Дисррскшрозиитт пучок

^{f ВЧ}

₆

ъезоэлектрн ческиа преобразователь

Рис. 5.30. а — схема устройства лазера, в котором модуляция добротности осуществляется с помощью актетооптического модулятора; б-падающий, прошедший и дифрагированный пучки в акустоолтическом модуляторе

(брэгговский режим).

риод которой равен длине акустической волны, а амплитуда пропорциональна амплитуде звука, и которая передвигается в среде со скоростью звука (фазовая решетка бегущей волны). Если акустооптическую ячейку поместить в резонатор лазера, то до тех пор, пока к преобразователю приложено электрическое напряжение, в резонаторе существуют дополнительные потери. Действительно, часть лазерного пучка выводится из резонатора вследствие дифракции излучения на наведенной фазовой ре­шетке. Если приложенное напряжение достаточно велико» то дополнительные потери приведут к прекращению лазерной гене­рации. Возвращение лазера в состояние с высокой доброт­ностью происходит при выключении электрического напряже­ния на преобразователе.

Чтобы получить более глубокое представление о работе аку-стооптического модулятора, рассмотрим случай, когда длина U оптической среды достаточно велика и поэтому решетка дей­ствует как толстая фазовая решетка. Для реализации этого слу­чая необходимо, чтобы выполнялось следующее условие:

2яА1'М1> 1, (5.84а)

где К— длина волны падающего света, п — показатель прелом­ления среды, а К_а — длина звуковой волны (к_а = ^/v_a, где v — скорость звука и v_a — частота звуковой волны). Рассматривая, например, кварц (скорость сдвиговой волны в нем равна v = = 3,76-10^s см/с), который возбуждается на частоте v₀ = = 50 МГц, мы получаем Х₀ = 75 мкм и из условия (5.84а) (учи­тывая, что в кварце п = 1,45) V 1,3 мм. Если длина кри­сталла составляет, например, около 5 см, то дифракция проис­ходит в режиме толстой фазовой решетки, который называется режимом дифракции Брэгга. В этом режиме из резонатора под углом 9' = Я/Я_а выходит только один дифрагированный пучок и наибольшая эффективность дифракции достигается тогда, когда направление падающего света удовлетворяет условию вв = = %/2Х_а (рис. 5,30, б), впервые полученному Брэггом для ди~

фракции рентгеновских лучей на кристаллографических плоско­стях. В таком случае дифрагированный пучок можно рассмат­ривать как результат зеркальных отражений падающего пучка от фазовых плоскостей, образуемых звуковой волной. Если к пьезоэлектрическому преобразователю подводится ВЧ-сигнал достаточно высокой мощности, то из резонатора может дифра­гировать сравнительно большая доля ц падающего пучка (на­пример, для мощности порядка нескольких десятков ватт мы имеем ц =50 %). В конкретном примере, рассмотренном выше,

^]) Если 2n%V/яЯд<С l_f то звуковая решетка является тонкой фазовой

решеткой (режим Рамана — Ната). Для достижения максимальной эффек­тивности дифракции направления лазерного пучка и звуковой волны долж­ны теперь составлять угол 90°, и тогда, как и в случае обыкновенной ди­фракционной решетки» пучок разделяется на множество дифрагированных пучков, составляющих с падающим углы Ва = ztn%l%a_t где п — целое число.

пучок дифрагирует под углом 8' ~ 0,8° относительно направле­ния падающего пучка ^1}.

Акустооптичсские модуляторы обладают следующими пре­имуществами; будучи помещенными в резонатор, они вносят мало дополнительных потерь, а в импульсно-периодическом ре­жиме могут работать в режиме с высокой частотой повторения импульсов (килогерцы). Однако они имеют весьма ограничен­ную величину потерь, вносимых в случае низкой добротности и, кроме того, небольшую скорость переключения добротности. По­этому такие модуляторы применяются в основном в периодических лазерах с малым усилением и непрерывной на­качкой (например, в непрерывных Nd : YAG-лазерах).

Рассмотренные до сих пор три устройства для модуляции доб­ротности подпадают под категорию активных модуляторов доб­ротности, поскольку ими необходимо управлять с помощью со­ответствующего устройства (источник питания ячейки Поккель­са, вращающий двигатель или ВЧ-генератор). Но модуляцию добротности можно также осуществить автоматически, не ис­пользуя каких-либо управляющих устройств. Модуляторы та­кого типа называются пассивными модуляторами добротности.

^J> В последнее время все большую популярность приобретают пассивные модуляторы добротности на кристаллах галогенидов щелочных металлов (типа LiF) с центрами окраски, особенно в ближнем ИК-диапазоне. Свой­ства активного центра — центра окраски — весьма похожи на свойства моле­кулы красителя. Подробнее об этом в разд 6.7.— Прим. ред.

