Одномодовый режим генерации

Для однородной и неоднородной линии существует несколько способов заставить лазер генерировать на одной моде.

Например, чтобы получить генерацию на одной моде ТЕМ₀₀ для газового лазера необходимо поместить в центре резонатора, где пучок имеет перетяжку, диафрагму. Это приведет к тому, что потери на всех других модах увеличатся. Генерировать будет только «центральная мода».

Можно применить и короткий резонатор, что увеличит расстояние между модами. Тогда крайние моды увеличат потери, а потери центральной не изменятся, что обеспечит генерацию только на центральной моде. Однако эти приемы нельзя применить в твердотельных и жидкостных лазерах.

В твердотельных и жидкостных лазерах ширина линий переходов составляет 100 и более ГГц. Селекция продольных мод осуществляется путем размещения внутри резонатора эталона Фабри-Перо с соответствующим расстоянием между отражающими поверхностями с коэффициентом отражения R. Предположим, что эталон наклонен под углом θ к оси резонатора. Тогда максимум пропускания эталона определяется выражением

,

где n – целое число, - угол преломления пучка внутри эталона, n_r – показатель преломления эталона и L₁ – его длина. Поскольку L₁ много меньше

длины резонатора L, очень небольшого изменения угла θ (следовательно, и ) от положения θ= =0 достаточно, чтобы настроить максимум пропускания эталона на центральную частоту контура усиления лазера. Если теперь

межмодовое расстояние между двумя соседними продольными модами больше половины ширины Δν_с пика пропускания эталона или равно ей, то эталон отселектирует моду в центре линии от её соседей. Для реализации данного условия необходимо, чтобы

.

Полагая в cos =1 можно записать

.

Из двух последних выражений получаем условие

.

Если последнее условие выполняется, то эталон будет обеспечивать дискриминацию между модой в центре линии и двумя соседними модами резонатора. Однако, если область дисперсии эталона значительно меньше половины ширины линии усиления, то два соседних пика пропускания эталона будут также приводить к возможности генерации соответствующих мод. Чтобы избежать подобной ситуации необходимо выполнить условие:

,

т.е. условие дискриминации между соседними максимумами пропускания эталона. Из этого условия и выражения получаем

.

Одновременное выполнение подчеркнутых условий возможно лишь при выполнении неравенства:

.

Если данное условие выполнить нельзя вследствие, скажем, ограничений на практически достижимые значения резкости, то применение только одного эталона Фабри-Перо не позволяет осуществить одномодовую генерацию. Таким образом, необходимо использовать еще один эталон, или большее число эталонов.

Нестационарный режим работы лазера

Скоростные уравнения, описывающие нестационарный режим, являются нелинейными относительно переменных q(t) и N(t), общее аналитическое решение получить невозможно. Поэтому будут очень кратко рассмотрены (скорее упомянуты) некоторые результаты расчетов и экспериментальных результатов. Сразу же необходимо отметить, что если лазер работает в импульсном режиме, и если длительность импульсов больше длительности переходных процессов, то применимы подходы непрерывного режима. Однако имеются некоторые особенности в лазерной генерации.

Релаксационные колебания в одномодовых лазерах.

Релаксационные колебания в одномодовом лазере – это проявление инерционности системы активная среда – генерируемые фотоны. Осциллирующий характер кривых N(t) и q(t) объясняется тем, что после того как изменилась инверсия населенностей, число фотонов изменяется не сразу, а с некоторой задержкой. Как только инверсия населенностей достигла критического значения, в резонаторе начинает возрастать число фотонов относительно начального значения, определяемого спонтанным излучением.

Пока развивается процесс увеличения числа фотонов, инверсия населенностей начинает превышать критическое значение. Далее, как только число фотонов достигнет относительно большого значения, N(t) будет уменьшаться из-за высокой скорости вынужденного излучения до значения меньшего критического уровня. Лазер окажется в условиях ниже порогового и число фотонов уменьшится до столь малого значения, что N(t) снова начнет расти. Процесс повторяется до достижения стационарного состояния.

Такой процесс может наблюдаться и в случае стационарной генерации после того, как лазер испытал возмущение.

Пичковый режим многомодовых лазеров.

В случае многомодовой генерации необходимо учесть временную и пространственную интерференцию мод, необходимо записать столько уравнений э.м. волн, сколько генерируется мод. Получается сложная временная зависимость выходного излучения. Выходное излучение представляет собой цуг нерегулярных импульсов. Генерация не переходит в нестационарный режим (как в предыдущем случае). При переходе от цуга пичков к цугу происходит изменение генерируемых мод. Происходит «перескок мод».

Модуляция добротности.

М етод модуляции добротности позволяет получать лазерную генерацию в виде коротких импульсов (от нескольких наносекунд до нескольких десятков наносекунд) с высокой пиковой мощностью (до нескольких десятков мегаватт). Основная идея метода состоит в следующем. Предположим, что в резонатор лазера помещен затвор. Если затвор закрыт, то генерация возникнуть не может и инверсия населенностей может достичь значения, которое намного превышает пороговое, имеющее место в отсутствие затвора. Если теперь резко открыть затвор, то усиление в лазере существенно превысит потери и накопленная энергия выделится в виде короткого и интенсивного светового импульса. Поскольку при этом происходит переключение добротности резонатора от низкого к высокому значению, то данный метод называется модуляцией добротности.

Временная последовательность событий при модуляции добротности изображена на рис.

Предполагаем:

- накачка происходит с постоянной скоростью в течение -t_ω≤t≤0;

- потери в лазере γ(t) переключаются в t=0 от очень большого значения до нормального, соответствующего открытому затвору.

Поэтому до момента t=0 генерации нет, и инверсия растет до очень большого значения.

Длительность импульса накачки t_ω должна быть меньше времени релаксации, чтобы энергия не терялась вследствие спонтанной релаксации.

Когда затвор открывается, усиление значительно превосходит потери. Число фотонов резко увеличивается.

Модуляция добротности осуществляется различными методами:

• электрооптическими затворами;

• механическими устройствами;

• акустооптическими модуляторами.