5.4.3.1. Методы модуляции добротности

Для модуляции добротности наиболее широко используются следующие системы.

а) Электрооптические затворы. Эти затворы основаны на

обычно на эффекте Поккельса.

Ячейка Поляризатор Поккельса

Ш ш шш ы

_I—и

электрооптическом Ячейка, основанная на

_{этом эффекте (ячейка}

Поккельса), представляет

_{, /}

Отраженный пучок

_a

Ось

^{тляршяторя.}

У

с обой нелинейный кри­сталл типа KD*P или нио-бата лития для видимого и ближнего ИК-Диапазо-на или теллурида кадмия для средней ИК-области. В таком кристалле прило­женное постоянное элек­трическое поле приводит

_{к изменению показателей}

/

I

_\

_{преломления. Это наве­денное двулучепреломле-ние пропорционально при­ложенному напряжению.}

_в

6

Рис. 5.28. а — возможное взаимное распо­ложение поляризатора и ячейки Поккель­са, используемых для модуляции доброт­ности; б-направления компонент элек­трического поля, оси поляризатора и глав­ных осей ячейки Поккельса в плоскости, перпендикулярной оси резонатора.

На рис. 5.28 показан ла­зер с модуляцией доброт­ности, использующий со­ответствующую комбина­цию поляризатора и ячей­ки Поккельса. Ячейка Поккельса ориентирована

и к ней подведено напря­жение смещения таким

образом, что оси к и у наведенного двулучепреломления распо­лагаются в плоскости, перпендикулярной оси лазерного резона­тора. Ось поляризатора образует с главными осями двулучепре-ломляющей ячейки угол 45°. Рассмотрим теперь световую волну, распространяющуюся из активной среды в направлении к си­стеме поляризатор - ячейка Поккельса. Поляризатор пропустит к ячейке Поккельса лишь то лазерное излучение, которое поля­ризовано вдоль оси поляризатора. Поэтому электрическое поле этой падающей волны окажется под углом в 45° к главным осям х и у ячейки Поккельса и может быть разложено на ком­поненты Е_х и Еу вдоль этих осей (рис. 5.28, б). колеблющиеся в фазе. Пройдя через ячейку Поккельса, обе компоненты испы­тают различные фазовые набеги, что приведет к сдвигу

фазы

Д£ = koAnU, (5.84)

где &о = 2яДо, Дм =п_х — п_у — величина наведенного двулуче-преломления, а V - длина кристалла. Если приложенное к

ячейке Поккельса напряжение таково, что 6ф = я/2, то две

компоненты поля будут отличаться по фазе на я/2, так что ког­да компонента х достигает максимума, компонента у равна ну­лю и наоборот, т. е. волна становится поляризованной по кругу (рис. 5.28, в). После отражения от зеркала волна еще раз про­ходит через ячейку Поккельса и компоненты ее электрического поля по осям к и у приобретают дополнительный сдвиг фазы АФ = л/2. Теперь суммарный фазовый сдвиг равен л, так что,

когда компонента х максимальна (и положительна), компо­нента у достигнет своего максимального (отрицательного) зна­чения, как показано на рис. 5.28, г. В результате полное поле Е

_{снова линейно поляризовано, но направление его поляризации}

составляет теперь угол 90° с направлением поляризации падаю­щей волны на рис. 5.28, б. Следовательно, это излучение не про­пускается поляризатором, а отражается из резонатора наружу (см. рис. 5.28, а). Дан^е состояние соответствует закрытому затвору. Открывается затвор путем снятия напряжения смеще­ния. При этом исчезает наведенное двулучепреломление и вхо­дящий свет проходит без изменения его поляризации. Заметим, что напряжение, необходимое для работы этой схемы, назы­вается Я/4-напряжением (четвертьволновым напряжением), по­скольку в соответствии с выражением (5.84) величина Дп£

_{равна V}⁴_-

Модуляторы добротности на ячейке Поккельса являются наиболее распространенным типом устройств для модуляции

добротности. В зависимости от используемого в ячейке Пок-

кельса нелинейного кристалла, конфигурации прикладываемого поля, ориентации кристалла и значения рабочей длины волны ' четвертьволновое напряжение может быть в пределах 1—5 кВ. б) Механические устройства. Наиболее распространенный механический способ модуляции добротности состоит во враще­нии одного из зеркал лазерного резонатора вокруг оси, перпен­дикулярной оси резонатора. В этом случае условие высокой добротности достигается в тот момент, когда вращающееся зер­кало проходит положение, котором оно параллельно второму

зеркалу резонатора. Для того чтобы ослабить требования к юс­

тировке, вместо зеркала устанавливают 90°-нук> пентапризму, у которой ребро прямого угла перпендикулярно оси вращения (рис. 5.29). Такая призма имеет следующее свойство: если свет

распространяется в плоскости, перпендикулярной ребру прямого

угла (рис. 5.29), то отраженный свет всегда параллелен падаю­щему, независимо от вращения призмы относительно ребра прямого угла. Это гарантирует то, что соосность между призмой

^{и вторым зеркалом резонатора в плоскости, перпендикулярной}

ребру прямого угла, достигается в любом случае. При этом эф­фект вращения призмы _л заключается в том, чтобы условие соосности выпол­нялось в другом направ­лении.

Модуляторы добротно­сти с вращающейся приз­мой являются простыми и

недорогими устройствами

и могут быть изготовлены

для любой длины волны.

^{Двигятель}

Рис. 5.29. Механическая система модуля­ции добротности с использованием 90°-ной

пентапризмы.

Однако они весьма за-шумлены и» как правило,

обеспечивают медленную

модуляцию добротности вследствие того, что ско­рость вращения зеркал

имеет ограничения. Например, в Nd: YAG-лазерах условие вы­сокой добротности соответствует области углов поворота всего лишь 1 мрад относительно положения точной юстировки. Следо­вательно, даже если двигатель обеспечивает вращение с очень

болыиой скоростью 24000 об/мин (400 Гц), продолжительность состояния с высокой добротностью будет равна около 400 нс. Столь большое время переключения в некоторых случаях может вызывать генерацию многократных импульсов.

в) Акустооптические модуляторы добротности [23]. Акусто-

_{оптический модулятор представляет собой участок оптически}

прозрачной среды (например, плавленого кварца для видимой

области или германия для среднего и дальнего ИК-диапазона), в котором с помощью прикрепленного с одной стороны пьезо­электрического преобразователя, подключенного к ВЧ-генера-тору, возбуждается ультразвуковая волна (рис. 5.30, а). Если противоположная преобразователю сторона участка прозрачной

среды срезана под некоторым углом и на нее нанесен поглоти­тель для акустической волны, то отражения назад не будет и в среде возникает бегущая акустическая волна. Механическое

Ю О. Звел то

напряжение, наведенное ультразвуковой волной, вызовет локаль­ные изменения показателя преломления среды (фотоупругий эффект). Это периодическое изменение показателя преломления можно рассматривать как фазовую дифракционную решетку, пе-

_{излучение}

Поглотитель

~_У*Дифрагированный лучок

Заднее зеркало

_а