Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

которыми располагаются уровни вращательных энергетических

состояний. В соответствии с квантово-механическими правилами

отбора по спину оптические переходы разрешены между энер­

гетическими состояниями с одинаковой мультиплетностью, т. е. в рассматриваемом случае синглет-синглетные (S ----> S) (время жиз­

ни т,88 ~ 10-9 с, см. рис. 20.13) и триплет-триплетные (Т ---> Т).

Синглет-триплетные и триплет-синглетные переходы (время жиз­

ни 'Стs ~ 10-6 с, см. рис. 20.13) запрещены: их вероятности на три

порядка меньше, чем для разрешенных 8 ----> 8 и Т----> Т переходов. В равновесных условиях (при температуре Т = const) молеку­ лы красителя находятся в основном электронном состоянии 8 0 с

больцмановским распределением по колебательно-вращатель­

ным подуровням (в пределах энергии ~ kT). При облучении

красителя светом от источника накачки происходит поглоще­

ние оптического излучения и молекулы переходят с уровней ос­

новного состояния на колебательно-вращательные уровни воз­

бужденного состояния 8 1 • Поскольку ширины энергетических полос состояний 8 0 и 8 1 велики, то спектр поглощения для этих переходов будет представлять достаточно широкую полосу. Для красителя родамин 6G этот спектр соответствует кривой 1 на рис. 20.14, где интенсивность поглощения характеризуется се­ чением поглощения фотона cr. С верхних энергетических поду­

ровней состояния 8 1 молекула очень быстро (за время~ 10-12 с) в

результате релаксационных безызлучательных процессов пере­

ходит на нижние подуровни 8 1 и затем из состояния 8 1 в 8 0 как излучательно, так и безызлучательно. Спектр спонтанной люми­

несценции (флуоресценции) красителя изображен кривой 2 на рис. 20.14, где Ф00 - спектральная плотность светового потока,

Поэтому с этого момента N 2 начинает уменьшаться до тех пор,

пока не снизится до N 2 nop (см. рис. 20.16, б). При N 2 < N 2 nop ус­

ловие баланса амплитуд не будет выполняться и генерация со­ рвется. После этого вновь происходит накопление возбужден­ ных частиц на верхнем рабочем уровне, и процесс повторяется. Возникают следующие пички, которые повторяются пока дейст­ вует импульс излучения накачки. Как уже отмечалось, излуче­ ние (Ризл) твердотельных лазеров в свободном режиме генерации

состоит из последовательности нерегулярных по амплитуде и

временному положению импульсов - пнчков (рис. 20.16, в). Рас­ смотренный процесс генерации часто наблюдается и во многих генераторах непрерывного режима. Причины возникновения не­ затухающих случайных колебаний могут быть самыми разнооб­ разными. Они могут быть обусловлены нестабильностью пара­ метров лазера, взаимодействием различных мод при многомодо­ вой _генерации, пространственной неоднородностью накачки и ее пульсациями, наличием неоднородностей в кристаллах и други­

ми факторами. Длительность пичков составляет 0,1 ... 10 мкс.

20.6.2. Режим модулированной добротности.

Режим модулированной добротности реализуется при им­ пульсной работе лазера, когда за сравнительно большой проме­

жуток времени за счет энергии накачки происходит значитель­

ное накопление частиц на верхнем рабочем уровне активного

вещества, а излучение происходит в виде очень коротких им­

пульсов с высокой пиковой мощностью («гигантских» лазер­

ных импульсов).

Для предотвращения лазерной генерации в процессе накач­ ки в резонатор вводятся элементы (затворы), управляющие его добротностью. Затворы по сути дела управляют моментами вре­ мени, когда начинают выполняться условия самовозбуждения лазера (баланса амплитуд и фаз). В качестве элементов, управ­ ляющих добротностью резонатора, используются механиче­ ские, электрооптические и пассивные затворы. После того как населенность верхнего рабочего уровня достигнет достаточно больших значений, затвор выключается, добротность резонато­

ра резко возрастает и реализуются условия, необходимые для

развития мощного короткого импульса излучения. Лазеры суп­

равляемой добротностью позволяют получить импульсы света с

длительностью 10-7 ••• 10-9 с и менее при пиковой мощности из­ лучения до 1012 Вт.

зерного излучения в режиме модулированной добротности при­

мерно на два порядка меньше длительности каждого пичка при

свободной генерации.

Таким образом, в режиме свободной генерации, когда в тече­ ние всего импульса накачки остается постоянной высока.я доброт­

ность резонатора Q = Qмакс (затвор отсутствует), лазерная генера­

ция начинаете.я как только инверсная населенность достигает по­

рогового значения N 2 пор (например, в момент времени t 1« t 1 , см.

рис. 2.17, в). Поэтому дл.я формирования каждого пичка свобод­ ной генерации используете.я существенно меньшая энергия на­ качки, чем в режиме модуляции добротности, вследствие чего

эти импульсы имеют гораздо меньшую мощность и большую дли­

тельность. Режим модуляции добротности применяется не толь­

ко при импульсной накачке, его можно использовать и при не­

прерывной накачке для получения последовательности коротких лазерных импульсов. Физические процессы будут такими же, как и при импульсной накачке. При включении затвора происхо­ дит накопление частиц на верхнем лазерном рабочем уровне (ана­ логично режиму модулированной добротности при импульсной накачке); после выключения затвора формируется мощный ко­

роткий импульс излучения, затем процессы повторяются.

