Рефераты по Физике

Применение лазера

Страница 3

Однако резонатор в лазере не только обеспечивает обратную связь за счет возврата отраженного от зеркал излучения в активное вещество, но и определяет спектр излучения лазера, его энергетические характеристики, направленность излучения [Тарасов Л.В., 1981]. В простейшем приближении плоской волны условие резонанса в резонаторе с плоскими зеркалами заключается в том, что на длине резонатора укладывается целое число полуволн: $L = q \frac{\lambda}{2}$(q - целое число), что приводит к выражению для частоты типа колебаний с индексом q: $\nu_q = q \frac{C}{2L}$ и расстоянию по частоте между соседними (q отличается на 1) модами: $\Delta \nu_{\Box} = \frac{C}{2L}.$ На рисунке 3 приведен частотный профиль коэффициента усиления в рабочем веществе (он определяется шириной и формой линии рабочего вещества) и набор собственных частот открытого резонатора. Для используемых в лазерах открытых резонаторов с высокой добротностью полоса пропускания резонатора $\Delta \nu_p$, определяющая ширину резонансных кривых отдельных мод (кривые 2-4 на рис. 3), и даже расстояние между соседними модами $\Delta \nu_{\Box}$оказываются меньше, чем ширина линии усиления $\Delta \nu_{\Box}$, причем даже в газовых лазерах, где уширение линий наименьшее. Поэтому в контур усиления попадает несколько типов колебаний резонатора.

Частотная зависимость коэффициента усиления в рабочем веществе и попадающие в контур усиления типы колебаний резонатора

Рис. 3. Частотная зависимость коэффициента усиления в рабочем веществе $\alpha$(кривая 1) и попадающие в контур усиления типы колебаний резонатора (2-4). При уровне потерь $\beta_1$могут генерировать три моды, при $\beta_2$- одна центральная.

Таким образом, лазер не обязательно генерирует на одной частоте, чаще наоборот, генерация происходит одновременно на нескольких типах колебаний, для которых усиление $\alpha$больше потерь в резонаторе $\beta$(три моды на рис. 3 при $\beta = \beta_1$). Для того чтобы лазер работал на одной частоте (в одночастотном режиме), необходимо, как правило, принимать специальные меры (например, увеличить потери, как это показано на рисунке 3) или изменить расстояние между зеркалами так, чтобы и в контур усиления попадала только одна мода. Поскольку в оптике, как отмечено выше, $\Delta \nu_{\Box} > \Delta \nu_p$и частота генерации в лазере определяется в основном частотой резонатора, то, чтобы держать стабильной частоту генерации, необходимо стабилизировать резонатор. Итак, если коэффициент усиления в рабочем веществе перекрывает потери в резонаторе для определенных типов колебаний, на них возникает генерация. Затравкой для ее возникновения являются, как и в любом генераторе, шумы, представляющие в лазерах спонтанное излучение.

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.

Перейти на страницу:  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18