Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Кроме того, некоторые ,типы красителей разлагаются при длительном хранении. Характер взаимодействия излучения с резонансно-поглощающей средой зависит от длительности светового импульса и времени жизни возбужденного состояния. Обобщенная схема энергетических уровней фталоцианнна аналогична трехуровневой схеме генерации (ряс. 4.6), Возбуждение до первого сннглетного состояния 8, характеризуется очень высокой вероятностью перехода.
Последнее обеспечивает большую вероятность поглощения, Время жизни молекулы в состоянии 5, очень мало и в зависимости от типа красителя составляет от 10 ы до 10 "' с. Нижнее триплет. иое состояние является чловушкой» поглощающихся частиц, 'гак как трнплет — синглетный переход Т, — ~- 5» — в первом приближении запрещен по спину (т, ж !О ' с). В силу этого переходы Ю» — 5, практически отсутствуют. В такам приближении, когда Ам .> Ам, т,р„» т„„,, самопросветляющуюся э» 131 среду можно рассматривать как двухуровневую систему, В процессе создания инверсии в активной среде в какой-то момент времени усиление активной среды скомпенсирует потери в резонаторе, и начинается процесс развития импульса генерации, На начальном этапе процесс развития импульса идет медленно, так как когерентиое излучение не просветлило полностью затвор и порог генерации превышен незначительно.
Но начиная с некоторого момента процесс генерации развивается лавинообразно, При данном режиме модуляции из-за неполного просветления фильтра фронт гигантского импульса более растянут, чем при мгновенном включении добротности. Наличие потерь, связанных со светорассеяннем, поглощением при переходах из возбужденных состояний 51 н Т, в более высокие группы уровней Т, к т. и., не позволяет получить коэффициент пропускания просветленного состояния затвора более 60 — 90%, что отрицательно сказывается на КПД лазера. Существенной особенностью механизма просветления является то, что получаемый импульс, как правило, одночастотный.
Это объясняется тем, что в процессе возникновения генерации она начинает развиваться на одной из мод ТЕМ„„, что приводит к просветлению фильтра в нужных дзя нее местах. Тем самым формируется самосоглэсованиый фильтр, предотвращающий генерацию на других типах колебаний. Конструктивно фототропный затвор представляет собой стеклянную или кварцевую кювету, заполненную раствором резонансно-поглощающего вещества в органическом растворителе. Кквету изготовляют из толстого стеклянного или кварцевого кольца и двух плоскопараллельных пластин, соединенных с кольцом глубоким оптическим контактом.
Сбоку кольцо имеет отверстие для заливки раствора. Параллельность входных окон кюветы должна составлять 5 — !О". Толщину полости для заливки фототропной среды обычно выбирают минимально возможной (в пределах ! — 3 мм). При увеличении толщины фототропной среды возрастают потери из-за явлений вынужденного рассеяния Мандельштама-- Бриллюэиа (ВРМБ) и вынужденного комбинационного рассеяния ВКР в органическом растворителе. 4.4. РЕ)КИМ СИНХРОНИЗАЦИИ МОЛ В условиях свободной генерации зависимость интенсивности выходного излучения лазера от времени, как правило„имеет вид нерегулярных пнчков, одной из причин этого является генерирование большого числа различных поперечных и продольных мод.
Наличие внутри резонатора лазера различных оптических элементов обычно приводят к возникновению локальных резонаторов, препятствующих возбуждению некоторых типов колебаний за счет интерференционной селекции мод, именццей место благодаря наличию ряда отражающих плоскостей. Каждый такой !32 Рис. 4.7. Сиена лазера с иеселеатнеиыи реаонаторои Рис.
4.а. Вреиеинаа зависимость иоглиогти излучения в случае генерации сени (а) и нятиалнатн (и) продольны» иол резонатор обладает определенной полосой пропускания, поэтому совместное действие всех резонаторов может существенно ограни' ить число мод, возбуждающихся в системе. Для устранения этого аления используют так называемые неселективные резонаторы, которых зеркальные покрытия наносят ца клнновидные подожки 1 и 2. а торцы активного элемента АЗ срезают под углом рюстера (рнс. 4.7).
