 16.6. Сравните полученный результат для Лв с предыдущим заданием). 16.4. Пассивный модулятор добротности (криптоцианин) используется в рубиновом лазере.
Время жизни на верхнем уровне составляет 2. 10 " секунд, сечение поглощения = 8 10 " см'. Какова интенсивность насыщения? ГЛАВА 17 ИМПУЛЬСНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Первый построенный в 19бО году рубиновый лазер и многочисленные последующие конструкции, например, лазеры на эксимере способны функционировать исключительно в импульсном режиме. Для других лазеров возмолсны оба режима генерации — импульсный и непрерывный, причем первый связан с меньшими затратами и поэтому имел более широкое применение. Кроме того, при импульсной генерации достигаются значительно более высокие световые мощности, что позволяет наблюдать новые оптические эффекты, вызывающие живой интерес с точки зрения их научного и технического применения. В основе самого простого способа импульсной генерации лазера лежит импульсное возбуждение.
Здесь можно упомянуть, например, твердотельные лазеры со световой накачкой от короткого разряда лампы-вспышки. Нередко лазерное излучение при этом не следует за импульсом возбуждения, обладая соответствующей субструктурой. Таковая модулирована в форме отдельных пиков интенсивности, или так называемых «пичков» (англ. зр(ке), к которым мы еще вернемся в п.17.1. На основе различных методов, как то: модуляции добротности, вывода импульсов (опустошения резонатора) и синхронизации мод — удается заметно сократить длительность лазерного излучения по сравнению с длительностью возбуждения.
Тогда можно генерировать лазерные импульсы длительностью всего в несколько фемтосекунд, что крайне важно при изучении быстро протекающих процессов. Ниже приведен перечень возможных длительностей импульсов, используемых в разных лазерных системах: Твердотельный лазер, с импульсным возбуждением лампой-вспышкой 1О мкс Твердотельный лазер, с модуляцией добротности 1 нс Твердотельный лазер (Тс сапфир), с синхронизацией мод 5фс Т1ба-лазер, с синхронизацией мод «- сжатием импульсов > 1фс Газовый Х,-лазер, с импульсным электрическим возбуждением 100 пс Газовый Агг-лазер, с опустошением резонатора 1 нс Газовый Агь-лазер, с синхронизацией мод 100 пс Диодный лазер, с импульсным возбуждением 5пс Лазер на красителе, с импульсным возбуждением лампой-вспышкой 1 мкс Лазер на красителе, с синхронизацией мод 25 фс Лазер на красителе, с синхронизацией мод + сжатием импульсов бфс Рентгеновский лазер с возбуждением от Т15а-лазера, «атгосекундный» лазер < 1 фс 17.1.
Релаксационные колебания У твердотельных лазеров с накачкой лампой-вспышкой импульсное лазерное излучение часто отличается весьма неравномерной структурой. Пример рубинного !7.1. Р я б 30ф лазера на рис. 9.3 показывает, что интенсивность лазерного излучения состоит из «пичков» со статистической амплитудой, продолжительностью во времени и интервалом. Непрерывные рубиновые лазеры, или лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом демонстрируют «пичковый» режим (англ.
Вр(Ыпя) только при включении согласно рис. 17.1. Похожие явления отмечаются также при возмущениях в непрерывно работающем лазере. Наблюдаемые «пички», включая переходные процессы, и есть так называемые релаксационные колебания. Теоретическая суть данных явлений уже рассматривалась выше в п.2.7. » н о О Б -»! 1бо мкс !«- Время -» Рис. 17.1. Пример релаксационных колебаний при включении лазера на основе алюмоитгриевого граната с неодимом (пичковый режим). (Поданным Кнойбюля и Зигриста) Процесс появления релаксационного колебания достаточно просто объяснить и без привлечения каких-либо вычислений. После начала процесса накачки в активной среде лазера формируется величина населенности Лг, верхнего лазерного уровня. В случае равновесного состояния величина Лг, устанавливается на пороговое значение для генерации лазерного излучения Лг„(см.
