Засоби перемикання добр. резонатора лазера. Аналіз потужності, енергії і тривалості генерації лазера з перемиканням добротності. Пугач І

Першим кроком у напрямку стискання тривалості оптичних імпульсів стало створення режиму модульованої добротності роботи лазерів. Принцип дії системи полягає в наступному: вихід імпульсу з резонатора здійснюється в ті моменти часу, коли накопичена в системі енергія наближається до максимальної величини. Таким чином опанували діапазон від 100 нс (механічні модулятори) до 0,1 нс (оптичні модулятори).

Розглянемо механізм перемикання добротності резонатора лазера. До резонатора лазера помістимо екран (рис.1), таким чином різко зменшуючи його добротність. У схемі є джерело живлення, яке створює накачку і переводить речовину в інверсний стан (нехай активною речовиною лазера буде рубін, чи неодимове скло, є лампи спалаху, які його опромінюють, і таким чином, створюється інверсія).

Рис.1	Рис.2	Рис.3

Але генерація буде відсутня, оскільки екран перекриває дзеркало.

Інверсія в часі (2 – при більшій потужності, ніж 1) зображена на рис.2:

Розглядаємо дворівневу систему (рис.3). Коли система згенерує імпульс, то тривалість його маленька і все відбудеться так швидко, що накачка не встигає зробити зміни населеності (нехтуємо на накачку). Відбувається перехід з 2 на 1 за рахунок вимушених процесів

>0 – щоб була інверсія

«Поличка» на рис.2 визначається потужністю накачки. Заслонка формує . Для генерації необхідно, щоб .

- вихідна потужність лазера у стаціонарному режимі, тут , аналогічно k=(B₂₁hv₂₁/V)Δn_пор – це по-суті коефіцієнт підсилення, який рівний куту втрат, що доягаються при стаціонарній генерації.

В момент t0 прибираємо заслонку - Δnпор спадає до порогового значення без заслонки – постійна у часі. Цей момент називається переключенням добротності (або коефіцієнта втрат). Тепер Δn> Δnпор. Лазер повинен різко зменшити Δn. - початкова різниця населеностей, коли ми відкрили заслонку. Воно спадає до (рис.4).

Методи зміни добротності:

1) Механічне переключення добротності – дозволяють за час 10^-6-10^-7 с перемикати доротність

2) Диск з отвором, що обертається. Коли отвір підходить під пропускання системи, то йде перемикання добротності за час проходження отвору крізь вісь системи.

Або ставлять дві лінзи, тоді час перемикання зменшується.

(2 лінзи) (призма)

Недолік:нешв.перемикання t=10^-7с. Коли виробляються потужні імпульси, то краї отвору обгоряють (розплавляються) за рахунок гігантського імпульсу.

При механічному переключенні беруть призму повного внутрішнього відбиття.

(20-30 тис. об/хв.). Перемикання 10^-6 с.

Призма обертається за годинниковою стрілкою, бо інакше призма здатна вібивати назад незалежно від кута. До мех.. відносяться перемикання при використанні порушення явища повного внутрішнього відбиття на певний час.

Зверху кладемо п’єзокераміку. Платівка з такого ж скла як і призма. За рахунок електричного поля на п’єзокераміку, можна віддаляти чи наближати платівку до призми.

d- відстань між платівкою і призмою. При зменшенні цієї відстані, порушується ПВВ. У призму йде випромінювання. Амплітуда хвилі збільшується і частково вийде.. При d=0 вся хвиля вийде. При відстані, більшій за довжину хвилі, одержимо нульове пропускання. У системі є інерція, тому високих переключень немає.

Щоб отримати більшу потужність генерації, потібно. ще менші часи (а значить, і менші швидкості) перемикання. Використовують еф. Поккельса (t = 10^-13с), Фарадея (t = 10^-8¸10^-9с), Керра і Коттона-Муттона.

Ефект Керра – квантовий ефект. Поле перпендикулярно напрямку світла. Якщо на електрооптичний кристал вздовж осі накласти електричне поле. То світло, що йде вздовж цього напрямку розкладется на 2 площини (n_x=n_y)

Оскільки час процесу малий, вваж., що ніякі інші рівні не приймають участі.

Найбільш легкий спосіб перемикання добротності – розміщення всередині резонатора, крім активної підсилюючої частини (речовини з накачкою), послідовно пасивний поглинаючий елемент. У поглинаючої речовини нижній рівень – основний. Тоді лазер при ввімкненні накачки генерувати не буде. Йде накопичення частинок на верхньому лазерному рівні (заслонка – поглин.). Поріг буде вище. За рахунок населеності на верхньому рівні існує люмінесценція. Люмінесценція йде у сферу і у напрямку осі резонатора (зростає і в певний момент часу різниця населеностей поглинаючої речовини спадає. В певний час Δn_пор і Δn’>Δn_пор’ (на зустрічних курсах). Різко зростає потік квантів в напрямку z. Ще більше спадає поріг і зростає потужність генерації. Час процесів визначається самою системою довільно. Недолік: не можемо синхронізувати інші системи. Перевага: не треба кристалів, механічного обертання. Просвітлення пасивної речовини відбувається спочатку для певної моди. Просвітлюється те, що має більшу потужність у пучностях – пасивна речовина трансформується у гратку. Система селектує моди.

Вваж.сист. дворівневою, і вваж., що населеності змінюються за рах. вмушених переходів.

;

Вваж. r₁»r₂»1. розподіл однаковий вздовж Z. Візьмемо усереднення. по довжині.

; ;

будемо вважати

- невідомі

Зн. мак.

Нас цікавить тривалість імпульсу на половині висоти

- енергія імпульсу , - переріз

Тривалість імпульсу буде прямувати в нескінченність при прямуванні до 0 (тут буде затягування заднього фронту) або 1 (тут буде стаціонарна генерація).

Ми проаналізували миттєве перемикання. добротності. В реальних випадках перемикання не миттєве, імпульс буде мати більшу тривалість. Є ще пасивне переключення добротності нелінійним середовищем.

Поиск по сайту: