Режим модуляции добротности резонатора. Режим гигантских импульсов.


Идея использования модуляции добротности резонатора лазера с импульсной накачкой для получения мощных и коротких световых импульсов заключается в том, что управляя добротностью резонатора, сначала обеспечивают высокий уровень вредных потерь, т.е. специально поднимают порог генерации, а затем по сигналу извне уровень потерь, а следовательно и порог возникновения генерации быстро понижают до минимального значения. На первом этапе создаются условия по значительному повышению инверсной заселенности в активной среде. Величина инверсной заселенности оказывается существенно выше нового порога, отвечающего малым потерям, на втором этапе модуляции. В этих условиях вместо последовательности пичков, характерных для режима свободной генерации, можно получить единичный короткий импульс большой мощности.

Для управления добротностью оптического резонатора могут применяться различные методы (механические, электрооптические и т.д.). На рис. 5.5 изображена простейшая схема с вращающимся диском. Когда диск прерывает пучок света двух линз, добротность резонатора невелика и определяется коэффициентом отражения левого зеркала, свободного торца активного элемента и поверхности диска, которая обычно делается незеркальной. 

В промежуток времени, когда свет проходит через небольшое отверстие в диске, добротность резонатора резко возрастает за счет отражения от второго зеркала. Существенным недостатком метода является сравнительно большое время переключения (порядка ), а также разрушение краев отверстия при высоких уровнях мощности излучения. 


Рис. 5.5 Управление добротностью резонатора с помощью вращающегося диска.


Следующим из простейших является метод, основанный на вращении одного из отражателей (чаще всего призмы полного внутреннего отражения), образующих резонатор (рис. 5.6)


Рис. 5.6 Управление добротностью резонатора путем вращения одного из зеркал (а) и призмы полного внутреннего отражения (б).

При скоростях вращения порядка  об/мин время переключения добротности составляет порядка с. Для увеличения скорости переключения в резонатор можно ввести дополнительные отражатели (рис. 5.7). В этом случае зависимость добротности от поворота зеркала становится более сильной, и скорость переключения системы увеличивается вдвое.


Рис. 5.7 Управление добротности резонатора в системе с дополнительным отражателем.


Для управления добротностью широкое применение находят различные электро- и магнитооптические затворы, основанные на использовании эффектов Керра, Поккельса, Фарадея. Эффект Керра состоит в том, что под действием электрического поля вещество становится в оптическом отношении подобным одноосному кристаллу с оптической осью вдоль направления электрического поля. Показатель преломления волны с электрическим вектором, параллельным приложенному полю и для волны, перпендикулярной поляризации, оказывается разным.

Разность хода, приобретаемая указанными волнами при определенных напряжениях поля  и длинах ячейки  , может составлять  или , что определяет конструкцию электрооптического затвора с двумя или одним поляризатором (рис. 5.8). 


Рис. 5.8 Управление модуляцией добротности резонатора с помощью электрооптического затвора с ячейкой Керра


Главные плоскости поляризаторов  и  составляют с направлением приложенного поля угол . Если внешнее электрическое поле отсутствует, то система, образованная поляризаторами и ячейкой Керра, полностью непрозрачна. При наложении поля, обеспечивающего разность хода , выходящий свет имеет линейную поляризацию, перпендикулярную первоначальной, и прозрачность системы будет максимальной. При использовании одного поляризатора и эффекта двухкратного прохождения света через электрооптический затвор сдвиг фаз в ячейке Керра составляет . Поляризатор в лазере может быть заменен активным элементом с окнами, установленными под углом Брюстера. Кроме ячейки Керра, наполненной нитробензолом, в качестве электрооптических модуляторов используются кристаллы КДР . Время переключения добротности резонатора электрооптическим затвором составляет порядка .

Среди многочисленных методов управления добротностью резонатора, следует особо выделить использование так называемых пассивных затворов , прозрачность которых меняется под действием светового излучения (рис. 5.9а).