В такой системе возникает многочастотная генерация со спек- ральной шириной, близкой к действительной ширине эмиссионной линии данного лазерного перехода, что наиболее удобно ля синхронизации мод, так как эффективность данного режима озрастает с увеличением числа генерируемых продольных мод. од синхронизацией мод понимают процесс, в результате котоого разности фаз между соседними модами остаются постоянными.
результате интерференции продольных мод появляются флук- уации интенсивности и происходит генерация весьма коротких световых импульсов очень большой мощности. Синхронизация фаз продольных мод лазера позволяет получать импульсы лазерного излучения длительностью 10 "— 10 тз с пиковой мощностью до 10" Вт. Такие световые импульсы называют сверхкороткими нли ультракороткими. Идею синхронизации продольных мод с точки зрения их инггерференции можно объяснять следукчцим образам.
Предположим, 'гго в резонаторе все моды генерируют одновременно, амплитуды их одинаковы, а фазы синхронизированы. Пусть число таких мод равно 2Лг + 1, амплитуды мод одинаковы и равны Е„а разность фаз Ф» — Ф„, = гс = сонэ(. Тогда результирующее электрн- (ЗЗ ческое поле Е (1) злектромагнитной волны можно представить в виде Ф Е(1) — ~ Е„ег им,+~ ам) ~ ~-са) (4, 3) ~=и где гзо — центральная частота моды; Ла ясД, — расстояние между соседкими модами.
Для простоты предполагаем, что фаза центральной моды равна нулю. Выполняя суммирование в выра. женин (4,3), найдем Е (() — А (() е'"", где А (1) мп [(2М+ 1) (вью+ к)/21 зы [(аа1 + в)121 Ео. Таким образом, Е(() представлиет собой несущую синусе. идальную волну с центральной яастотои м, н амплитудой А (().
Выходная мощность излучения пропорциональна А' ((). Временная зависимость интенсивности излучения при генерации 2М -)- + 1 = 7 и 2Ф + 1 = 15 модам приведена на рис. 4.8. Таким образом, поле в резонаторе оказывается промодулированным по амплитуде функцией А (1). Выполнение условия синхронизации мод приводит к их взаимной интерференции, и генерация излучения принимает внд последовательности коротких световых импульсов. Максимумы амплитуды огибаю:цей последовательности импульсов соответствуют тем моментам времени, когда знаменатель выражения (4.4) обращается в ноль, Слезовательио, временной интервал между соседними импульсами равен ч = — 2п)'Лы = 2Цс.
Это время есть так называемый период модуляции я соответствует полному проходу резонатора. Следовательно, генерацию можно представить как импульс излучения, распространяющийся в резонаторе туда н обратно. Временной интервал Лт между пиком импульса и первым нулевым уровнем дается выражением Лт = = 1/Лт,, где Лт, = (2Ж + 1) Ле/2я — полная ширина спектра генерируемого излучения. Длительность импульса г„ измеренная на полувысоте, также приблизительно равна Лт. Таким образом, для получения коротких световых импульсов тре. буются активные материалы с большой шириной контура линия усиления лазера.
Пиковая мощность излучения в режиме синхронизации мод пропорциональна (2У + 1)' АЧ, тогда как, если фазы мод случайны, мощность излучения пропорциональна сумме мощностей отдельных мод. Отсюда следует, что благодаря синхронизации мод пиковая мощность увеличивается пропорционально числу синхронизированных мод, в то время как средняя мощность практически не зависит от синхронизации мод, )34 4.5, СИНХРОНИЗАЦИЯ МОД В ЛАЗЕРАХ В методах синхронизации мод, как и в методах модуляции добротности резонаторов, различают активную и пассивную синхронизацию.
Первая осуществляется под действием внешнего сигнала, управляющего работой модулятора, вторая под влиянием поля излучения спонтанно с помощью соответствующей нелинейной оптической среды. Для иллюстрации активной синхронизации мод предположим, что осуществляется периодическая модуляция параметров резонатора с частотой аа, равной или кратной разности частот соседних мод, Рассмотрим модуляцию амплитуды центральной моды Е(1) = Е (1 + (1 соз(а)а)) ее сне"+о 1, где р — глубина модуляция (О ~~ )) ( 1). Используя формулу Зйлера для представления соз, получим Е (а) — Еоес 'ол-ьое> + (РЕ~/2) е' <о +о' '+'о' + (РЕо(2) е' ~™> — гн '+рр .