также главу 2). Но при возбуждении лазера плотность фотонов в лазерном резонаторе еше мала, и индуцированное излучение пока ничтожно. Поэтому величина населенности М, значительно превышает пороговое значение Лг„( рис. 17.2). В результате высокой инверсии населенностей очень быстро создается поле излучения. При этом плотность фотонов возрастает, выходя далеко за пределы равновесного значения.
По этой причине верхний лазерный уровень опустошается так стремительно, что уже не хватает атомов, возбужденных в процессе накачки. Инверсия падает ниже порогового значения, а мощность лазерного излучения резко уменьшается. Посредством накачки можно теперь снова добиться заселенности верхнего лазерного уровня, так как индуцированное излучение сильно уменьшается.
И тогда начинается новый цикл, а далее возникает второй, третий и т.д. «пичок» в излучении лазера. При относительно низкой мошности накачки колебания согласно рис. 17.1 и 17.2 достигают величины, соответствующей равновесному состоянию. При накачке интенсивными импульсами инверсия населенностей после «пичка» регрессирует настолько, что непускание практически исчезает и лазерное излучение состоит из отдельных «пичков». В твердотельных лазерах с непрерывной накачкой после небольшого возмущения обнаруживаются релаксационные колебания в синусоидальных затухающих осцилляциях с определенным временем затухания.
Релаксационные колебания можно описать с помощью скоростного уравнения, используя машинные решения согласно рис. 17.2. Для четырехуровневых лазеров выводят следующие далее приближенные уравнения. «Пични» лазерного излучения Ге 'гм Время -ц В начале накачки индуцированное непускание ничтожно мало и им можно пренебречь. Если оставить без внимания и спонтанное непускание, то на основе уравнения (2.43) для величины населенности Ж, получаем: — '=И'Л( для(<1, 22Лгз г(г е' (17.1) где И'есть мощность накачки (1/с), а Л( — числолазерных атомов. Здесь принимается: Лг, «Х2 « Х» и Лг» = Л2 Уравнение (17.! ) показывает что величина населенности Л22 линейно увеличивается со временем, как это видно из рис.
17.2 для короткого периода. В процессе образования «пичков» согласно скоростному уравнению (2.43) терм индуцированного испускания становится больше прочих слагаемых: 7 2 лл е м' е(г (17.2) Для плотности фотонов Ф получаем на основе (2.44) похожее уравнение: ~Ф вЂ” =+ЛГзбсФ для!, <1 <1м. е(г (17.3) Плотность фотонов возрастает, согласно уравнению (17. 3), почти экспоненциально времени. Напротив, величина населенности Л1„согласно уравнению (17.2), падает до значения, которое может быть меньше установившейся величины. Плотность фотонов достигает в данном временном диапазоне своего максимума. Поскольку в связи с этим величина населенности Лу, очень мала, плотность фотонов в результате излучения через зеркало и из-за прочих потерь понижается (см.
уравнение 2.44): еКР Ф г~гм 2(г (! 7.4) (306 у !1.» у рц р у о В 3 о с ос си сс с с йи » х ях са ив Рис 17Д. Отображение плотности фотонов ф и величины населенности Х2 при релаксационных колебаниях в твердотельном лазере (по данным Кехнера) п«и» ц»«р, зв~~ч~ Поэтому амплитуда «пичков» резко падает и может вновь поползти вверх только после того, как Ф, в результате накачки превысит пороговое значение. Населенность верхнего лазерного уровня У, опять растет соответственно уравнению (17.1): (17.5) так что начинается новый «пичковый» цикл. В следующем цикле максимумы становятся меньше и приближаются к равновесному состоянию. Ч исло вые расчеты, исходя из представленных здесь простых скоростных уравнений, показывают закономерный цуг релаксационных колебаний.
Однако на практике лазеры часто демонстрируют неравномерные незатухающие «пички». Это объясняется тем, что затухание здесь очень невелико, так что значение равновесия в течение импульса накачки не достигается. Ранее, кроме прочего, предполагалось, что механические и тепловые помехи могут привести к неравномерностям в «пичках». Оказалось, однако, что неравномерные релаксационные колебания, или пички, имеют и более глубокие причины.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
