Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 25
Текст из файла (страница 25)
182. 104 ! 2 з ~~ си Рис. 0.1. Оптические схемы РОКУ с активной средой (а), отражательного РОКУ (б) и однонаправленного кольцевого РОКУ (и): а2 1, 3 — входкос и выходное зеркала; 1 — активная сред»; з — лииза; з — диафрагма рв- ДИУСОМ ан б — ПОЛЯРИЗатОР; ! — фОКУСИОЕ РВССтОЯИИС: Рв„, Рв,х - ВХОДНаЯ И ВЫХОДИВЯ мощности б, з: 1 — зеркало: 1 активная среда; Э полупрозрачиос зеркало; С вЂ” ячейка Фарадея; а призма Глвиз При достижении инверсии населенностей энергетических уровней в резонаторе возбуждаются собственные колебания электромагнитного поля и его добротность при гба 1 2п(. ),гг6 (6.8) Для проектирования ОКУ особый интерес представляет характер зависимостей г, = ( (г), позволяющий выбрать оптимальные коэффициенты отражения зеркал резонатора и добиться высокого коэффициента усиления, не допуская самовозбуждения усилителя.
На рнс. 6.2 в логарифмическом масштабе изображен график зависимостей г, = (' (г,). Область усиления определяется из условия гтгибо, ) 1. Коэффициент отражения входного зеркала г, выдерживается постоянным и меняется в соответствии с условнямн симметрии(г, = гД или согласования (г, = = гзбч). Из приведенных зависимостей следует, что при достаточно большом коэффициенте усилении (К,и, = !0...20 дБ) и ба = 2 Д,дб !г ! б б,б дгб бб бгб О,! Рй и о Рис. 8.2.
Зависимости коэффициентов отражения зеркал РОКУ (а) и коэффициента усиления от г, при 6 2 (б). 1 — симметричный режим; 1 — соглвсоававый режим; з —. область свмовозбуждеаия г 108 зеркала должны иметь коэффициенты г, и та около 35...46 %, а самовозбуждение ОКУ происходит при г 50 %. Для согласованного режима при тех же значениях К и ба коэффициентг, — 83...96 %, а г, ° 21...24 %, тогда как усилитель самовозбуждается при г, 25 %.
При увеличении степени активности вещества, что соответствует повышению О„происходит смещение линий согласованного и симметричного режимов в область меньших значений г, и г„и для осуществления согласованного режима требуется просветление поверхности выходного зеркала. Например, при ба = 8 и К „, = !3 дБ коэффициент г, должен быть около 1,5 %. При уменьшении степени активности вещества линии симметричного и согласованного режимов смещаются в область больших значений г, и г,. Для получения в симметричном режиме 'К,„„= 10 дБ необходимы зеркала с г!л ж 87 %, а критическому режиму соответствует ггд ж 91 %.
Для получения аналогичного усиления при ба = = 1,1 в согласованном режиме необходимы коэффициенты отражейия входного и выходного зеркал 98 и 81 % соответственно. Самовозбуждение наступает при г, ж 83 %. При значении коэффициента квантового усиления Оа = 0 область самовозбуждения стягивается в точку в начале координат, а линия симметричного режима совпадает с линией согласованного (случай обычного оптического резонатора).
Поскол ку их симметричный режим, как и режим согласования, требует довольно точного подбора г, и г,, при практической работе с РОКУ рекомендуется окончательно подбирать зеркала непосредственно при юстировке устройства, как это делается, например, при выборе устройств вывода энергии для некоторых типов электронных приборов СВЧ. Использование металлических зеркал в резонаторе РОКУ нежелательно из-за их тепловой нестабильности. Кроме того, коэффициент усиления РОКУ с металлическими зеркалами превышает усиление активного вещества лишь в узкой области изменения г, и г, непосредственно вблизи порога самовозбуждения, Широкополосность проходного РОКУ с открытым резонатором при К„)) б, т Л 60 (6.9) С повышением коэффициента квантового усиления б, широкополосность РОКУ увеличивается.
