Режим - синхронизация - мода
Cтраница 4
 |
Схема диода с непланарным р-га-переходом. [46] |
По временным характеристикам работа любого лазера может быть отнесена к одному из четырех видов: непрерывная генерация, импульсная свободная генерация, генерация коротких ( наносекунд-ных) импульсов излучения в режиме модулированной добротности и генерация сверхкоротких ( пикосекундных) импульсов в режиме синхронизации мод. [47]
Следовательно, в некоторый момент времени на заднем фронте импульса ( точки / 2 и t 2 на рис. 5.45) усиление может стать меньше потерь. Заметим, наконец, что после прохождения импульса в режиме синхронизации мод и до появления следующего насыщающиеся потери восстанавливаются до своего исходного уровня посредством спонтанной ( излучательной и безызлучательной) релаксации. В течение того же самого интервала времени в процессе накачки восстанавливается начальное значение насыщающегося усиления. [49]
На рис. 1.18 показана последовательность двух импульсов. И наконец, заметим, что пиковая мощность импульсов значительно возрастает в режиме синхронизации мод. [50]
Измеряемый импульс направляется в интерферометр Майкель-сона, в одно из плеч которого помещена стеклянная пластинка ( типичная толщина 5 см) с известными дисперсионными свойствами. На выходе интерферометра регистрируется кросс-корреляционная функция поля исходного и уширенного, в результате прохождения сквозь диспергирующую пластину, импульсов. Иллюстрацией практического применения служит нахождение временного поведения фазы фемтосекундного импульса ( ти - Ю2 фс), генерируемого лазером на красителе с антирезонансным кольцом в режимах пассивной и комбинированной синхронизации мод. [52]
Однако, как мы увидим ниже, для приложений, которые требуют высокой энергии, активный элемент из стекла можно сделать много больших размеров, чем из Nd: YAG. Благодаря значительно более низкой температуре плавления и некристаллической структуре стекло можно вырастить намного легче, чем YAG. Лазеры на стекле имеют следующие характеристики: 1) выходная энергия и пиковая мощность лазера в режиме модулированной добротности сравнимы с соответствующими параметрами Nd: YAG-лазера при сравнительно одинаковых размерах стержня; 2) в режиме синхронизации мод можно получать очень короткие импульсы ( вплоть до - 5 пс), поскольку ширина лазерного перехода в стекле значительно шире, чем у Nd: YAG. Лазер на стекле с неодимом часто применяют в тех приложениях, для которых импульсный лазер должен работать при низкой частоте повторения импульсов. Это, например, необходимо для некоторых дальномеров, применяемых в военных целях, и неодимовых лазеров, предназначенных для научных исследований. Важным применением лазеров на неодимовом стекле является использование их в качестве усилителей в лазерных системах для получения очень высокой, энергии в экспериментах по лазерному термоядерному синтезу. [53]
Рубиновые лазеры обычно работают в импульсном режиме. При этом для накачки используется импульсная ксеноновая лампа среднего давления ( - 500 мм рт. ст.) в конфигурации, приведенной на рис. 3.1, б или ( чаще) в конфигурации рис. 3.1, а. Диаметр стержня обычно составляет 5 - 10 мм, а длина стержня 5 - 20 см. Рубиновый лазер имеет следующие выходные параметры: 1) в режиме модуляции добротности его мощность в одиночном гигантском импульсе длительностью 10 - 20 не составляет 10 - 50 МВт; 2) в режиме синхронизации мод пиковая мощность в импульсе длительностью - 10 пс равна нескольким гигаваттам. При накачке ртутными лампами высокого давления лазеры на рубине могут работать также и в непрерывном режиме. [54]
Эти электроны экранируются восемью внешними 5s - и 5р - электронами, Соответственно уровни энергии в стекле с неодимом в основном располагаются так же, как и в кристалле Nd: YAG. Поэтому и наиболее интенсивный лазерный переход имеет длину волны К ж 1 06 мкм, Однако в стекле из-за неоднородного уширения, обусловленного локальными неоднородно-стями кристаллического поля стеклянной матрицы, линии лазерных переходов намного шире. В частности, основной лазерный переход с Х1 06 мкм примерно в 30 раз шире, поэтому максимальное сечение перехода приблизительно в 30 раз меньше, чем в кристалле Nd: YAG. Разумеется, более широкая линия благоприятна для работы в режиме синхронизации мод, в то время как меньшее сечение необходимо для импульсных высокоэнергетических систем, поскольку пороговая инверсия для паразитного процесса УСИ ( усиление спонтанного излучения) [ см. (2.153) ] соответственно увеличивается. Таким образом, по сравнению с Nd: YAG в стекле с неодимом до включения УСИ может быть запасено в единичном объеме больше энергии. Однако наравне с этими преимуществами стекла с неодимом по сравнению с кристаллом Nd: YAG стекло обладает весьма серьезным ограничением, связанным с его низкой теплопроводностью, которая приблизительно в десять раз меньше, чем в Nd: YAG. Это существенно ограничивает применения лазеров на стекле с неодимом импульсными системами при небольшой частоте повторения импульсов ( 5 Гц), чтобы избежать проблем, связанных с нагревом стержня. [55]
Уровень 4 / ц / 2 также расщеплен вследствие эффекта Штарка на шесть подуровней. Кроме того, стоит вспомнить, что ( см. также рис. 2.9) лазерный переход с К 1 06 мкм при комнатной температуре однородно уширен вследствие взаимодействия с фо-нонами решетки. Это делает Nd: YAG очень подходящим для генерации в режиме синхронизации мод. Большое время жизни верхнего лазерного уровня ( т 0 23 мс) позволяет Nd: YAG быть весьма хорошим для работы в режиме модулированной добротности. [56]
Как и в случае рубинового лазера, активная среда лазера имеет форму цилиндрического стержня и возбуждается с помощью оптической накачки. Лазер на стекле, легированном неодимом, вследствие плохой теплопроводности стекла может работать только в импульсном режиме. Важным свойством этого лазера является очень большая ширина полосы лазерного перехода ( 30 - 40 нм), обусловленная неоднородностью кристаллического поля в стекле. Так как ширина полосы генерации может достигать 10 нм, в режиме синхронизации мод можно получать импульсы очень малой длительности. Конечно, если бы все моды в пределах полосы шириной 10 нм были бы синхронны по фазе, то можно было бы получить импульсы длительностью 10 - 13 с. Однако на практике самые короткие импульсы имеют длительность 10 - 12 с. Благодаря относительно невысокой стоимости стеклянных стержней, легированных неодимом, лазер такого типа часто используется для получения мощных импульсов большой энергии. [57]
Там, где необходима меньшая энергия импульсов излучения при высокой среднгй мощности излучения, а также более высокая степень согласованности спектра излучения с наибольшей чувствительностью приемников излучения, преимущество оказывается на стороне ОКГ на рубине. В случае необходимости иметь непрерывное излучение или достаточно высокие частоты следования импульсов ( десятки, сотни и более герц), малое энергопотребление, и вследствие этого малые массу и габариты, используется ОКГ на гранате. Кроме того, они могут работать в многомодовом, од-номодовом и одночастотном режимах. Для получения последовательности сверхкоротких импульсов длительностью порядка 10 - 12 с используется так называемый режим синхронизации мод. [58]
При многомодовой генерации возможны два предельных случая: во-первых, лазер может работать в режиме синхронизации мод, когда выходное излучение состоит из повторяющейся регулярной последовательности одинаковых импульсов. Во-вторых, генерация на разных частотах может происходить независимо. В реальных лазерных системах чаще всего реализуется некоторый промежуточный случай, который трудно описать теоретически. Мы рассмотрим лишь случай независимой многомодовой генерации, при которой в отличие от режима синхронизации мод выходное излучение характеризуется сильными флуктуациями. Такая модель вполне удовлетворительно описывает многие твердотельные лазеры и лазеры на красителях. [59]
Следует заметить, что мы используем термины быстрый и медленный по отношению к времени восстановления в различных смыслах для поглотителя и для усиливающей среды. Время восстановления насыщающегося поглотителя считается медленным, если его величина ( обычно несколько наносекунд) сравнима с типичным временем полного прохода резонатора. Такое значение времени жизни характерно для поглотителен, у которых релаксация определяется спонтанным излучением па электродиполыго разрешенном переходе. Время восстановления считается коротким ( несколько пикосекунд), если оио сравнимо с характерной длительностью импульса в режиме синхронизации мод. Столь короткие времена восстановления обычно имеют место при быстрой безызлучательной релаксации в поглотителе. В противоположность этому время жизни усиливающей среды считается коротким ( а среда - быстрой), если оно сравнимо с временем полного прохода резоггатора. Это имеет место в случае электродипольно разрешенных лазерных переходов. [60]
Страницы: 1 2 3 4 5