Файл: Matvienko_B_I_-var_12 (1).docx

Завдання 4

Робота лазера в режимі модульованої добротності

Метод модуляції добротності дозволяє отримувати лазерну генерацію у вигляді коротких імпульсів (тривалістю від декількох наносекунд до декількох десятків наносекунд) з високою піковою потужністю (від декількох мегават до декількох десятків мегават). Принцип роботи лазера в режимі модуляції добротності полягає в наступному. Припустимо, що в резонатор лазера поміщений затвор. Якщо затвор закритий, то генерація не може виникнути і, отже, інверсія заселеності може стати дуже великою. Якщо тепер швидко відкрити затвор, то посилення в лазері буде істотно перевищувати втрати і накопичена енергія виділиться у вигляді короткого та інтенсивного імпульсу світла. Оскільки при цьому відбувається зміна добротності резонатора від низьких до високих значень, такий метод називають модуляцією добротності. За умови, що затвор відкривається за час, який є коротким у порівнянні з часом лінійного розвитку лазерного імпульсу (швидка модуляція добротності), вихідне випромінювання складається з одиночного гігантського імпульсу. У разі ж повільного відкривання затвора в генерації може виникнути кілька імпульсів. Справді, енергія, накопичена в активному середовищі до моменту повного відкриття затвора, висвічується у вигляді послідовних порцій, кожна з яких відповідає випромінюванню імпульсу. Кожен імпульс призводить до того, що посилення стає нижче миттєвого порогового значення і пригнічує тим самим генерацію до тих пір, поки триває відкривання затвора, яке не приведе до зменшення втрат в резонаторі лазера і, отже, не знизить поріг генерації.

Для модуляції добротності найбільш широко використовуються наступні пристрої:

Електрооптичні затвори.

Ці затвори засновані на електрооптичному ефекті, такому, як ефект Поккельса. Електрооптична комірка, заснована на ефекті Поккельса (комірка Поккельса), являє собою пристрій, в якому при додатку до нього постійної електричної напруги виникає подвійне променезаломлення. Величина наведеного подвійного променезаломлення пропорційна прикладеній напрузі. На рис. 6 показана схема лазера, в якому модуляція добротності здійснюється затвором, що складається з поляризатора і комірки Поккельса.

---

Рисунок 6 - Взаємне розташування поляризатора і комірки Поккельса в резонаторі, що використовується для модуляції добротності. У правій частині рисунка (за штриховою лінією) показано взаємне розташування вектора поляризації вихідного випромінювання, осі поляризатора і осей, між якими виникає двох променеве преломлення в комірці Поккельса (X, Y).

До комірки Поккельса прикладається зміщувана напруга таким чином, що осі Х і Y наведеного подвійного променезаломлення лежать в площині, перпендикулярній осі резонатора лазера. Ось поляризатора складає кут 45 ° з осями подвійного променезаломлення. Розглянемо тепер світлову хвилю, яка після активного середовища потрапляє в систему поляризатор - комірка Поккельса. При відповідному значенні прикладеної до комірки Поккельса напруги (близько 1-5 кВ) подвійне променезаломлення може привести до того, що лінійно-поляризоване світло пройшло через поляризатор після того, як воно пройде потім через комірку Поккельса, стане циркулярно-поляризованим. Після відбиття від дзеркала це циркулярно-поляризоване світло ще раз проходить через комірку Поккельса і знову перетворюється, але вже в лінійно-поляризоване світло, поляризація якого тепер перпендикулярна його вихідної поляризації. Отже, це випромінювання вже не пропускається поляризатором. Таким чином, такий стан відповідає закритому затвору. Затвор відкривається при знятті напруги з комірки, оскільки при цьому подвійне променезаломлення зникає і падаюче світло проходить без зміни поляризації.

Механічні затвори.

Слово "механічний" означає, що модуляція добротності здійснюється механічно, тобто обертанням одного з дзеркал лазера навколо осі, перпендикулярній осі резонатора (рис.7). Щоб уникнути генерації декількох імпульсів, швидкість обертання дзеркала повинна бути дуже великою. Для резонатора довжиною L = 50 см потрібні швидкості обертання близько 30 000 об / хв.

Рисунок 7 - Схема модуляції добротності дзеркалом,що обертається

Затвори на основі поглиначів, що насичуються.

Такі затвори дають найбільш простий метод модуляції добротності. В цьому випадку затвор являє собою кювету, наповнену деяким поглиначем, що насичується, який поглинає світло, довжина хвилі якого збігається з довжиною хвилі лазерного випромінювання.

