ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-11

«Устройство и действие лазерных систем»

Лекция 11: Оптика лазеров (2)

11.1. Модуляция добротности. 11.2. Разгрузка резонатора 11.3. Модуляция усиления 11.4. Синхронизация мод

Генерация «гигантского импульса»

Сверхкороткий лазерный импульс воздействует на вещество совсем иначе, чем длинный. Так, излучение обычного импульсного лазера зажигает спичечную головку, а сильно сжатый, "гигантский импульс" пробивает ее, подобно пуле, - горючий состав не успевает вспыхнуть. Наиболее сильно сжать импульс удается, применяя дифракционные решетки. Материал активной среды, которая генерирует свет, обладает дисперсией – низкочастотные составляющие импульса движутся медленнее высокочастотных, ширина импульса растет. Дифракционная решетка задерживает низкие частоты, задний фронт импульса догоняет передний, импульс сжимается до фемтосекундной длительности (порядка 10-14 с).

Однако в этом случае сам импульс, тем не менее остается суммой отдельных импульсов, что далеко не всегда устраивает. Особенности преобразования энергии в лазерах позволяют так организовать его работу, что оказывается возможным сформировать «гигантские» одиночные импульсы с высокой эффективностью сосредотачивая в них всю запасенную в активной среде энергию. Это методы

«модулирования

добротности резонатора», «разгрузки резонатора», «модулирования усиления» и «синхронизации» мод.

Модуляция добротности (1)

Модуляция добротности резонатора заключается в возможности произвольного (управляемого) изменения условий лазерной генерации от ее блокирования, до полного открытия резонатора. Время жизни верхнего лазерного уровня (~ 10-3…10-4 с), тогда как возможности оптических затворов позволяют обеспечить Существенно меньшие времена открытия (~ 10-6…10-7 с). При этом происходит переключение добротности резонатора от низкого к высокому. На рис. показаны зависимости инверсии населенностей N и числа фотонов Φ при «быстром» открытии затвора за время tр. Значение N некоторое время остается постоянным, а затем, в результате значительного увеличения числа фотонов в резонаторе, начинает снижаться. Nc – пороговое значение при котором число фотонов Ф достигает своего максимума и начиная с этого момента потери превышают усиление и число фотонов начинает уменьшаться. Таким образом вся накопленная в АС энергия выделится в виде короткого и интенсивного светового импульса с длительностью,

сравнимой с временем жизни фотонов в резонаторе (~ 10-8…10-9 с) Этот метод позволяет получать сверхвысокие мгновенные

значения мощности лазерного луча даже при вполне умеренных величинах запасенной в

активной среде энергии. При «медленном» открытии затвора, когда время открытия затвора сравнимо с временем жизни верхнего уровня динамика модуляции добротности может быть

более сложной и здесь могут возникать многократные импульсы (рис.) При снижении потерь

γ(t) в резонаторе, что равнозначно открытию затвора наступает момент t1, когда уровень потерь становится равным усилению за один проход γ(t1) = kv(t1). При этом возникает импульс

генерации, достигающий максимума когда усиление, уменьшившиеся вследствие излучения вновь уравнивается с потерями. После этого первого импульса усиление сбрасывается до значения, которое меньше потерь и дальнейшая генерация невозможно, пока затвор не

откроется еще больше, потери уменьшатся и вновь создадутся условия для генерации импульса.

Модуляция добротности (2)

Механические модуляторы. Наиболее известен способ с вращающейся пентапризмой (рис.) Макс. добротность

достигается в момент, когда призма параллельна второму зеркалу резонатора. Использование 900 - градусной пентапризмы снижает требования к точности положения призмы при ее вращении. Для ИК-диапазона и больших мощностей лазера используются вращающиеся диски с отверстиями. Достоинства мех. модуляторов – простота и доступность. Недостатки – вибрации и сравнительно медленное переключение ~ 10-3…10-4с. Электрооптические модуляторы. Основаны основанные на повороте плоскости поляризации света в веществе при наложении на него поперечного электрического

(эффекты Керра и Поккельса) или продольного

магнитного поля (эффект Фарадея) и представляют из себя нелинейные кристалл типа KDP или ниобата лития для видимого и ближнего ИК и теллурида кадмия для среднего ИК диапазонов. В них приложенное постоянное электрическое поле приводит к изменению показателя преломления.

