Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 65
Текст из файла (страница 65)
Они заключаются в том, что лазер в большинстве случаев генерирует на многих продольных и также поперечных модах. Динамическая характеристика каждой отдельной моды может быть описана на основе скоростных уравнений, подобных тем, что приведены в п.2.7, причем синхронизация мод достигается в результате общего уменьшения населенности. Связная система уравнений уже при наличии всего двух мод имеет регулярные и нерегулярные либо хаотические решения в зависимости от наличия разных параметров. Статистические «яички» лазерного излучения являются, следовательно, примером наступления хаоса в нелинейных системах.
Если для специальных применений требуется закономерный, или регулярный «пичковый» режим, лазер должен генерировать на одной единственной продольной и поперечной моде — обычно на моде ТЕМ»». Пиковая мощность «пичков» может быть тогда на несколько десятичных порядков больше средней мощности.
Если нам нужен всего один «пичок» в качестве выходного импульса, то возбуждение должно быть достаточно коротким: таким может быть, например, импульс света накачки у твердотельного лазера. Способом генерации еще более коротких лазерных импульсов с более высокой пиковой мощностью является обсуждаемая в следующем разделе модуляция добротности. 17.2. Модуляция добротности Путем сокращения длительности лазерного излучения можно добиться повышения пиковой мощности при заданной энергии накачки, что вызывает большой интерес во многих областях применения лазерных систем. Это достигается на основе модуляции добротности, когда генерируются так называемые гигантские импульсы.
При нормальном импульсном режиме, например, в случае твердотельных лазеров Хд: НАГ посылается импульс накачки длительностью около!00 мкс. При достаточной мощности накачки лазер возбуждается уже спустя несколько микросекунд, и лазерное излучение генерируется на протяжении всего периода накачки. О «пичковом» режиме уже говорилось в предыдущем разделе. Для повышения мощности лазерного импульса можно сделать так, что лазер будет возбуждаться, только если в процессе накачки достигается максимальная инверсия населенностей. Это бывает в конце импульса накачки, когда время жизни на верхнем лазерном уровне велико по сравнению с периодом накачки. На основе модуляции добротности в процессе накачки происходит включение резонатора. Ввод луча между зеркалами прерывается, или повышаются внутренние потери.
И только в конце импульса накачки деблокируется резонатор в момент времени г . Тогда на основе высокой инверсии формируется короткий лазерный импульс с высокой пиковой мощностью. Этот процесс схематически показан на рис. 17.3. рх 0 у я» » е рр гх 0 к х о в е Б м о.
Ф Ю х м о. «р Я Л м о $ о го Время Модуляция добротности обеспечивает тогда резкое повышение импульсной мощности, если время жизни на верхнем лазерном уровне продолжительнее периода накачки. При сильной накачке длительность импульсов Лг выражается через время пролета излучения в резонаторе, то есть лазерный луч лишь однажды проходит между зеркалами с интервалом А в прямом и обратном направлениях: 2Е Ы= — ' с причем с есть средняя скорость света в резонаторе.
Длительность импульсов в несколько наносекунд достигается при пиковых мощностях в ГВт-диапазоне. Энергия импульсов ограничена числом возбужденных лазерных атомов в активной среде. С учетом дополнительных потерь модуляции добротности энергия импульсов несколько меньше всей энергии в нормальном режиме генерации. Электроолтические затворы На роль затворов выбираются обычно ячейки Поккельса, например, из дигидрофосфата калия (см, здесь также п.16.3), которые изменяют поляризацию (~30» Г гр я р р р р р Рвс. 17.3.
Временная характеристика при модуляции добротности 1171. Мощность накачки: свет лампы- вспышки. Потери резонатора: изменение на основе схемы ячейки Поккельса. Инверсия: форма кривой задана интегрированием импульса лампы-вспышки. Мощность лазера: формируется короткий импульс (ЛГ = наносекундный диапазон с высокой мощностью в единицах М Вт) !7.2. М ду т д бт 30~~9) излучения под влиянием электрического поля.
Обыкновенное и необыкновенное направления поляризации кристалла проходят под углом 45' относительно направления поляризации излучения. С приложением полуволнового напряжения плоскость поляризации поворачивается на 90', причем обыкновенная и необыкновенная волны получают разность хода в половину длины волны. На основе всего вышесказанного электрооптический затвор может быть сконструирован согласно рис. 17.4а. Полуволновое напряжение включается только в конце импульса накачки: значит, в этом момент времени открывается траектория светового пучка. С помощью нескольких конструкционных элементов и при наличии небольшого напряжения можно реализовать схему согласно рис. 17.46.
С приложением четвертьволнового напряжения линейно-поляризованный луч лазера становится светом круговой поляризации. После отражения излучение еще раз проходит через ячейку Поккельса, и тогда разность ходов составляет уже половину волны. Следовательно, плоскость поляризации поворачивается на 90' только после прохождения через электрооптический кристалл в прямом и обратном направлениях, так что отраженное излучение не может пройти через поляризатор. Траектория светового пучка, таким образом, замкнута.
