9. Лазеры с модуляцией добротности. Импульсные лазеры.

Если в процессе работы лазера параметры резонатора (потери и связанная с ними добротность) остаются неизменными, лазер работает в так называемом "режиме свободных колебаний". Очевидно, что в этом случае при стационарной накачке лазер будет работать в непрерывном режиме, при импульсной накачке - в импульсном. В импульсном режиме в активную среду может быть введена значительно более высокая мощность накачки и соответственно получены большие мощности генерации чем в непрерывном. Кроме того, в импульсном режиме за счет переходных процессов может быть получена инверсия и генерация на таких переходах, где в стационарном режиме инверсия достигнута быть не может. Отметим, что импульсный режим генерации может быть осуществлен и за счет управления параметрами резонатора. Ниже рассмотрен пример, иллюстрирующий это.

Модуляция добротности — метод, применяемый для получения импульсного режима работы лазера. При использовании модуляции добротности лазер работает в импульсном режиме. Основная идея метода состоит в том, что во время накачки намеренно «ухудшают» свойства оптического резонатора, не давая, таким образом, лазеру излучать. Благодаря этому мощность не расходуется на излучение и удаётся получить высокий уровень инверсной населённости энергетических уровней активной среды. Далее свойства резонатора быстро «улучшают» и вся накопленная энергия реализуется в виде короткого, мощного импульса.

Методы модуляции добротности:

• С использованием зеркал — одно из зеркал делают подвижным (например вращающимся относительно оси, перпендикулярной оси лазера). В моменты, когда вращающееся зеркало не параллельно неподвижному зеркалу, добротность резонатора низкая, и излучения нет, когда же зеркала становятся точно параллельно друг другу, добротность резонатора резко повышается, и лазер начинает излучать.

• С использованием поляризаторов — между зеркалами оптической системы устанавливают поляризатор и устройство с переменными оптическими свойствами (например, ячейку Керра или ячейку Поккельса). Это устройство настраивают так, чтобы плоскость его поляризации была перпендикулярна плоскости поляризации поляризатора. В таком состоянии лазер не излучает — свет, прошедший через поляризатор не может пройти через ячейку Керра или ячейку Поккельса. Если быстро изменить свойства ячейки так, чтобы плоскости поляризации совпали, то свет сможет пройти через всю систему и лазер начнёт излучать.

Импульсный режим с модуляцией добротности — это режим получения наиболее высоких пиковых мощностей (добротность лазера определяется отношением энергии, запасенной в резонаторе, к энергии, уходящей из него за период колебания поля). Использование модуляции добротности в лазерах приводит к потере энергии, однако, значительно повышает пиковую мощность благодаря существенному укорочению длительности импульса. Так, например, при длительности импульса Ю-8 с можно получить мощность 10—100 МВт (энергия в импульсе 0,1 — 1 Дж).