Поляризованное излучение активной среды не

проходит сквозь модулятор, пока на него не поступит управляющее напряжение. Быстродействие этих затворов чрезвычайно велико - они срабатывают за 10-13 Секунды, что позволяет получать лазерные

импульсы около 10-10 секунды . Очень

распространены, но более сложны в эксплуатации

из-за высокого напряжения 1..5 кВ.

Модуляция добротности (3)

Акустооптические модуляторы изготавливаются из оптически прозрачной среды (кварц для видимого или германий для среднего ИК диапазонов. С помощью пьезоэлектропреобразователя (а) в нем возбуждается ультразвуковая волна (рис). Если противоположенная преобразователю сторона среды срезана под некоторым углом и на нее нанесен поглотитель для акустооптической волны, то отражения назад не будет и в среде возникнет бегущая акустическая волна (б). Механическое напряжение, наведенное этой волной, вызовет локальные изменения показателя преломления среды (фотоупругий эффект) и часть излучения будет отклоняться и выходить из резонатора. Это означает существование в резонаторе дополнительных потерь, которые могут приводить к срыву генерации. Возвращение лазера в состояние с высокой добротностью происходит при выключении электрического поля на преобразователе. Достоинства – мало потерь в выключенном состоянии, что важно для работы внутри резонатора и возможность работы с очень высокой частотой в импульсно-периодическом режиме. Недостатки – малая величина вносимых потерь во включенном состянии и небольшая скорость

переключения добротности (акустика). Поэтому применяются только в лазерах с малым

усилением и непрерывной накачкой (Nd:YAG и Ar- ионных лазерах).

Модуляция добротности (4)

Модуляторы на основе насыщающего поглотителя относятся к пассивному типу. Насыщающий поглотитель состоит из материала, который поглощает излучение на длине волны лазера и обладает низким значением интенсивности излучения. Используются в виде кюветы, заполненной раствором насыщающегося красителя или в твердом виде на пленке покрытой красителем. Могут использоваться и газообразные (например, SF6 для СО2 лазеров).

На рис. показана зависимость I(t) в логарифмическом масштабе. Когда интенсивность становиться сравнимой с интенсивностью насыщения Is (при t=ts), благодаря насыщению поглощения краситель начинает просветляться. Вследствии этого увеличивается скорость нарастания интенсивности лазерного излучения, что в свою очередь, приводит к увеличению скорости просветления. Процесс происходит очень быстро. Поскольку Is относительно мала, в активной среде инверсия населенности остается очень большой, поэтому после просветления усиление лазера значительно превышает потери и на выходи появляется гигантский импульс. Пассивная модуляция добротности – самый простой и удобный метод. Основной недостаток – фотохимическая деградация поглотителя (особенно красителей).

Модуляция добротности (5)

Режимы работы лазеров с модуляция добротности резонатора могут быть импульсные (1) и импульсно-периодические (2). В первом: R – скорость накачки имеет форму импульса длительностью сравнимой с временем жизни верхнего лазерного уровня. К моменту включения (t=0) инверсия нарастает до максимума. В t=0 потери в резонаторе падают и происходит импульс излучения. Масштабы времен справа и слева от t=0 принципиально разные: при t<0 – миллисекунды, при t>0 – наносекунды. Лазеры могут работать с повторением одиночных импульсов от единиц до нескольких десятков герц. Обычно такой режим обеспечивается электрооптическими и механическими затворами, а также насыщающиеся поглотители.

