Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле (1967) (1095904), страница 50
Текст из файла (страница 50)
йу характеристик излучения рубинового генератора с управляемой добротностью показывает, что влияние этого фактора может быть значительным !121. Увеличение длительности импульса связано также с неоднородностью кристалла н с неоднородностью засветки его накачкой, вследствие чего различные участки активного образца имеют неодинаковую величину инверсной населенности и поэтому гене- Интегрируя, получим причем ти — — 1! — е '"""" 1 — ! .
(У!11.32) ло к-!-! Определяя эффективность преобразования как отношение излучаемой энергии к поглощаемой и используя выражение (Ъ'111.11) для случая мгновенного вкл!оченпя добротности, получим ! чьз(к — 1) !и— гз до=да (т 111 33) 1зи э~завеся!вок тд ! / ав Р1) т, 2(вв 1!а рис. Ъ'111.21 приведены зависимости эффективности преобразования н энергии излучения рубинового генератора от уровня накачки (! =- 5 см, гз =- 0,5, р =- 0,03 см ', я ! (!в = 2 ймзз1 Кз ~ (по — А) г(1, 'о где ти — длительность импульса накачки; Л определяется выражением (Ъ'!1.43). 324 (Ч!11.30) рируют при разных значениях добротности резонатора.
Ясно, что при этом длительность результирующего импульса' излучения оказывается пропорциональной времени включения. 4. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА С УПРАВЛЯЕМОЙ ДОБРОТНОСТЬЮ Рассмотрим эффективность преобразования энергии в активном элементе генератора с управляемой добротностью. Так же как и ранее (см.
главу Ъ'1!), будем полагать, что импульс излучения накачки имеет прямоугольну!о форму. В этом случае поглощенная энергия может быть вычислена по формуле Рис. Ч1!!.2!. зависимое~и энергии излучсиии и зффсктивиости ирсобразоваиия активного образца от уровня аакачки. з г,з да т„=- 0,3 тм). Энергия накачки выражена через параметр д, который показывает, во сколько раз превышен пороговый уровень при открытом затворе. С увеличением энергии накачки эффективность преобразования активного элемента н выходная энергия увеличиваются до некоторого предельного значения.
При больших уровнях возбуждения почти все активные атомы накаплива!отся в метастабильном состоянии (при закрытом затворе). Поэтому поглощение энергии накачки в кристалле резко уменыпается, и значительная часть ее рассеивается вие рабочего элемента. Так, например, увеличение уровня накачки выше 325 д — 5 не сказывается заметно па величине выходной э !ергии. Таким образом, при большом превышении порога эффективность генераторов с управляемой добротностью в отличие от генераторов непрерывного (н квазинепрерывного) режима оказывается низкой. Для того чтобы охарактеризовать коэффициент полезного действия системы в целом, следует рассматривать отношение излучаемой энергии ко всей энергии накачки, а не к той ее части, которая поглощается в кристалле. Это иллюстрируется до неоднородностей в кристалле, имеющих повышенное значение коэффициента поглощения.
Такие неоднородности будут, естественно, поглосцать больше энергии н вследствие сильного перегрева иметь оптические свойства, сильно отличающиеся от свойств окружакзщих областей. В генераторах с управляемой добротностью, в которых мощность импульса велика, это явление может проявляться весьма сильно. Ввиду малой длительности импульса, области повышенного нагрева будут сохраняться в течение генерации, что приведет к дополнительным потерям вследствие рассеяния. Практически к. и. д. всех типов генераторов с управляемой добротностью не превышает нескольких десятых долей процента, т. е.
оказывается значительно более низким, чем в обычном импульсном режиме. Рис. Н!! 1.22. Зааиеимость к. и, д, генера. тора с управляемой добротноетыю от урания накачки. м ал лз 5 ул рис. И!1.22, на котором изображена зависимость энергии излучения, отнесенной к энергии накачки, выраженной в пороговых величинах. с'!аксиыальпая эффективность достигается при превышении пороговой энергия приблизительно в 2 раза, Энергия излучения составляет при этом около ! дж,'сма, а эффективность активного элемента 10— 15% . В реальных условиях эти величины оказываются более пнзкимн, поскольку включение добротности производится за конечный промежуток времени и, таким образом, в момент генерации в резонаторе присутствусот потери, обусловленные неполным включением управляющего элемента (врасцаю1цаяся призма, ячейка Керри и т.
д.). Существенное уменыпенне выходной энергии вызывает также ненаправленное индуцированное излучение в кристалле, что эквивалентно сокращению времени жизни метастабильного уровня (см. гл. Ч11). Имеется еще одна причина, которая может приводить к уменьшению выходной энергии в генераторах с управляемой добротностью. Эта причина связана с наличием б.