Таким образом, периодическая амплитудная модуляция с частотой аа приводит к превращению моды на несущей частоте озв в три синфазнме моды на частотах озс, ыо + ас, со, — аа, что вызовет обмен энергией с двумя соседними модами. Поля боковых составляющих сеютветствуют собственным частотам резонатора и лежат в пределах контура линни усиления лазерного перехода, что приводит к их усилению. Онн тоже подвергаются модуляции с частотой аа, в результате чего возникают боковые составляющие ' с частотами езо +- 2Й. Зтот процесс продолжается до тех пор, пока все аксиальные моды внутри области генерации не оказываются синх онизованными. у(' азер с активной синхронизацией мод содержит амплитудный ' или фазовый модулятор, размещаемый вблизи одного из зеркал >резонатора. Амплитудная модуляция осуществляется акустооп'тическим или электрооптическим модулятором, применяемым ,'совместно со скрещенными поляризаторами.
Для синхронизация мод с последующим выведением пикосекундного импульса из резонатора может быть использована схема, приведенная на рис, 4.9. Устанавливая два или более электрооп. тических управляемых отражателей, можно осуществить включение добротности, периодическую модуляцию для фазировки мод и выведение импульса из резонатора.
Для переключения электроРнс. 4ХЬ Пиносвцунцный лазер а активной синхронизацией мох> Ь В вЂ” влеятрсостя есина отражатели: у— антвевнй але ент, д — исвсрстная иринка: а — цве яоасротнне лряеин с воадутвни ааворои аля наведение «асти яеяу«енна , нв резонаторе: 6 — еяетонскровой равряя," еик 1зз Рнс. 4ЛО. Схема вмнеленнв ннкосекунаного нмпульсм 1 — лавер; 8 — цуг вмкосекувк маа яывульсов; 8 — вяейя» Покяельса; б — рааряцвый кабель; б — оолярвеацковвое ог. клоявмяаее усеройсяао; б — вс кровей ярояеасуток; 1 — ааряавый каОель; 8 — еаоравлеяяс волермаацвв Выоульсов а цуге оптических устройств в режим выведения часть излучения должна отводиться вз резонатора иа светоискровой разрядинк. Когда интенсивность выведенного излучения становится достаточной для пробоя светоискрового разрядника, последний срабатывает и формирует электрический импульс, переключающий один из управляемых отражателей в режим выведения, благодаря чему одни пнкосекундный импульс выводится из резонатора.
Здесь один управляемый отражатель используется для включения добротности и периодической модуляции, другой управляемый отражатель включается от светоискрового разрядника и осуществляет выведение пикосекундного импульса. При наличии лазера, работающего в режиме синхронизации мод, выделение одиночного импульса с лучшими параметрами может быть выполнено и внешними устройствами. По схеме на рис. 4ЛО лазер должен излучать цуг линейно поляризованных импульсов. Этот цуг проходит через ячейку Поккельса, а затем через поляризационное отклоняющее устройство. При отсутствии напряжения на ячейке Поккельса весь цуг должен был бы отклоняться в направлении, определяемом поляризацией излучения лазера, Прн включении высокого напряжения зарядный кабель заряжается через сопротивление Я и напряжение оказывается приложенным к искровому промежутку, При соответствую1цем выборе порога срабатывания импульс, обозначенный на рис.
4.!О цифрой б, являющийся в цуге первым, зажигает в разрядном промежутке искру. В результате этого высоковольтный кабель за короткий промежуток времени разряжается. В течение этого промежутка к ячейке Поккельса оказывается приложенным импульс напряжения, который изменяет поляризацию второго импульса цуга. Для управления ячейкой Поккельса может быть использован и быстродействующий фотодетектор. Пассивная синхронизация мод технически осуществляется гораздо проще. В этом случае периодическая модуляция параметров резонатора может быть выполнена с помощью находящегося внутри резонатора нелинейного оптического элемента, например просветляющегося фильтра, 1зз С точки зрения интерфереиционкых представлений каждая пара продольных мод, возбуждаемых в лазере с просветляющимся фильтром, будет периодически модулировать коэффициент резонансного поглощения фильтра с частотой, равной разности частот рассматриваемых мод, что приведет к амплитудной модуляции всех мод.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