Второй режим осуществляется при непрерывной накачке лазера и периодическом переключении потерь с высокого на низкий уровень. При этом выходное излучение лазера представляет собой непрерывной цуг световых импульсов, а инверсия в каждом импульсе падает от начальной Ni до конечной Nf. Частота повторения импульсов при непрерывной

накачке варьируется от единиц

до нескольких десятков килогерц Для осуществления этого режима используют акустооптические и механические способы модуляции добротности. Могут использоваться и

насыщающиеся поглотители,

но для этого надо согласовывать частоту повторения импульсов с нелинейной динамикой поглотителя

Разгрузка резонатора

Разгрузка резонатора Этот режим генерации называют также режимом модуляции нагрузки и режимом модуляции

полезных потерь. В отличие от режима модуляции добротности резонатора здесь осуществляется управление не вредными, а полезными потерями.

Для реализации режима разгрузки резонатора используют лазер с высокодобротным резонатором, зеркала которого имеют коэффициент отражения, близкий к единице. В резонатор помещают управляемый внешним сигналом быстродействующий модулятор (переключатель) полезных потерь, предназначенный для вывода части излучения из резонатора. Применяют модуляторы (переключатели) как акустооптического, так и электрооптического типа. В лазерах, работающих в режиме разгрузки резонатора, используется

обычно непрерывная накачка.

Если модулятор полезных потерь не включен, а накачка действует, то при наличии инверсной заселенности рабочих уровней, превышающей относительно невысокий порог генерации высокодобротного резонатора, будет происходить нарастание плотности фотонов внутри резонатора (за счет преобладания индуцированного испускания над резонансным поглощением на рабочем переходе и над потерями). Непрерывно действующая накачка будет

при этом все время поддерживать инверсную заселенность рабочих уровней над порогом

генерации. В данном случае генерация фактически уже идет, однако, излучение оказывается запертым внутри резонатора.

Далее предположим, что на короткое время включается модулятор полезных потерь. Это приводит к выводу из резонатора короткого светового импульса — резонатор частично «разгружается» от накопившихся в нем фотонов.

Разгрузка резонатора

Типичная схема устройства разгрузки резонатора в лазере с непрерывной накачкой

Сравнивая режим разгрузки резонатора с режимом активной модуляции добротности, отметим, что в последнем случае плотность фотонов внутри резонатора в исходном состоянии (когда добротность низка) очень мала; лазер находится ниже соответствующего высоким потерям порога генерации. При включении добротности начинается развитие генерации — одновременно начинает формироваться выходной импульс. Заметим, что его формирование начинается от спонтанного фона (от уровня шумов), что и приводит к существованию относительно длительного этапа линейного развития.

Разгрузка резонатора

В отличие от режима модуляции добротности режим разгрузки резонатора характеризуется высокой добротностью в исходном состоянии; лазер находится выше соответствующего низким потерям порога генерации. До того как выходной импульс начнет формироваться, генерация уже идет и резонатор заполнен фотонами. Подчеркнем: если в режиме модуляции

добротности генерация начинается после подачи управляющего сигнала на модулятор, то в

режиме разгрузки резонатора модулятор включается в уже генерирующем лазере. Это существенно сокращает процесс формирования выходного импульса (в развитии импульса нет длительного линейного этапа). В результате появляется возможность реализации более высоких частот следования световых импульсов.

При выводе фотонов из резонатора лазер должен оставаться выше порога генерации, отвечающего состоянию с высокой добротностью. Это требование ограничивает длительность промежутка времени, на которое можно включать модулятор.

Колебания плотности инверсной заселенности рабочих уровней в режиме разгрузки резонатора являются значительно более слабыми, чем в режиме модуляции добротности. Это связано с тем, что порог генерации в исходном состоянии, а следовательно, и начальная инверсная заселенность при разгрузки резонатора существенно ниже, чем при модуляции добротности.

В случае разгрузки резонатора, длительность импульса можно вычислить из уравнения:

τpc = 2L × n/c

где: τpc – время импульса излучения

L - длина лазерного резонатора

n – коэффициент преломления среды лазера