Рис. 5.9 Схема лазера с пассивным затвором (а) и схема уровней фталоцианина (б) и рабочих уровней рубина (в).


Применение этих затворов значительно упрощает конструкцию лазера, так как отпадает необходимость в использовании управляющих и синхронизирующих систем. Время переключения добротности резонатора . В качестве веществ для пассивных затворов используются растворы крипто- и фталоцианина и различные типы стекол.

Для объяснения принципа действия пассивных затворов воспользуемся моделью, которую рассмотрим на примере фталоцианина (рис. 5.9б). Частота перехода между уровнями 1 и 3  находится в красной области спектра и путем выбора подходящего растворителя может быть совмещена с частотой излучения рубинового лазера . Уровень 2 является метастабильным и имеет время жизни  порядка . Время безызлучательного перехода частиц  с уровня 3 на уровень 2 составляет около .

В нормальном состоянии все молекулы фталоцианина находятся на основном 1 уровне, и коэффициент поглощения составляет величину , где  - поперечное сечение индуцированного перехода между уровнями 1 и 3, имеющее очень большое значение,  - полное число молекул в  вещества. При поглощении света происходит обеднение основного состояния, и коэффициент поглощения, определяемый величиной , уменьшается.

Если время перехода  велико по сравнению с длительностью импульса, то можно сказать, что рабочее вещество ячейки затвора является фактически двухуровневым и просветление его связано с накоплением молекул на верхнем уровне.

На работу лазера с пассивным поглощающим затвором сильное влияние оказывает соотношение  между сечениями поглощения активного материала (рубина)и рабочей среды ячейки . При малых  для просветления ячейки необходимо затратить большую часть энергии активных атомов и к.п.д. такого лазера будет низким. При  генерация оказывается невозможной. При больших  (уже при ) ячейка оказывается полностью просветленной и включение добротности происходит мгновенно. Для данных материалов  имеет порядок . Небольшое изменение инверсии заселенности основного материала  при больших  вызывает резкое изменение разности заселенности  между уровнями 1 и 3 материала ячейки  становится положительной. Просветление в ячейке исчезает; начинается снова поглощение. 

Динамику процессов заселения уровней активной среды и получения генерации в режиме модулированной добротности резонатора можно проследить на диаграмме, приведенной на рис. 5.10


Рис. 5.10 Диаграмма динамики процессов в лазере с модулированной добротностью резонатора.


Пусть накачка представляет собой прямоугольный импульс возбуждения уровней с амплитудой . В начале импульса накачки  все атомы находятся в основном состоянии 1 . По мере нарастания длительности процесса возбуждения атомы по схеме работы твердотельного лазера с первого уровня переходят на третий, а затем на второй (для рубина) верхний лазерный уровень. Разность заселенности  при времени  отрицательна и в активной среде наблюдается поглощение. В точке  , т.е. концентрации атомов на втором и первом уровне сравнялись, и поглощение в среде уже отсутствует. При уровне потерь в резонаторе, равном  начинает выполняться условие возникновения генерации:   и при  реализуется режим свободной генерации.

Так как импульс накачки не закончился, и возбуждение уровней может продолжаться дальше, выгоднее уровень потерь в резонаторе искусственно приподнять до величины , соответствующей максимальному значению инверсной заселенности  между рабочими лазерными уровнями и максимальным . Достигнув значений максимального коэффициента усиления  в точке , потери в резонаторе убираются (режим переключения добротности резонатора); возникает ситуация, когда  и образуется мощный импульс генерации.

Пусть мощность излучения в режиме свободной генерации  , тогда в режиме модулированной добротности мощность излучения лазера будет возрастать в зависимости от длительности импульса переключения добротности:

при   

при   

при  

Пичковое излучение лазера, характерное для режима свободной генерации, сопровождает излучение лазера вплоть до времен , когда излучение преобразуется в гигантский моноимпульс.