И только в конце импульса накачки четвертьволновое напряжение отключается, и резонатор становится проходимым. Требуемые напряжения составляют лишь половину того значения, что указано в схеме по рис. 17.4а. С применением электрооптических затворов достигается быстродействие короче 1 наносекунды. Линейно-поляризованный Линейно-поляризованный циркулярно-поляризованный Линейно-поляризованны Контротражатель Поляризатор Р, Ячейка Поккельса Поляризатор Р, Полуволновое запаздывание - Ь Стерженьлазера (а) Выходное зеркало)~-~ Контротражатель Ячейка Поккельса ~4 Поляризатор Четвертьволновое запаздывание Стерженьлазера (б) Выходноезеркало''5 Рве.17А. Электрооптическая модуляциядобротности (по данным Кехнера). (а) Схема с полуволновым напряжением на ячейке Поккельса; при включении резонатор становится проницаемым.
(6) Схема с четвертьволновым напряжением, где после прохождения в прямом и обратном направлениях через ячейку Поккельса общий поворот плоскости поляризации на 90' приводит к запиранию со стороны поляризатора. При отключении напряжения вращение плоскости поляризации прекращается. Резонатор обременен лишь незначительными потерями, не препятствующими Формированию лазерного импульса (()О Г И~~ ° рц р у ° Прочие затворы Для коммерческого применения в инфракрасной (> 3 мкм) и ультрафиолетовой областях спектра электрооптические затворы для модуляции добротности пока не предлагаются, но здесь вполне годятся и механические переключатели.
На эту роль подойдут, например, вращающиеся зеркала либо вращаюгциеся призмы. Резонатор юстирован с достаточно высокой точностью только очень короткий период времени, в течение которого генерируется гигантский импульс. Вращение должно быть точно синхронизировано с импульсом накачки. Находит применение также— преимущественно для лазеров 3 мкм — затвор РГ(В (по принципу нарушенного полного внутреннего отражения; (см. здесь также рис.
16.1). Для модуляции добротности в ход лучей нередко вводятся акустооптические модуляторы. При подаче высокочастотного напряжения формируется ультразвуковая волна, благодаря которой происходит дифракция лазерного луча. Возникающие при этом потери могут воспрепятствовать возбуждению лазера. Когда напряжение отключается, модулятор становится проницаемым, что позволяет генерацию лазерного излучения. Время срабатывания здесь, как правило, дольше, чем у электрооптических затворов, но зато возможна более высокая частота последовательности переключений. С применением акустооптических модуляторов функционируют, например, твердотельные лазеры с непрерывной накачкой. Здесь может достигаться частота следования импульсов несколько кГц, причем импульсная мощность почти в 1000 раз превышает средние показатели.
В качестве пассивных затворов широко используются насыщающиеся поглотители. У этих конструкционных элементов пропускание зависит от интенсивности излучения. По мере увеличения интенсивности все большее число электронов накачивается в возбужденное состояние, откуда они — в результате вынужденного излучения — вновь переходят в основное состояние. Если величины населенности на возбужденном и основном уровнях равны, насыщаюшийся поглотитель начинает проявлять свойства просветляющегося фильтра. Концентрация поглошающей среды выбирается с таким расчетом, что лазер возбуждается вначале только с низкой интенсивностью.
С ростом усиления возрастает и пропускная способность насышаюшегося поглотителя. Результатом этого является генерация гигантского импульса, который при максимальной инверсии населенностей насыщает поглотитель и затем выводится. Насышаюшимися поглотителями могут служить и красители в растворах (например, малахитовая зелень, РОВС!), полупроводниковые конструкционные элементы (ЯЕЯАМ), а также легированные ионами кристаллы (например, Сг4'; ИАГ).
С помощью пассивных затворов можно изготовлять очень простые и компактные микролазеры. На тонкой подложке (например, из алюмоиттриевого граната с неодимом, толщиной 1мм) выращивают эпитаксиальный слой поглотителя (около 100 мкм Сг". ИАГ), выходные торцы полируют и наносят диэлектрическое зеркальное покрытие. Разрезав такую подложку, получают большое число миниатюрных кювет размером всего 1 мм', которые в режиме диодной накачки с высокой скоростью повторения выдают импульсы твердотельного лазера с модулированной добротностью, формируя отличный профиль пучка ( рис.
! 7.5). 1 7 4. Сгзгтрояпзация азод 3 11)~~ =3 Путем изменения толщины поглотители и соответствующего легирования удастся 1енерировагь энергию, например, от 1 до 100 мкДж ллигельностькз около 1 нс. Рис. 17.5. Пассивная модуляция Лазерный диод Корпус пазера добротности с помошьнз насмшаюшегося поглоз ягеля (например, Сгн ИАГ) у чнкролазепа с яновной :.'; Ьп-да,; р.'.-;-;,:;-:-' ',;;-'; '-:;-.'.'.—;~.с;,'-.',« 'П..'-.,;,! ",, „;:-, '- «нф ~3!2 Г !7.И у рц р у например, у стеклянных лазеров, удается устранить при одномодовом режиме.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