---

Зазвичай в якості такого поглинача використовується розчин органічного барвника (наприклад, в разі Nd: YAG-лазера застосовують барвник, відомий під назвою BDN). Поглинач можна уявити собі як дворівневу систему з дуже великим піковим перетином переходу. Якщо помістити кювету з барвником в резонатор лазера, то довжина хвилі, при якій відбівається поглинання розчину барвника, буде максимально збігатися з довжиною хвилі генерації лазера. Для визначеності припустимо також, що початкове поглинання в кюветі з барвником становить 50%. В даному лазері генерація може початися тільки за умови, що посилення активного середовища компенсує втрати в кюветі, а також втрати, зумовлені поглинанням в резонаторі при відсутності насичення. Внаслідок великого поглинання в кюветі з барвником критична інверсія заселеності виявляється дуже високою. З моменту створення інтенсивність лазерного випромінювання почне наростати від рівня спонтанних шумів (рис. 7). Коли інтенсивність стає порівнянної з Is , барвник почне просвітлюватися завдяки насиченню поглинання. Внаслідок цього зростає швидкість наростання інтенсивності лазерного випромінювання, що в свою чергу призводить до збільшення швидкості просвітлення барвника. Отже, посилення лазера після просвітління барвника значно перевищує втрати, і як наслідок цього на виході лазера з'явиться гігантський імпульс (рис. 8).

Рисунок 8 - Типова тимчасова залежність інтенсивності I лазерного пучка в резонаторі довжиною 60 см з пасивною модуляцією добротності, здійснюваною поглиначем, що насичується. Величина In - це інтенсивність шуму в даній моді, обумовленого спонтанним випромінюванням. Наведено також тривалість імпульсу (~ 30 нс), виміряна на напіввисоті.

Акустооптична модуляція добротності.

Акустооптичний модулятор являє собою оптично прозору речовину (наприклад, кварцове скло для видимого діапазону та германій для ІЧ-діапазону), в якому за допомогою п'єзоелектричного перетворювача збуджується ультразвукова хвиля. Наявність ультразвукової хвилі приводить до того, що ця речовина працює як фазова решітка. Дійсно, викликані ультразвуковою хвилею деформації призводять до локальних змін показника заломлення речовини (фотопружний ефект). Період такої решітки дорівнює довжині хвилі акустичних коливань, а її амплітуда пропорційна амплітуді ультразвуку. Якщо акустооптичну комірку помістити в резонатор лазера (рис. 9), то при прикладенні напруги до перетворювача в резонаторі виникнуть додаткові втрати. Дійсно, частина лазерного пучка буде дифрагувати на індукованій фазовій решітці і виходити з резонатора. Якщо прикладену напругу зробити досить високою, то ці додаткові втрати можуть привести до зриву генерації. Потім, знімаючи напругу з перетворювача, ми можемо знову відновити в лазері високу добротність резонатора.

---

Рисунок 9 - Схема пристрою лазера, в якому модуляція добротності здійснюється акустооптичним модулятором.

Рис. 10. Розвиток імпульсу в лазері з модуляцією добротності, що працює в імпульсному режимі. На малюнку показані часові залежності швидкості накачування Wp, втрат резонатора у, інверсія заселеносты N та числа фотонів q.

Найбільш ефективні методи модуляції добротності лазера.

1. Одне з двох дзеркал резонатора обертається навколо осі. Втрати в резонаторі будуть дуже високими протягом усього циклу, за винятком короткого інтервалу часу, відповідного паралельного розташуванню дзеркал. Цей момент часу відповідає включенню добротності.

2. Усередині резонатора є спеціальний елемент - оптичний модулятор, оптичні властивості якого можна змінювати за допомогою зовнішніх впливів. Найбільш часто для цих цілей використовують електрооптичні модулятори, що працюють на основі електрооптичних ефектів в кристалах.

3. Усередині резонатора є поглинач, що насичується, тобто речовина, показник поглинання якого зменшується (насичується) з ростом інтенсивності випромінювання. Найбільш часто тут застосовують просвітлювати барвники. Ефект просвітління визначається переходом поглинаючих молекул барвника в збуджений стан і пов'язаним з цим зменшенням показника поглинання.

Перший і другий методи модуляції добротності є активними, а третій - пасивним. В останньому випадку втрати в резонаторі регулюються автоматично.

Розділ 3. Розрахункова частина

3.1. Розрахунок порогової енергії накачування, вихідної енергії та середноьї за час імпульсу потужності випромінювання твердотільного лазера на рубіні, що працює у режимі модульованої добротності з пасивним затвором при використанні водяного охолодження

Розрахуємо вихідну і порогову енергії твердотільного лазера, що працює в режимі модульованої добротності з пасивним затвором.

Лазер має наступні параметри:

---

Вариант	lэ, см	dэ, см	lа, см	L, см	Zp	21, 10-20 см2	R31	0		b	qсв
12	7	0,45	6,6	20	0,031	2,3	0,34	0,22	0,81	0,390	0,579

Коефіцієнти і постійні, використовувані при розрахунку, мають наступні значення: m=4; ; ; ;; ; ; ; ; ; ; Т=300К. Використовується водяне охолодження.

1. Визначення втрат на випромінювання при закритому затворі. Коефіцієнт відображення торця активного елемента визначається за наступною формулою:

Коефіцієнт відбиття від передньої грані перемикача добротності:

Коефіцієнт відбиття вихідного дзеркала з урахуванням інтерференційних явищ:

Коефіцієнт відбиття:

---