Astronet Астронет: СОЖ Лазеры и их применение
http://www.astronet.ru/db/msg/1175822/page2.html

Лазеры и их применение

М. Ф. Сэм (Ростовский государственный университет, Ростов-на-Дону)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 6, 1996 г. Содержание

Режимы работы лазеров

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. Достоинством непрерывного режима является то, что в этом режиме наиболее полно реализуются такие свойства лазеров, как монохроматичность, когерентность, направленность и низкий уровень шумов излучения. В импульсном режиме в активную среду может быть введена значительно более высокая мощность накачки и соответственно получены большие мощности генерации. 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 [Карлов Н.В., 1988, Тарасов Л.В., 1981]. Ниже рассмотрены два примера, иллюстрирующие это.

Режим модулированной добротности (режим генерации гигантских импульсов)

Допустим, что накачка осуществляется при низкой добротности резонатора (высоких потерях), так что генерация возникнуть не может. Тогда может быть достигнута максимальная для данной скорости накачки F2 разность населенностей $\Delta n_0$ и в единице объема вещества запасена энергия $\Delta U_0 = h\nu_0 \Delta n_0 \approx h\nu_0 F_2 \tau_2$. Отметим, что при стационарном резонаторе с низкими потерями это значение $\Delta n_0$ достигнуто быть не может, поскольку по достижении порога и возникновении генерации инверсия больше не растет, так как накачка, превышающая пороговую, уходит в лазерное излучение. Если эту запасенную энергию высветить в импульсе длительностью $\tau_{\Box}$, то получается удельная мощность $P_{\Box} = \frac{h\nu_0 F_2 \tau_2}{2\tau_{\Box}} = P_1 \frac{\tau_2}{2\tau_{\Box}}$ поскольку $P_1 = h\nu_0 F_2 \tau_2$ есть максимальная (с единицы объема) мощность в непрерывном режиме. При $\tau_{\Box} \ll \tau_2$ можно получить существенный выигрыш в мощности. Режим модулированной добротности осуществляется следующим образом: по достижении максимальной инверсии добротность резонатора быстро увеличивается, потери уменьшаются и начинает развиваться генерация, проходя сперва линейный этап развития из спонтанного излучения, а затем быстрый нелинейный этап, за время которого запасенная в рабочем веществе энергия выплескивается в виде короткого (на практике до 3-10 нс) и мощного импульса. Типичные значения достигаемых мощностей соответствуют 107 - 108 Вт, рекордные - 1013-1015 Вт. Например, для рубинового лазера, дающего в режиме свободных колебаний Р = 103 Вт при $\tau_{\Box} = 10^{-3} c$, в режиме модулированной добротности $(\tau= 10 нс)$ P = 108 Вт, то есть возрастает на 5 порядков. Быстрое включение добротности (изменение потерь от высоких к низким) можно осуществить различными способами: механическим, вращая одно из зеркал, или электооптическим, помещая в резонатор ячейку Керра, работу которой как затвора можно обеспечить подачей на нее напряжения.

Метод синхронизации продольных мод

Еще более короткие световые импульсы удается получить, используя метод синхронизации продольных мод [Тарасов Л.В., 1981, Брюннер В., Юнге К., 1991]. Как уже отмечалось, расстояние между продольными модами меньше ширины линии рабочего перехода в лазере, и возможна генерация лазера на нескольких продольных модах. В газах ширина линии $\Delta \nu$ составляет около 109 Гц, в твердотельных лазерах 1011-1012 Гц, в лазерах на красителях 1013-1014 Гц. При $\Delta \nu_{\Box} = 10^8$ Гц (L = 1 м) это дает число мод $M = \Delta \nu / \Delta \nu_{\Box}$ от 10 для газовых лазеров до 105-106 для лазеров на красителях. В обычных условиях излучение разных мод не связано (не синхронизировано) друг с другом и отдельные моды выступают как независимые генераторы. Если жестко связать фазы отдельных мод, то есть заставить их генерировать синхронно, излучение лазера приобретает вид последовательности коротких импульсов, следующих друг за другом с периодом T = 2L/c и имеющих в пределе длительность $\tau_{\Box} = 1 / \Delta \nu_{\Box}$. Мощность в импульсе при этом резко возрастает (в М раз) по сравнению c несинхронизированным режимом. Жесткого закрепления фазовых соотношений между модами можно добиться, осуществляя модуляцию потерь в резонаторе с частотой $f = \Delta \nu_{\Box}$. При этом генерируемое излучение (скажем, на центральной моде с частотой $\nu_0$) модулируется по амплитуде с частотой $f = \Delta \nu_{\Box}$, а значит, в его спектре возникают дополнительные составляющие, отстоящие от несущей на частоты, кратные частоте модуляции, то есть совпадающие по частоте с частотами соседних мод и играющие для них роль вынуждающей силы, в результате чего достигается синхронизация. В режиме синхронизации от лазеров удается получить сверхкороткие световые импульсы (10-12-10-13 с) высокой мощности. С помощью специальных методов длительность импульсов удается довести до 10-14 - 10-15 с [Брюннер В., Юнге К., 1991].

Назад | Вперед

Rambler's Top100 Яндекс цитирования