Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 52
Текст из файла (страница 52)
11.6, а). Устройства, позволяющие получать гигантские импульсы, называются затворами (модуляторами добротности). В лазере с модулятором добротности пиковую мощность можно связать с пороговой энергией Е„инверсией населенностей и с потерями энергии е резонаторе. Потери в лазере с модулятором определяются приближенной зависимостью (71 низ (1) ж (1/(пнп 1) + гилис + 'ьъ где г !п — время уменьшения суммарных потерь рх (/) (из-за изменения добротности) от начальных пороговых до минимального значений. Отсчет времени начинаегся е точке пересечения кривой инверсии населенностей с кривой потерь. Энергия, выделяющаяся е резонаторе (Е,„,), зависит от разности между начальной Л/! и конечной Лг! йаселенностями (рис.
11.6, б) [231: Езм» = 0,6/ту (й/! — Л'!) Ъ'и (11.26) где )/ — объем активной среды, см'. При заданном значении Лг! кинетика процесса генерации е лазере (см. рис. 11.6, б) определяется отношением г./т ь„где 1, — время задержки. При /, ( ! !„энергия генерируемого импульса становится меньше, чем при т, /,„. Основными характеристиками затворов являются время задержки /„ амплитуда импульса А и его длительность т .
При этом скорость изменения потока фотонов на выходе генератои ра определяется уравнениями, аналогичными (7.3). Конкретная методика расчета характеристик гигантского импульса подробно рассмотрена в П81. Интенсивность индуцированного излучения при одном проходе через резонатор с кристаллом активного вещества длиной 1 меняется в гтгврз ехр (26,!) раз. Коэффициент усиления 6 (о), являясь функцией частоты излучения ум и относительной инверсии населенностей у„= Лйг//г/„ равен 6 (у) = — 6, (уо) двт. Среднее значение коэффициента усиления на единицу длины кристалла рубина при температуре 300 К составляет 6, = 0,4 см — ', а при температуре 77 К вЂ” 6, = 10 см — '. Пороговое значение относительной инверсии населенностей, при котором возможна генерация, Уо = рз (1)/рбо (ро) !).
(11.26) Таким образом, управлять процессом излучения можно, увеличивая коэффициент усиления 6, путем регулирования температуры активной среды, изменения пути прохождения энергии излучения в резонаторе за счет увеличения длины активной среды 1, уменьшения коэффициента потерь рх (1) либо за счет мгновенного изменения коэффициента отражения одного из зеркал (оптомеханнческие затворы), либо за счет уменьшения коэффициента поглощения в дополнительной среде (оптоэлектронные и фототропные затворы).
Наиболее эффективным и практически целесообразным является последний из этих способов. Необходимо различать следующие режимы формирования импульсной генерации вынужденного излучения лазера: !. Генерация с малой частотой следования импульсов, синхронной с частотой оптической накачки. Этот режим достигается при надежном источнике оптической накачки, дающем необходимую частоту вспышек, и эффективной системе охлаждения. 2. Генерация гигантского моноимпульса в течение одного цикла оптической накачки. Это достигается созданием перенаселенности атомов на метастабильном уровне активной среды путем искусственного уменьшения добротности оптического резонатора различными методами.
3. Генерация последовательности мощных моноимпульсов с частотой следования в десятки килогерц в течение одного цикла оптической накачки. Заметим, что формирование импульсной генерации с малой частотой следования импульсов, синхронной с частотой оптической накачки, носит более общий характер. $1.7. Лазер с призменным ипи пассивным затвором Рассмотрим конкретную структурную схему лазера с призменным затвором, которая состоит из рубинового кристалла, головки затвора, электронной схемы синхронизации и датчика оптического сигнала. Кристалл рубина имеет длину 120 мм и диаметр до 12 ммс ориентацией оптической оси 90'.
Источником накачки служат прямые импульсные ксеноновые лампы типа ИФП-1200. Оптический резонатор образован плоским диэлектрическим зеркалом и призмой полного 222 д» д2 и О В ОЫО,РОд '. и и И ГО Ии„=ор ГО,Равд а Х Рис. 11.7. Статические характеристики призмеяяого затвора рубняового лазера (а) и динамическая характеристика гигантского импульса А = )гни (б): 1.
З рубин среднего качества: 3 — рубин высокОго качества внутреннего отражения (допуск на прямой угол 2"), посаженной нв вал скоростного двигателя, имеющего частоту вращения около 30 х х 10' с — '. Угловая точность юстировки элементов оптического резонатора составляет !О". Электронный блок затвора создает необходимую синхронизацию поджига импульсной лампы с угловым положением вращающейся призмы. Во всех случаях работы лазера с затвором подбиралась задержка поджига импульсной лампы, соответствующая получению максимальной пиковой мощности.
Точность определения амплитуды импульсов не ниже 10 ов. Нейтральные фильтры для каждой серии измерений выбирались постоянными 16). На рис. 11.7, а показаны статические характеристики импульса излучения для трех рубиновых кристаллов. Пороговые кривые Е,„/Е, характеризуют зависимость потерь в резонаторе йх (/) от угла разьюстировки гр. Поскольку гр = 2лп„г, где по — известная частота вращения призмы, эти кривые пересчитывают в зависимости ()х(().
