20. Режимы работы твердотельных лазеров.

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР -лазер, в к-ром активной средой являются активир. диэлектрич. кристаллы и стёкла или диэлектрич. кристаллы с собственными точечными дефектами. В качестве активаторов кристаллов и стёкол обычно служат ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа. Инверсная населённость в активной среде Т. л. достигается оптич. накачкой- освещением активного элемента (АЭ) спец. лампами, солнечным излучением или излучением др. лазеров, в частности полупроводниковых. Генерация Т. л. осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме. Свободная генерация: генерация представляет собой последовательность нерегулярных по частоте и амплитуде импульсов, т.н. пичковый режим или импульс близкий к форме импульса накачки, т.н. беспичковый режим (за исключением переднего фронта импульса из-за начального переходного процесса), в котором импульс генерации имеет квазигладкую форму. Пичковый характер генерации связан техническими шумами лазера, а также с тем, что лазер генерирует вблизи порога генерации и балансирует между ростом инверсии населенности в активном элементе и излучательными потерями. Длительность импульса генерации составляет от десятков до сотен микросекунд. АЭ этих лазеров обычно имеют форму кругового цилиндра или стержня прямоуг. сечения. Иногда применяют и АЭ более сложных конфигураций. Наиб. распространение получила конструкция Т. л., в к-рой цилиндрический АЭ вместе с газоразрядной лампой накачки помещаются в камеру-осветитель, концентрирующую излучение лампы накачки в АЭ. Из-за многократности отражения излучения накачки от внутр. поверхности камеры-осветителя достигается более полное его поглощение в АЭ. Диапазон длин волн генерации Т. л. простирается от УФ- до средней ИК-области. Т. л. работают в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах .У существующих Т. л. мощность генерации в непрерывном режиме может достигать 1-3 кВт при уд. энергосъёме ~ 10 Вт с 1 см3 активной среды при кпд ~3%. Ср. мощность 103 Вт при частоте повторения импульсов до 100 Гц реализуется в Т. л. импульсно-периодич. действия в режиме свободной генерации при длительности импульса 10-310-4с.Т. л. с успехом работают в режиме модуляции добротности резонатора, что позволяет генерировать гигантские импульсы, длительность и энергия к-рых зависят от скорости включения затвора и свойств активной среды. Обычные значения длительности таких импульсов (1 - 10).10-8с. Их пиковая мощность ограничивается при этом оптич. прочностью активных и пассивных элементов резонатора, к-рая обычно составляет величину ~ 5× МВт на 1 см2 поверхности. Объёмная оптич. прочность лазерных материалов обычно оказывается выше.

Модуляция добротности резонатора осуществляется как пассивным образом (насыщающиеся поглотители), так и активным (электро- и акустооптич. модуляторы). Иногда применяют и механич. модуляторы, напр. вращающуюся призму. Модуляция добротности: генерация представляет собой «гиганский» импульс или последовательность нескольких импульсов лазерного излучения, получаемых за счет использования внутрирезонаторного элемента – затвора, позволяющего накопить инверсную населенность в активном элементе и высветить накопленную энергию излучения одной или несколькими короткими порциями. В качестве затвора используются кристаллы с эффектами Поккельса и Керра – создание искусственной оптической анизотропии, т.е. создание двулучпреломления в среде под действием электрического поля (электрооптические затворы) или кристаллы с эффектом обратимого просветления среды под действием лазерного излучения (пассивные затворы, фототропные затворы, просветляющиеся фильтры). Длительность импульсов составляет от единиц до десятков наносекунд. Большое соотношение ширины контура усиления Т. л. и частоты межмодовых биений (~ 103) позволяет достаточно просто осуществлять режим синхронизации мод и получать сверхкороткие импульсы длительностью 10-11 - 10-13 с, ограниченной обратной шириной линии усиления. Так же, как и модуляция добротности, синхронизация мод в Т. л. осуществляется как активным, так и пассивным образом. Т. л. может также работать в режиме усилителя излучения. При этом коэф. линейного усиления может достигать величины 0,5-0,7 см.

Для получения еще более коротких импульсов с более высокой пиковой мощностью применяют режим синхронизации мод. При многомодовой генерации зависимость интенсивности выходного излучения лазера от времени часто имеет вид нерегулярных пичков (рис.1.10.) так как моды обычно не генерируют одновременно, а их фазы более или менее случайны. Однако если моды вынуждены генерировать одновременно с примерно одинаковыми амплитудами и их фазы синхронизованы, то происходит очень интересное явление. Моды интерферируют, в результате чего генерация имеет вид коротких световых импульсов. Чтобы получить очень короткие импульсы требуется большая ширина генерируемого спектра. Это реализуется в ряде твердотельных лазеров, однако невозможно для типичных газовых лазеров. Так в газоразрядных лазерах можно получить импульсы длительностью порядка 1 нс, а в твердотельных порядка 1пс и менее. Кроме этого синхронизацией мод можно получать большие пиковые мощности, пиковая мощность увеличивается пропорционально числу синхронизованных мод, которое в твердотельных лазерах может составлять порядка 1000-10000. Синхронизация мод достигается как с помощью активного модулятора, управляемого внешним воздействием, так и нелинейной среды. В то же время средняя мощность по существу не зависит от синхронизации мод. Синхронизация мод позволяет получать импульсы с пиковой мощностью порядка 1⋅ Вт и длительностью менее 1пс. Каждый из режимов имеет свои особенности. В режиме свободной генерации обеспечиваются наиболее высокие уровни энергии излучения, при наибольших значениях КПД, в режиме модулированной добротности - наиболее высокие уровни импульсной мощности, при более низких значениях КПД и т. д.