Файл: Khomichenko_var_19.docx

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. 8). 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. 7).

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

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

21,

10-20

см2

R31

0



qсв

0,52

5,6

0,039

2,1

0,29

0,88

0,395

0,554

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:

Втрати на випромінювання визначаються наступним чином:

2. Втрати на випромінювання при відкритому затворі визначаються наступним виразом:

3. Розрахунок пасивних втрат в резонаторі.

Пасивні втрати, обумовлені лінзовим ефектом в активному елементі, визначаються наступною формулою:

Втрати, обумовлені поглинанням в активному елементі:

Пасивні втрати в резонаторі знаходяться за формулою:

4. Повні втрати в резонаторі при закритому затворі визначаються згідно з формулою:

5. Повні втрати в резонаторі при відкритому затворі:

6. Визначення відношення максимальної відносної інверсної населеності до мінімальної. Відношення між повними втратами в резонаторі:

7. Визначення граничного коефіцієнта посилення. Концентрація активатора:

Шукане значення дорівнює:

8. Максимальна відносна інверсна населеність визначається наступною формулою:

9. Мінімальна відносна інверсна населеність:

10. Визначення коефіцієнта H:

11. Визначення максимальної відносної інверсної населеності рівнів периферійної частини активного елементу:

Коефіцієнтт K при рідинному охолодженні (=1.3 – 1.4) може бути визначений таким чином:

Тоді:

12. Ефективна площа генерування активного елементу:

13. Енергетичний коефіцієнт зв'язку між вихідною енергією імпульсу випромінювання і повною енергією, що виділяється в резонаторі, визначається наступним виразом: