Акустооптическая модуляция добротности.

Акустооптический модулятор представляет собой оптически прозрачное вещество (например, кварцевое стекло для видимого диапазона и германий для ИК-диапазона), в котором с помощью пьезоэлектрического преобразователя возбуждается ультразвуковая волна. Наличие ультразвуковой волны приводит к тому, что это вещество работает как фазовая решетка. Действительно, вызываемые ультразвуковой волной деформации приводят к локальным изменениям показателя преломления вещества (фотоупругий эффект). Период такой решетки равен длине волны акустических колебаний, а ее амплитуда пропорциональна амплитуде ультразвука. Если акустооптическую ячейку поместить в резонатор лазера (рис 3.4), то при приложении напряжения к преобразователю в резонаторе возникнут дополнительные потери. Действительно, часть лазерного пучка будет дифрагировать на индуцированной фазовой решетке и выходить из резонатора. Если прикладываемое напряжение сделать достаточно высоким, то эти дополнительные потери могут привести к срыву генерации. Затем, снимая напряжение с преобразователя, мы можем снова восстановить в лазере высокую добротность резонатора.

Рисунок 3.4. Схема устройства лазера, в котором модуляция добротности осуществляется акустооптическим модулятором

Рис.3.5 Развитие импульса в лазере с модуляцией добротности, работающем в импульсном режиме

На рисунке показаны временные зависимости скорости накачки Wp, потерь резонатора у, инверсии населенностей N и числа фотонов q.

Наиболее эффективные методы модуляции добротности лазера.

1. Одно из двух зеркал резонатора вращается вокруг оси. Потери в резонаторе будут очень высокими на протяжении всего цикла, за исключением короткого интервала времени, соответствующего параллельному расположению зеркал. Этот момент времени соответствует включению добротности.

2. Внутри резонатора имеется специальный элемент - оптический модулятор, оптические свойства которого можно изменять с помощью внешних воздействий. Наиболее часто для этих целей используют электрооптические модуляторы, работающие на основе электрооптических эффектов в кристаллах.

3. Внутри резонатора имеется насыщающийся поглотитель, т. е. вещество, показатель поглощения которого уменьшается (насыщается) с ростом интенсивности излучения. Наиболее часто здесь применяют просветляющиеся красители. Эффект просветления определяется переходом поглощающих молекул красителя в возбужденное состояние и связанным с этим уменьшением показателя поглощения.

Первый и второй методы модуляции добротности являются активными, а третий - пассивным. В последнем случае потери в резонаторе регулируются автоматически.

4. Расчет пороговой энергии накачки, выходной энергии и средней за время импульса мощности излучения твердотельного лазера на рубине, работающего в режиме модулированной добротности с пассивным затвором при использовании водяного охлаждения

Рассчитаем выходную и пороговую энергии твердотельного лазера, работающего в режиме модулированной добротности с пассивным затвором [5]. Лазер имеет следующие параметры: lЭ=9,5см; d Э=0.52см; l A=9.1см; L=25см; ZP=0.037;21=2.810см; R31=0.3; 0=0.28; =0.87; b=0.393; qСВ=0.559. Коэффициенты и постоянные, используемые при расчете, имеют следующие значения: m=4; g1=4; g2=2; R1=4.3202910Гц; R2=4.329610Гц;Э=1.76; КВ=1.5; СР=1.35;

k=1.3810 эргград; kc=7.85; В=0.6943см; Т=300К. Используется водяное охлаждение.

1 Определение потерь на излучение при закрытом затворе. Коэффициент отражения торца активного элемента определяется по следующей формуле:

R=()=()=0.076

Коэффициент отражения от передней грани переключателя добротности:

R=()=()=0.04

Коэффициент отражения выходного зеркала с учетом интерференционных явлений:

R`=== 0,512

Коэффициент отражения:

R===0.203

Потери на излучение определяются следующим образом:

K=ln=ln= 0,08083 см

2 Потери на излучение при открытом затворе определяются следующим выражением:

K=ln=ln=0.0408 см

3 Расчет пассивных потерь в резонаторе.

Пассивные потери, обусловленные линзовым эффектом в активном элементе, определяются следующей формулой:

p==0.0308 см

Потери, обусловленные поглощением в активном элементе:

=7.850.037=0.01075 см.

Пассивные потери в резонаторе находятся по формуле:

0.0308+0.01075=0.0415 см

4. Полные потери в резонаторе при закрытом затворе определяются согласно следующей формуле:

K=+K=0.0415+0.08083=0.12234 см

4. Полные потери в резонаторе при закрытом затворе:

K=+K=0.0415+0.0408=0.08233 см

6 Определение отношения максимальной относительной инверсной населенности к минимальной. Отношение между полными потерями в резонаторе:

K=K/K= 1,486

По графику 1 находим ln z = 0.83, откуда

z = = 2.293

График 1

4. Определение предельного коэффициента усиления. Концентрация активатора:

n= 4.5510Z=4.5510_{0.037 = 1.68410} см

Искомое значение равно:

= = 2.8101.68410=0.47 см.

4. Максимальная относительная инверсная населенность определяется следующей формулой:

=0.12234/0.47=0.260.

4. Минимальная относительная инверсная населенность:

0.26/2.293=0.113.

4. Определение коэффициента H:

H===0.935

4. Определение максимальной относительной инверсной населенности уровней периферийной части активного элемента:

==(K- 0.5A)/(A+2HK).

Коэффициент K при жидкостном охлаждении (=1.3 – 1.4) может быть определен следующим образом:

K=k-kd+kd+kdZ=

=0.655-0.2010.52+0.0230.52+0.06850.520.037=0.56

A===0.678

Тогда

=(0.56-0.50.678)/(0.678+20.9350.56)=0.275

4. Эффективная площадь генерирования активного элемента:

S==

==

=0.0763 см.

4. Энергетический коэффициент связи между выходной энергией импульса излучения и полной энергией, выделяемой в резонаторе, определяются следующим выражением:

B==

==2.64

4. Выходная энергия определяется следующим образом:

E=65.2ZSl/B=

=65.20.0370.07639.1(0.260-0.113)/2.64=0.095 Дж.

4. Определение пороговой энергии накачки. Функция накачки активного элемента определяется следующим образом:

=exp=0.0335.

Тогда фактор связи:

Дж.

Полученные данные позволяют определить пороговую энергию:

E=ln247,2 Дж.

4. Длительность импульса равна:

.

Здесь - коэффициент заполнения резонатора;

V = 1.7 10см/c – скорость распространения света в рубине; L – длина резонатора.

K=1.769,5/(25-9,5+1.769,5)=0.519

Тогда

=1.28310с.

4. Средняя за импульс мощность излучения:

W=E/= 0.095/1.28310=7.410Вт.