5.4.4. Модуляция усиления

Модуляция усиления, как и модуляция добротности, являет­ся методом, позволяющим генерировать лазерные импульсы ко­роткой длительности (обычно от нескольких десятков до не­скольких сотен наносекунд) и высокой пиковой мощности. Од­нако в отличие от модуляции добротности, при которой потери

резко переключаются до низкого при модуляции усиле-

ния резко переключается усиление до высокого Моду-

ляция усиления осуществляется с помощью столь короткого им- пульса накачки, что инверсия а следовательно, и

усиление начинают заметно превышать пороговые значения раньше, чем число фотонов в резонаторе возрастает до доста­точно высокого уровня, чтобы уменьшить инверсию.

Происходящие при этом физические явления можно относи­тельно просто описать, обращаясь к случаю пичковой генера­ции, представленной на рис. 5,24. Если предположить, что ско­рость накачки W_p = W_p(t) имеет форму прямоугольного им­пульса, начинающегося при t = 0 и заканчивающегося при t = = 5 мкс, то излучение будет состоять лишь из первого пичка в изображенной на рисунке зависимости q(t), который возникает в момент времени около / = 5 мкс. Действительно, после гене­рации этого пичка инверсия будет уменьшена световым импуль­сом до уровня, который существенно ниже порогового и который не будет затем возрастать, поскольку накачка уже отсутствует. Таким образом, мы видим, что модуляция усиления по своему характеру аналогична пичковой генерации в лазере, рассмотрен­ной в разд. 5.4.1. Заметим, что на практике временная зависи­мость накачки имеет вид колоколообразного импульса, а не пря­моугольного. В этом случае мы будем считать, что максимум светового пичка соответствует спаду импульса накачки. Дей­ствительно, если бы максимум совпадал, например, с максиму­мом импульса накачки, то после генерации пичка оставалось бы достаточно энергии накачки, чтобы инверсия могла снова выра­сти до значения выше порогового и, таким образом, в лазерной генерации появился бы второй пичок, хотя и меньшей интенсив­ности. Напротив, если бы число фотонов достигало максимума значительно позже на хвосте импульса накачки, то это означало бы, что накачка не была достаточно продолжительной, чтобы

^{инверсия выросла до приемлемо высокого}

Из вышесказанного можно заключить, что для данного значе­ния максимальной скорости накачки существует некоторая оптимальная длительность импульса. Если это максимальное значение увеличивается, то число фотонов нарастает быстрее и тогда необходимо уменьшить длительность импульса накачки. Можно также показать, что при увеличении максимальной ско­рости накачки возрастает максимальная инверсия и генерируется

более короткий и интенсивный импульс. Для четырехуровневых

лазеров типичные значения времени нарастания интенсивности лазерного излучения до своего пикового значения в зависимо­сти от максимального значения скорости накачки могут состав­лять 5 Тс — 20 Тс, где х_с время жизни фотона в резонаторе¹*.

о Следует заметить, что изображенное на рис. 5.24 время нарастания заметно превышает указанные значения, поскольку рис. 5.24 относится к случаю трехуровневого лазера и к ситуации, когда накачка лишь незначи­тельно превышает пороговую.

_J

Поэтому длительность импульса накачки должна быть прибли­зительно равна этому времени нарастания. В рассмотренных нами условиях максимальное значение инверсии может в 4­10 раз превосходить пороговое значение, поэтому возможна ге­нерация лазерного импульса высокой пиковой мощности и ма­лой длительности.

Наиболее распространенным примером лазера с модуляцией усиления является TEA (лазер с поперечным возбуждением при атмосферном давлении, см. разд. 6.3.3.1) С0₂-лазер, накачивае­мый электрическими импульсами. Выбирая обычную длину ре­зонатора 1=1 м, коэффициент пропускания выходного зер­кала 20 % и предполагая, что внутренние потери связаны только с пропусканием зеркала, получаем у ~ 0,1 и х_с = L/cy ж 30 не. Если считать, что время установления ядерной генерации в де­сять больше тс, то длительность лазерного импульса должна

быть порядка 300 нс, что соответствует экспериментальным дан­ным, Наконец, заметим, что в принципе любой лазер может ра­ботать в режиме модуляции усиления, если импульс накачки до­статочно короткий и интенсивный, как, например, при накачке

другим лазером. В качестве примеров упомянем лазеры на кра­сителе с накачкой короткими (~ 0,5 не) импульсами азотного лазера, работающего при атмосферном давлении, или полупро­водниковые диодные лазеры, накачиваемые очень коротким (~ 0,5 нс) импульсом тока.