Каждая характеристика имеет свою крутизну, причем наклон ветвей одной и той же характеристики может быть различным. Кроме того, минимальная пороговая энергия накачки не всегда соответствует нулевой юстировке зеркал оптического резонатора. Это связано с тем, что образцы активной среды обладают различными оптическими качествами (клин, неоднородности, натяжения и т.
п.). Известно, что интенсивность излучения связана с потерями и скоростью их изменения, т. е. с крутизной статической характеристики 16, 23),В связи с этим интересно знать влияние параметров оптического резонатора на крутизну статических характеристик, Сравнение характеристик необходимо производить по полуширине Лгр кривой Е (ф), измеренной на уровне 1,5Е,„/Е,. Значение Л~рне зависит от поворота кристалла вокруг продольной оси и от перемещения кристалла вдоль резонатора, но уменьшается с увеличением длины резонатора /. и коэффициента пропускания выходного зеркала тх, Зависимость Лгр (Ц можно объяснить повышением качества юстировки при увеличении расстояния между отражателями. Зависимость Лгр (тх) связана с числом эффективных проходов энергии в резонато- 223 Рис.
11.8. Схема призменного модулятора добротности резонатора лазера (а] и диаграмма режимов работы лазера с призмеииым модулятором (б): ! — активное вещество; 2 — прнзменнмй модулятор; 3 — призма полного внутреннего отраженна; 3 — излучение, 1 — малая инверсия населенностей длн развития генерацнн! !1— область генерацкн одиночных импульсов; !1! — область возможной генерацнн несколь. ккх нмоульсов 02 Рис.
!1тп Схема конструкции призменной головки оптико-механического затвора (а) и осциллограммы последовательности одиночных гигантских импульсов (б): с! ! — высокоскоростной двигатель; 2 — справа призмы; 3 — призма; 4 — окно; 3 — маг. нкт: б! 1 — б кГц! 2 — !о кГц: 3 — 20 кГц; 4 — сигнал звукового генератора частотой 20 кГц 31 б М «б бб, !гб л„гб,~радо ! =Собр Ч «ЬЦ) ЙБЬ)) () ЙЛЛЛ)()) И (11.2!) !4! ре, которое определяется потерями на зеркалах и их юстировкой.
В случае генерации гигантского импульса с помощью электромеханического затвора нарушение юстировки резонатора лазера как бы гарантирует получение импульсов малой длительности. Возбуждение активной среды положительной обратной связью происходит только в те моменты времени, когда излучение, отраженное вращающейся призмой или зеркалом, пройдет по единственно возможному эффективному направлению. Длительность переключения добротности должна быть не более 10 с 1231. Учтя зависимости п, 5.4, совместим входную и выходную плоскости ОП1, ОП2 (см.
рис. 5.6) на одном, допустим, левом отражателе резонатора. Тогда ) 0') излучение, описываемое вектором ~0~ и распространяющееся вдоль 1 оптической оси резонатора, преобразуется после одного полного про(бу~ хода в излучение ~Л!р~, где Лу и Л!р — погрешности юстировки резоиа- 1 1йо) тора. Определим такое эффективное направление излучения 1 которое, в точности повторяя себя при полном проходе, является оптимальным для генерации гигантского импульса. Очевидно, в этом случае должно быть справедливо матричное соотношение Выполнив перемножение матриц и учтя, что А1) — ВС = 1, получим окончательное выражение для определения эффективного направления излучения в разъюстированном резонаторе: где Ш вЂ” единичная матрица; (Мà — обратная матрица идеально съюстированного резонатора. Динамические характеристики лазера с модулированной доброт постыл позволяют установить связь между интенсивностью выходного излучения и такими параметрами, как скорость включения затвора, энергия накачки кристалла, активной среды, размеры и добротность оптического резонатора.
Зависимость амплитуды импульса излучения А от скорости врашення призмы пп изображена на рнс. 11.7, б. С достаточно хорошим приближением можно считать, что в исследуемом диапазоне частот вращения А = ~/ пп. С удлинением оптического резонатора наблюдается усиление интенсивности излучения лазера, что связано с увеличением крутизны статической характеристики н селекцией продольных мод по оси резонатора. При изменении прозрачности от 0 до 0,2 интенсивность излучения увеличивается почти линейно н достигает максимального значениЯ пРн кд = 0,4, после чего начинает Уменьшатьса. 224 Основной причиной уменьшения выходной интенсивности при увеличении прозрачности зеркзл является повышение пороговой энергии накачки Е,.
Оптимальным с точки зрения получения максимальной выходной мошности значением прозрачности зеркал является тх = 0,4...0,5. Зависимость выходной мощности от энергии накачки, полученная для Е = 85 см и тх = 0,4, показывает, что максимальному значению интенсивности излучения соответствует энергия накачки Е„= 1,5Е . Указанные параметры резонатора и энергия накачки являются оптимальными для частоты вращения призмы пп = (20 30) .
10з с '. Наиболее простая оптическая схема лазера с модуляцией добротности резонатора затвором с вращающейся призмой — «крышей» и диаграмма режимов работы лазера в зависимости от частоты вращения лп призмы и инверсии населенностей показаны на рис. 11.8. В области 1 инверсия недостаточна для развития генерации, в области 11 генерируются одиночные импульсы, в области 111 можно получить многократно повторяющиеся импульсы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