Уменьшения регенерации можно достичь увеличением ба и приближением РОКУ к режиму бегущей волны. Наибольшее распространение получили следующие два технических решения: отражательный РОКУ и однонаправленный кольцевой" (см. рис. 6.1, б, и). Спектральный коэффициент усиления отражательного регенеративного оптического усилителя в симметричном режиме определяется так: К (Л) а — 26, 1' г соа 14л (1./Л)) + 6~~ ! — 26а у г соа !4л (1./Л)) + 61г * Си.: К а р л оа Н, о., Ма и ел кои А.
А. Кааитоаые усилители.— М., )966.— С. 334. 106 Отсюда коэффициент усиления на резонансной частоте 6 — )/ и Ке— 6ог г (6.10) широкополосность РОКУ о Л, 62 ! П = та Коэффициент усиления кольцевого РОКУ на резонансной частоте У~ — У6. (6.1 1) ~гбо широкополосность его Л, 6„ — ! П ~а 2лб у6 (6.12) Типовые оптические схемы этих ОКУ показаны на рис. 6.1, б, в. Оба усилителя представляют собой регеиеративные ОКУБВ. В отражательном РОКУ активная среда имеет форму длинного однородного стержня с одним, полностью отражающим, торцом.
Противоположный торец частично прозрачный и является одновременно входным и выходным зеркалом для усиливаемого излучения. Как и в радио- диапазоне, разделение входного и выходного сигналов осуществляется с помощью невзаимных элементов, подобных циркулятору. В данном случае это ячейка Фарадея с призмой Глана. 6.3.
Оптнческие квантовые усилителм бегущей волны 107 Стабильное усиление в оптическом диапазоне, где длина активных элементов много больше длины волны, можно реально получить, используя лазерный усилитель бегущей волны (29). В данном случае выбирают среду с большим коэффициентом квантового усиления. Рассмотрим некоторые схемные решения ОКУБВ (рис.
6.3). Так как в отличие от радиодиапазона в оптическом диапазоне длин волн невозможно одновременно осуществить усиление сигнала, распространяющегося в прямом направлении, и ослабление сигнала, распространяющегося в обратном направлении, то применяют последовательное соединение усилительных секций, разделенных невзаимными элементами.
Усиление каждой секции выбирают таким, чтобы регенерация отдельного усилительного элемента была небольшой. Бели на торцах стержней активной среды отсутствуют просветляющиеся согласующие покрытия, то усилениеодногокаскада не должно превышать 6 дБ. Для создания невзаимной развязки применяют ячейку Фарадея. Плоскость поляризации волны, падающей на активное вещество, задается поляризаторами, повернутыми на угол 45' по отно. шению друг к другу.
В качестве поляризаторов используют призмы Глана, дихроичные поляризаторы или же поляризаторы с отражением под углом Брюстера. С помощью каждого невзаимного элемента осуществляется развязка порядка 25 дБ при потерях 1,6 дБ в прямом О1 Я ( ) (-) К' рот б р г а д„,м4 т, гддб л /бдб л )09 Е е ОКУБВ (б): Рис. 6.3 Схемы ОКУБВ (а) н процесса прохождения лазерного импульса че ез ч р à — актяакая предо; 3 поляряаатеры; 3 — ячейки Фаралея; а — лазер; Π— Оку направлении. Например, с помощью пятикаскадного усилителя, имеющего усиление 20 дБ, была получена импульсная мощность до 1 ГВт 1231. Принципиальным пределом выходной мощности ОКУБВ можно считать мощность, ограничиваемую процессами многофотонного поглощения.