ГЕНЕРАТОРЫ С ПАССИВНЫМ ЗАТВОРОМ Среди различных методов управления добротностью оптического резонатора особый интерес представляет метод, основанный на использовании пассивных элементов, прозрачность которых меняется под действием Пагеабньш' замаад Рис. Н111.23. Гсиератор с пае- сииимм затвором. светового излучения 125! — 261, 293, 2991, Введение в резол: натор пассивной ячейки, обладающей резонансными потерями (рис. 711!.23), приводит к увеличению порогового уровня накачки, в результате чего к моменту начала генерации на метастабильном уровне накапливается значительное число активных атомов. При возникновении генерации лазерное излучение, проходящее через ячейку, резко уменьшает ее потери, н запасенная энергия излучается в виде мощного импульса.
Длительность этого импульса, как будет показано ниже, оказывается почти такой же, что и в режиме мгновенного включения добротности. 327 В качестве веществ для пассивных затворов испольауются, например, жидкие растворы крипта- н фталоцианина [25!в 2541, различные типы стекол 1258!. Для объяснения принципа действия пассивных ячеек воспользуемся следующей моделью, катару!о рассмотрим на примере фталоцианина [25!1.
Схема основных энергетических уровней молекул этого вещества представлена на рис. !1111.24. "!астота перехода между уровнями 1 и 3 находится в красной области спектра и путем выбора подходя!пего растворителя может быть совмещена с частотой в!с Рис. Ъ'1! 1.24. Схема энер гетине сках уровней молекул фта.тоцв анина, езг 328 излучения рубинового генератора. Промежуточный уровень 2 является метастабяльным и имеет время жизни тч порядка 10 ' сек. Время безызлучательного перехода частиц т„'е с уровня 3 па уровень 2 составляет приблизительно 10 ' сек !25! !. В нормальном состоянии все молекулы фталоцианина находятся на основном уровне 1, и коэффициент поглощения составляет величину о'и,', где о' — поперечное сечение индуцированного перехода между уровнями 1 и 3, и„'— полное число молекул в ! сжа вещества. При поглощении света происходит обеднение основного состояния, и коэффициент поглощения, определяемый величиной о' (и,' — и,„'), уменьшается.
Если время перехода т,'„велико по сравнению с длительностью импульса, то можно считать, что рабочее вещество ячейки является фактически двухуровневым и просветление его связано с накоплением молекул иа верхнем уровне. В этом случае система уравнений, описывающая процесс излучения в оптическом генераторе с пассивным затвором. может быть записана в следу!ощем виде" [2541: о )",=- А — ! х47., + ) — [оз1Л1+ о Л (Е 1В у. -- [Р1. с !г' (1.
— 1) Е [)х1! '7 ° (И[1. 34) — '-'- .—.: — 2 аз, Л3ч, (~г[Ц 35) — '-.-= — - 2о'Л'31т, й где,7 „— средняя плотность потока фотонов в резонаторе; Л и Л' — средние плотности инверсной населенности в активной среде и веществе ячейки соответственно; [) и Р' — нерезонансные потери; и и о' — скорости света; 1 ! рх=---,— [п — — потери на излучение. уд г Уравнение (И1!.34) легко может быть получено путем усреднения уравнений (Ч.46) и (ьг.4?), записанных отдельно для области активного образца и пассивной ячейки (отражение излучения на границе раздела не учитывается) **. Интегрируя уравнении (И! 1.35), (И1!.36), получим — '„', —.-- -- ®'", (Ч!!!.3?) где р= При решении учтено, что в начальный момент времени Л =- Ле и Л' =-= — и„'.
* Замеп!м, чта в уравнении (Ц!П.36) для Л' пренебрегаем релаксацией частиц меткду уровнями 3 -ж !. В случае растворов фталоцианнна, например, время жизни состояния 3 имеет порядок 10 з сек, т. е, может быль короче длительности нмпульса. Тем не менее сделанное пренебрежение оправдана вследствие очень больших значений а'( !О гз ежа!. Расчет, проведсннырг с учетом релаксациопного иена в уравнении (т)111.,36), показывает, что прв т), Вь!О " сек влияние этого члена иа мощность излучения и длительность импульса ничтожно мало 126! 1, "." Следует отметйть, что прн очень большом поглощении затвора уравнения !911!.34) — (Ъ'11!.36) перестшот быть справедливыми, поскольку абратнаг! валка в ячейке при этом практишески отсутствует, и при описании процессов в яей нужно рзссматривать режим бегущей волны.
329 *4«э' где л 330 331 Из соотношении (Ч|1!.37) видно, что на работу генератора с пассивным затвором сильное влияние оказывает соотношение между поперечными сечениями поглощения активного материала и рабочей среды ячейки. В случае больших значений р небольшое уменьп«ение инверсной населенности активного материала вызывает резкое уменьшение величины ! Л' !. Ясно, что прн этом ячейка оказывается полностью просветленной, когда населенности активных атомов еще не изменяются сколько-нибудь заметным образом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