В режиме модулированной добротности на характеристики

излучения лазера существенное влияние оказывает скорость

изменения добротности резонатора посредством управляющего

элемента при переходе его из закрытого в открытое состояние.

Экспериментальные исследования показывают, что при низкой

скорости изменения добротности вместо одного импульса может излучаться пачка импульсов с убывающей во времени амплиту­ дой. Такая структура лазерного излучения связана со свойствами

индуцированных излучательных переходов. Многоимпульсная генерация в режиме модулированной добротности является неже­

лательным явлением из-за ухудшения характеристик лазерной

системы. Для получения одноимпульсного излучения необходимо изменять добротность резонатора таким образом, чтобы она при­

нимала установившиеся значения после окончания формирова­

ния первого импульса, т. е. управляющий элемент должен полно­ стью изменять добротность резонатора за время, соизмеримое с

длительностью генерируемого импульса (1: z 1о-7 ...1о-9 с).

Охарактеризуем наиболее типичные методы модуляции до­

бротности лазеров.

Механические методы. Для реализации режима модуляции до­

бротности используется метод, основанный на механическом вра­

щении одного из зеркал резонатора. В механических затворах обычно используется не плоское или сферическое зеркало, а тре­ угольная призма с полным внутренним отражением. Возбуждение колебаний в таком резонаторе возможно лишь в интервалы време­

ни, когда угол между плоскостями зеркал не превышает несколь­

ких угловых минут. Время переключения добротности 10-7 с мож­

но реализовать при скоростях вращения призмы - 30 ООО об/мин.

Включение лампы накачки синхронизируется с вращением зерка­

ла. Разряд в лампе начинается за время t 1 др того, как зеркало при­

дет в положение, соответствующее максимальной добротности ре­

зонатора. Использование призмы полного внутреннего отражения вместо плоского зеркала вызвано тем, что небольшие случайные колебания призмы вокруг горизонтальной оси не сказываются на работе лазера, что очень важно при эксплуатации такого затвора.

Электрооптические методы. Электрооптические затворы (моду­ ляторы, Q-затворы) работают на основе использования эффекта двойного лучепреломления, возникающего под воздействием электрического поля в некоторых изотропных жидкостях (эф­ фект Керра) и твердых кристаллах (эффект Поккельса). Су­ ществует несколько схем устройства такого типа Q-затворов. Одной из наиболее распространенных является схема, в кото­ рой внутрь резонатора вдоль его оси между активной средой и

,зеркалом помещают электрооптический элемент Керра или эле­ мент Поккельса, а за ним в непосредственной близости от зерка- ла - поляризатор. При подаче на электрооптический элемент

постоянного напряжения определенной величины с вектором

напряженности поля, направленным под углом в 45° по отноше­

нию к плоскости поляризации лазерного излучения, за счет эф­

фекта двойного лучепреломления происходит суммарный пово­ рот плоскости поляризации этого излучения на 90°. Поляриза­ тор обычно ориентируют таким образом, чтобы он пропускал излучение свободной генерации (напряжение на электрооптиче­

ском элементе отсутствует), а излучение, поляризованное в пер­

пендикулярной плоскости, задерживал, т. е. затвор закрыт при

наличии соответствующего напряжения на электрооптической ячейке. За время, пока затвор закрыт, источник накачки созда­ ет наибольшую степень инверсной населенности в активном ма­

териале. После этого напряжение с электрооптического элемен-

та практически мгновенно снимается, добротность резонатора резко возрастает и возникает сверхмощный импульс излучения.

В качестве электрооптической среды в затворах широко при­ меняются нитробензол (ячейка Керра) и кристаллы дигидро­ фосфата калия (KDP) и рубидия (RDP) (ячейка Поккельса). К достоинствам электрооптических затворов следует отнести

высокое быстродействие (~ 10-10 с), высокую стойкость к воз­

действию мощного оптического излучения, отсутствие подвиж­

ных частей и возможность электрического управления.

Фототропные управляющие зат.воры. Такие затворы представ­ ляют собой нелинейную оптическую среду, для которой коэф­

фициент поглощения существенно уменьшается при возраста­

нии проходящего через нее излучения. Наиболее часто в этом случае применяют просветляющиеся красители. Эффект про­

светления определяется переходом поглощающих молекул кра­

сителя в возбужденное состояние и связанным с этим уменьше­

нием показателя поглощения. Этот тип модуляторов является

пассивным в отличие от первых двух.

20.6.З. Энергетические характеристики лазеров.

Энергия, излучаемая твердотельными лазерами, определяется

энергией накачки и потерями в резонаторе, прежде всего коэффи­ циентом пропускания полупрозрачного зеркала. Зависимости энергии излучения лазера на рубине и мощности лазера на алю­

мо-иттриевом гранате соответственно от энергии и мощности на­

качки представлены на рис. 20.18 (а - импульсный режим, б -

Т), %

Рис. 20.18