В среде с инверсией населенностей М, — М„под действием монохроматического излучения с мощностью Р,„и частотой о в единице объема в единицу времени создается энергия [23) Е =(М вЂ” М)п (о)Р,к, (6. 13) где пах (у) — поперечное сечение вынужденного перехода Е, -а- Ек с испусканием фотона частоты там Максимально достижимая энергия в импульсе, получаемая прн усилении с помощью ОКУБВ, Еп1ак ™о/гоо/(2пях)1 (6.14) где рх — суммарные потери в резонаторе. Для рубина на переходе /1;линии с /око = 2,8 10 'Р Дж при инверсии населенностей ЛМ 0,5М„где Мо = 1,6 ° 10м см-з — населенность рубина, и йз = 0,04 см-' можно йолучить энергию Е ах 56 Дж/см' П ри работе в импульсном режиме ОКУБВ сокращает длительность усиливаемого им импульса излучения (рис. 6.3, б).
Однако для это ео ходимо, чтобы передний фронт исходного импульса был достаточго ио крутым. В противном случае наблюдается уширение импульса. 108 Рис. 6.4. Схема для измерения коэффициента усиления ОКУ (а) и зависимость коэффициента усиления гелий. неонового ОКУ от тока возбуждения на различных мошностях лазерного излучения Р „(б) Ширина выходного импульса на половинном уровне 'гяол т 2е — * дм* — лп"/(2пятр .и) где р„— плотность потока фотонов в резонаторе в момент времени 1= 0; (М, — М,) — инверсия населенностей энергетических уровней Е, и Е, в момент времени 1 = 0; и — скорость распространения света в среде, см с-'.
При определении формы входного импульса, необходимой для получения заданного выходного импульса, используют соотношение 1 1'ах(1 — гя) =1'аых(/) и ш,и ~ т (1) + ()) ч+ ))) К„ где Р,„, Р,, (1) — входная и выходная мощности импульсного си~ нала, пропускаемого через ОКУБВ, Вт; Е, = /гуо (М, — М,) — энер. а гия, накапливаемая в ОКУ, Дж; Е,„(1) = ~ Р,„(/) г(/ — энергия, о накапливаемая за время длительности импульса тя, Дж; 1„— время прохождения импульса через ОКУ при условии /„(( т (т„— время релаксации). Методика измерения коэффициента усиления по схеме на рис. 6 4, а следующая. Излучение с одного из выходов лазера 1 через ячейку Фарадея 2 направляется на разрядную трубку ОКУ 3 и после анализа в монохроматоре 4 подается на фотоумножитель б.
Излучение со второго выхода лазера в виде опорного сигнала поступает на вход фотоумножителя 8. С выходов фотоумножителей б и 9 электрические сигналы подаются на входы соответственно зеркальных гальванометров б и 7 (типа М-95). При отсутствии разряда в трубке ОКУ показания гальванометров выставляют одинаковыми. Коэффициент усиления оценивают по разности показаний гальванометров, возникающей при включении разряда усилителя. Используя описанную схему, можно получить зависимость козф.
фициента усиления от тока возбуждения ОКУ (рис. 6.4, б). Пока усилитель не насыщен, пропорциональность между К и 1к не нарушается, так как при этом синфазная компонента вынужденного излучения в ОКУ преобладает над спонтанным излучением. С дальнейшим увеличением 1„усилитель входит в режим насыщения. Расчет инверсии населенностей энергетических уровней активной среды ОКУ производится следующим образом.
Коэффициент усиления Кт пропорционален инверсии населенностей уровней. В свою очередь ЛУ является функцией тока возбуждения; следовательно, на первом этапе определения ЛУ можно использовать схему эксперимента на рис. 6.4. Зная ЛУ для определенного тока 1„, можно постооить зависимость ЛУ = ~р ((„), воспользовавшись зависимостью 1291 ЛУ = 25,13 2пх2эзч, О (ь) где е — диэлектрическая проницаемость усиливающей среды; т, = = 3 10 ' с — время жизни уровня при спонтанном переходе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
