Файл: Страховский Г.М. Основы квантовой электроники учеб. пособие.pdf

Как отмечалось, при работе рубинового лазера в режиме свобод­ ной генерации средняя мощность излучения лазера исчисляется еди­ ницами или десятками киловатт. Но для некоторых применений не­ обходимо иметь короткие (длительностью 10~7 10~9 сек и короче) импульсы излучения достаточно большой мощности (10—1000 Мет или больше). Такие короткие мощные импульсы получаются в руби­ новом лазере, если он работает в режиме с м о д у л я ц и е й д о б ­ р о т н о с т и . В этом режиме в работе генератора четко различаются два этапа. На первом этапе резко увеличивают потери в резонаторе (уменьшают его добростность) или, как говорят, «выключают» доброт­ ность. Уменьшение добротности приводит к тому, что пороговая насе­ ленность, т. е. населенность, которую нужно создать лампой-вспышкой для начала генерации, резко возрастает [см. обсуждение формулы (7.24)]. Благодаря этому почти все ионы Сг 3 + в рубине перебрасываются на верхний рабочий уровень (а условие генерации все не удается вы­ полнить, так как потери резонатора слишком велики).

На втором этапе быстро включают добротность (потери резонатора резко уменьшаются), и лазер излучает короткий мощный световой импульс. Рассмотрим, как это происходит. Напишем простейшее ско­ ростное уравнение для числа фотонов Ыф в резонаторе:

Это уравнение такое же, как (6.77), но имеются два различия. Во-первых, уравнение написано не для плотности, а для полного числа фотонов в резонаторе и, во-вторых, в последнем члене произведение Ъл AN записано через коэффициент квантового усиления: DtAN = eG. Что же касается коэффициента квантового усиления, то он записан

в виде G = G0 где N — сумма населенностей рабочих уровней. Видно, что если уровни находятся при температуре абсолютного нуля,

коэффициенту квантового усиления при полной инверсии в системе рабочих уровней, либо коэффициенту поглощения на единицу длины активного вещества при температуре абсолютного нуля.

207

нии» добротности значение т р е з резко увеличиваается, член со знаком «плюс» в правой части уравнения (7.30) становится больше, чем член

со знаком «минус», и величина - ^ - становится положительной. Ьсли

обозначить инверсную населенность в момент «включения» добростности AN0 и рассматривать процесс нарастания числа фотонов за время пока AN ça AN0, ТО уравнение (7.30) запишется таким образом:

в момент «включения» добротности. Из решения (7.32) следует, что при «включении» добротности число фотонов в резонаторе начинает расти экспоненциально, причем тем быстрее, чем больше член

CGQ ПО сравнению с коэффициентом потерь (—î— ). Видно, что чем

большую инверсную населенность (AN0) удается создать к моменту «включения» добротности, тем круче рост числа фотонов в резонаторе.

Увеличение числа фотонов происходит за счет уменьшения ин­ версной населенности. Что при этом происходит, можно качественно понять из решения (7.32). Для этого нужно только считать, что в по­ казатель экспоненты вместо величины ДІѴ0 входит AN (t). Тогда по мере уменьшения величины AN (с ростом ІѴ*) показатель экспоненты будет уменьшаться, рост числа фотонов замедлится и, наконец, вооб­ ще прекратится, а число фотонов в резонаторе достигнет максимума. Это будет при

Дальнейшее уменьшение разности населенностей приводит к тому, что показатель экспоненты в решении (7.32) становится отрицательным и число фотонов в резонаторе начинает уменьшаться. Когда AN (t) достаточно мало, уменьшение числа фотонов в резонаторе определяется почти целиком потерями резонатора:

Таким образом, энергия электромагнитного поля «высвечивается» активными частицами в виде импульса. Импульс этот достаточно ко­ роткий и мощный. Выходящее из лазера излучение повторяет карти­ ну, происходящую внутри генератора, т. е. лазер излучает короткий и мощный импульс электромагнитного излучения.

208

Этот импульс в литературе называют гигантским импульсом и по­ этому сам режим работы лазера иногда называют режимом гигант­ ских импульсов.

Сказанное выше иллюстрируется рис. 7.9, на котором показан характер изменения добротности, разности населенностей и выходной мощности лазера как функция вре­

(рис. 7.10). Благодаря этому при используемых на практике скоростях вращ ения зеркала 20 000—30 000 об/мин время переключения доброт­ ности составляет Ю - 7 сек. Сущест­ вуют и другие механические ме­ тоды управления добротностью.

Общим недостатком их является сравнительно медленное «включе­ ние» добротности.

Для управления добротностью применяют также различные элек­ тро- и магнитооптические эффекты (эффекты Керра, Поккельса, Фарадея). Рассмотрим широко исполь­ зуемый в лазерах с модуляцией добротности эффект Керра.

Эффект Керра заключается в том, что под действием электриче­ ского поля вещество в оптическом смысле становится подобным одно­ осному кристаллу, направление оптической оси которого совпадает с направлением приложенного поля. В таком кристалле для волны, по­ ляризация к которой направлена по оси кристалла, т. е. параллельно

209

приложенному полю, и для волны с поляризацией, перпендикуляр­ ной к оси кристалла, т. е. перпендикулярной к приложенному полю (обыкновенный и необыкновенный лучи), показатели преломления различны. Эти волны, пройдя через кристалл, приобретают некоторую разность фаз ср, пропорциональную длине ячейки Керра X, квадрату напряженности приложенного электрического поля Е2 и равную Ф = 2л ВЕ2Х, где В — постоянная Керра. Чтобы понять порядок величин, обратимся к нитробензолу, часто используемому в ячейках Керра. Для него В = 2- Ю - 5 СГС. Это значит, что для создания между

пускает света. Действительно, поляризационная призма 2 (свет для

При наложении поля ячейка становится двоякопреломляющей, свет, выходящий из нее, приобретает эллиптическую поляризацию, так что часть излучения проходит через оба поляризатора. Затвор открывается.

Для управления добротностью резонатора электрооптический затвор вносится внутрь резонатора, причем обычно используется более простая схема, чем на рис. 7.11, а именно схема, состоящая из ячейки Керра и одного поляризатора.

Время переключения добротности при использовании ячейки Керра может составлять единицы наносекунд (10~9 сек), т. е. включение осуществляется значительно быстрее, чем при механических методах.

Наконец, третья группа методов управления добротностью состоит в использовании так называемых пассивных затворов, или «насыщаю­ щихся фильтров». Применение этих затворов значительно упрощает конструкцию генератора: кроме того, они позволяют получить пара­ метры выходного импульса, близкие к предельным.

На рис. 7.12 показана схема расположения пассивного затвора в резонаторе лазера, а также схема энергетических уровней активного

210