г) Модулятор добротности на основе насыщающегося погло­тителя. Самый распространенный на сегодня пассивный модуля­тор добротности использует насыщающийся поглотитель, кото­рый поглощает излучение на длине волны лазера. Во многих случаях он используется в виде кюветы, заполненной раствором насыщающегося красителя в соответствующем растворителе (например, в случае Nd: YAG это растворенный в 1,2-дихлор-этане краситель, называемый BDN — 4-диметиламинодитиобен-зилникель). Иногда также используют твердотельные (напри­мер, BDN в ацетатцеллюлозной пленке) или газообразные (на­пример, SFe для СОулазера) насыщающиеся поглотители^п. В первом приближении насыщающийся поглотитель можно рас­сматривать как двухуровневую систему с очень большим сече­нием поглощения в максимуме линии (в случае насыщающегося красителя эта величина составляет 10~¹⁶ см²). При этом из вы­ражения (2,140) следует, что соответствующая интенсивность насыщения I_s сравнительно мала и при относительно небольшой интенсивности падающего света поглотитель становится почти прозрачным (благодаря насыщению). Предположим теперь, что кювету с красителем поместили в резонатор лазера, причем длина волны, при которой поглощение раствора красителя мак­симально, совпадает с длиной волны генерации лазера. Для оп­ределенности будем считать также, что начальное (т. е. ненасы­щенное) поглощение в кювете с красителем равно 50 %. В рас­сматриваемом лазере генерация может начаться только при ус­ловии, что усиление активной среды скомпенсирует потери в кювете, а также потери резонатора при отсутствии насыщения. Вследствие большого поглощения в кювете с красителем крити­ческая инверсия населенностей оказывается очень высокой. С мо-

i, мне

Рис. 5.31. Типичная временная зависимость интенсивности / лазерного пучка в резонаторе длиной 60 см с пассивной модуляцией добротности, осуществ­ляемой насыщающимся поглотителем. Величина 1_п — это интенсивность шума в данной моде, обусловленного спонтанным излучением. Приведена также длительность импульса (—30 ис), измеренная как ширина импульса на

полувысоте.

мента начала генерации интенсивность лазерного излучения бу­дет нарастать от уровня спонтанных шумов (рис. 5.31). Когда интенсивность становится сравнимой с I_s (что имеет место при t ~ t_Si как показано на рис. 5.31), благодаря насыщению погло­щения краситель начнет просветляться. Вследствие этого увели­чивается скорость нарастания интенсивности лазерного излу­чения, что в свою очередь приводит к увеличению скорости просветления красителя, и т. д. Поскольку величина /<? относи­тельно мала, в активной среде инверсия населенностей после

просветления по существу остается той же самой, что и до про­светления красителя (т, е. очень большой). Поэтому после про­светления красителя усиление лазера значительно превышает потери и, как следствие этого, на выходе лазера появится гигантский импульс (рис. 5.31). Следует заметить, что на рис. 5.31 масштаб по вертикали является логарифмическим. В линейном масштабе интенсивность излучения лазера в течение времени нарастания импульса (т. е. при / <С i$) была бы слишком сла­бой и на рисунке ее не было бы видно, а была бы заметна лишь

^{хвостовая часть импульса (длительность которой на рисунке мы}

приняли равной 30 не). Заметим также, что в этом случае время нарастания t_s очень велико (несколько микросекунд). На самом деле при t < t_s (т. е. до просветления) лазер действует как обыкновенный лазер в импульсном режиме (см. рис, 5.24). Это

означает, что свет до им максимальной интенсивно-

сти совершает весьма большое число проходов (в примере, рас­смотренном на рис. 5.31, это число составляет около 2000), В ре­зультате этого происходит естественная селекция мод [24]. Дей­ствительно, пусть две моды имеют ненасыщенные коэффициенты усиления за проход g\ и g₂ (g = aNl)_y а потери за проход рав­ны yi и Y2- Поскольку эти моды начинают усиливаться от одной и той же интенсивности, соответствующей спонтанному излуче­нию, отношение интенеивностей обеих мод в момент времени t = t_s дается выражением

(5.85)

где k — число проходов. Если теперь положить, что величина б = (gi — у\) — (g₂— 72) равна разности между результирую­щими коэффициентами усиления обеих мод, то мы можем запи­сать, что 1\/1> — ехр к8. Таким образом, мы видим, даже счи­тая 8 имеющей очень небольшое значение 0,001, что при к = = 2000 /)//2 = ехр 2 = 8,4. Следовательно, даже очень неболь­шая разница в усилении или потерях между двумя модами при­водит к большому различию в их пнтенсивностях в момент вре­мени / = l_St а стало быть и в. момент времени / = i_Pi т, е. в мак­симуме импульса. Поэтому, используя модулятор добротности на

насыщающемся поглотителе, осуществить генерацию

в одномодовом режиме. Заметим, что при активной модуляции добротности этот механизм селекции мод значительно менее эф­фективен, поскольку формирование импульса лазера из шума

происходит намного быстрее число проходов может

быть всего около 10 или 20.

Пассивная модуляция добротности с помощью насыщающе­гося поглотителя представляет собой самый простой метод мо­дуляции добротности. Основным недостатком этого метода яв­ляется фотохимическая деградация насыщающегося поглоти­теля, и поэтому применение пассивной модуляции добротности ограничено главным образом маломощными устройствами с низкой частотой повторения (несколько герц)