5.4.5.2. Лазерные системы с сихронизацией мод

Лазеры с синхронизацией мод могут работать как с импульс­ной, так и с непрерывной накачкой (рис. 5.46). При импульсной

^{накачке активная синхронизация мод как правило,}

с помощью электрооптического модулятора на ячейке Поккельса или акустооптического модулято­ра. Возможная конфигурация мо­дулятора на ячейке Поккельса соответствует рис. 5.28, а, когда прикладываемое к ячейке напря­жение модулируется по синусои­дальному закону от нуля до доли

^{четвертьволнового напряжения.}

Пассивная синхронизация мод в импульсных лазерах обычно осу­ществляется применением быст­рых насыщающихся поглотите­лей. В импульсном режиме об­щая длительность Atp огибающей цуга импульсов в режиме синхронизации мод в некоторых слу­чаях определяется длительностью импульса накачки. Это спра­ведливо, например, для усиливающих сред с быстрым временем восстановления (например, лазеров на красителях), в которых Дс' может составлять обычно несколько микросекунд. В случае

усиливающих сред с большим временем восстановления (напри­мер, твердотельных лазерах), когда для синхронизации мод применяется насыщающийся поглотитель, наличие такого погло­тителя приведет не только к синхронизации мод, но и к модуля­ции добротности. При этом длительность &%'_р огибающей цуга

импульсов будет определяться длительностью импульса в ре­жиме модуляции добротности Дт_р, вычисленной в разд. 5.4.3.3 (несколько десятков наносекунд). Заметим, что если наряду с медленно усиливающей средой¹* используется медленно насы­щающийся поглотитель (т около нескольких наносекунд), то, как было показано в разд. 5.43,1, вместо синхронизации мод будет наблюдаться пассивная модуляция добротности селекцией

(одной продольной) моды.

В случае синхронизации мод при непрерывной накачке вы- ходной пучок состоит из непрерывного цуга импульсов, в кото- ром интервал между двумя соседними импульсами равен вре- мени полного прохода резонатора 2L/C (см. рис. 5.46, б). Актив- ная синхронизация осуществляется, как правило, либо модуля- тором на ячейке Поккельса, либо акустическим модулятором, что более общепринято, поскольку потери, вносимые этим моду- лятором в резонатор, меньше. Акустооитический модулятор, ис- пользуемый для синхронизации отличается от кото- рый применяется при модуляции добротности (см. рис. 5.30), по- скольку грань, к которой прикреплен преобразователь, и проти- воположная грань оптического блока параллельно

^i] Следует заметить, что мы используем термины «быстрый» и «медлен­ный» по отношению к времени восстановления в различных смыслах для по­глотителя и для усиливающей среды. Время восстановления насыщающегося поглотителя считается медленным, если его величина (обычно несколько нано­секунд) сравнима с типичным временем полного прохода резонатора. Такое значение времени жизни характерно для поглотителей, у которых релакса­ция определяется спонтанным излучением на электродипольно разрешенном переходе. Время восстановления считается коротким (несколько пикосекунд), если оно сравнимо с характерной длительностью импульса в режиме синхро­низации мод. Столь короткие времена восстановления обычно имеют место при быстрой безызлучательной релаксации в поглотителе. В противополож­ность этому время жизни усиливающей среды считается коротким (а сре­да — быстрой), если оно сравнимо с временем полного прохода резонатора. Это имеет место в случае электродипольно разрешенных лазерных пере­ходов. Время жизни усиливающей среды считается блыппм (а среда — мед­ленной), если оно соответствует электродипольно запрещенному переходу (т порядка миллисекунд).

Ц О. CiiU-.no

друг другу. Звуковая волна, возбуждаемая преобразователем, теперь отражается назад противоположной гранью блока. Если длина оптического блока равна целому числу полуволн звуко­вой волны, то возникают звуковые стоячие волны. В этих усло­виях, если частота звуковой волны равна со, дифракционные по­тери будут промодулированы с частотой 2со. Действительно, ди­фракционные потери достигают максимума те моменты вре­мени, когда имеет место максимум амплитуды стоячей волны.

Рассмотрим теперь стоячую звуковую волну вида S = So (sin <ut) (sin kz). Максимум амплитуды стоячей волны ра­вен So и достигается дважды за период колебаний (а именно при t = О и при t — я/о>). Таким образом, потери модулируются с частотой 2ш и синхронизация мод происходит при выполнении следующих двух условий: 1) если модулятор расположен как можно ближе к одному из зеркал резонатора и 2) если частота модуляции 2со равна 2n(c/2L) и преобразователь возбуждается

Таблица 5.1. Лазерные системы с Синхронизацией мод

Активная среда

Режим работы

At,

Газ:

Ne Ne Ne

Не Не Не

Ar+

C0₂

(низкогода-

вления) C0₂ (TEA)

Кварцевый АОМ

НП (кювета с неоном) НП крезилвиолет в ме-

АОМ

Германиевый АОМ

НП (SF₆)

Германиевый АОМ НП (SF_e)

Непрерывный

Импульсный

1 НС

350 пс 220 пс

150 пс 10—20 не

10—20 не

1 нс 1 нс

Твердое тело:

Nd:YAG

Nd: YAG

Стекло с неодимом Рубин GaAs

Центры ок­раски

Жидкость; Родамин6G

Кварцевый АОМ ЭОМ (LiNB0₃)

НП (красители 9860 или

9840 фирмы «Кодак») НП (DDI) НП

Синхронная накачка

НП (DODCI)

Синхронная накачка

Непрерывный Импульсный

Непрерывный >

Непрерывный с на­качкой Аг+-лазе-ром

С накачкой им­пульсной лампой

Непрерывный, с на­качкой Аг+.ла-зером

100 пс

40 пс 5 пс

10 пс 5 пс 5 пс

25 фс

1 ПС

0.5 пс

') Здесь приняты следующие аббревиатуры: АОМ —акустооптический модулятор,-НП - насыщающийся поглотитель, ЭОМ— электрооптический модулятор.

с частотой v, равной с/4Ь (например, v = 50 МГц при L = = 1,5 м) ¹\ '

В заключение данного раздела, а также раздела, целиком посвященного синхронизации мод, в табл. 5.1 мы суммировали режимы работы некоторых наиболее распространенных лазеров с синхронизацией мод. В следующей главе мы дадим подробное описание каждого из этих лазеров. Здесь же мы лишь заметим,

что при использовании акустооптического модулятора для син­хронизации мод длительности Дт_р импульсов Аг⁺- и Nd : YAG-лазера с непрерывной накачкой окажутся сравнимыми, хотя ши­рина линии у Nd : YAG-лазера (Av₀ « 150 ГГц) существенно больше, чем у Аг+-лазера (Av* = 3,5 ГГц). Это связано с тем,

что лазерная линия в Nd : YAG уширена однородно, в то время как в аргоновом лазере она уширена неоднородно. Заметим также, что самые короткие импульсы (25 фс) получены от не­прерывного лазера на красителе родамин 6G с синхронизацией мод посредством насыщающегося поглотителя DODCI.