Нестационарная генерация (пичковый режим)

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 3Следующая ⇒

Пусть импульс накачки имеет прямоугольную форму (Рис.8а). В момент времени t₁ накачка включена, а в момент t₄– выключена.

После включения накачки населённость верхнего лазерного уровня

будет возрастать (Рис.8б) и в момент времени t₂ достигнет пороговой населённости , необходимой для развития генерации. Дальнейшее возрастание приводит к быстрому росту интенсивности поля на частоте генерации и, соответственно, к увеличению вероятности вынужденных переходов с верхнего уровня , что влечёт за собой уменьшение его населённости и спад инверсии. Это в свою очередь приво-

Рис.8 дит к уменьшению усиления и интенсивности поля излучения как внутри резонатора, так и на выходе. В результате в функции появляется первая осцилляция (Рис.8б), которой соответствует интенсивный всплеск мощности излучения на выходе генератора (Рис.8в).

Математическое рассмотрение этого явления для генерации только на одной моде показывает, что временные зависимости и пред Рис.9 ставляют собой регулярную во времени последовательность световых импульсов (так называемых лазерных пичков), амплитуда которых может меняться во времени различным образом (осциллограммы на Рис. 9).

Основным физическим механизмом возникновения пичков является взаимодействие поля в резонаторе с активной средой. Эти колебания могут возникать не только в момент развития генерации, но и в случае, когда лазер, работающий в стационарном режиме, испытывает внезапное возмущение. Характерный период таких осцилляций (2(t₂- t₃) на Рис.8б) заметно превышает время жизни фотона в резонаторе и время обхода резонатора и составляет приблизительно 0,1…10 мкс. Пичковый режим с затуханием может возникать лишь при одномодовой генерации и неизменности параметров лазера во времени. Причины возникновения незатухающих хаотических флуктуаций в излучении твердотельных и полупроводниковых лазеров могут быть самыми разнообразными. Чаще всего они обусловлены нестабильностью параметров лазера в реальных условиях или взаимодействием различных мод при многомодовой генерации.

Открытые резонаторы

Впервые использовать открытый резонатор при осуществлении генерации когерентного излучения предложил в 1954 году академик А.М.Прохоров. Первый оптический резонатор представлял собой интерферометр Фабри-Перо, то есть состоял из плоских зеркал. Дальнейшее развитие лазерной техники привело к созданию целого ряда конфигураций оптических резонаторов, отличающихся формой отражающих поверхностей и их расположением (Рис.10).

3.1. Плоский резонатор. Хотя плоский резонатор (Рис. 10а) не является оптимальным, в некоторых случаях его использование предпочтительно. Например, в плоском резонаторе достигается максимальная направленность выходящего излучения. По технологическим соображениям он используется в твердотельных и полупроводниковых лазерах. В газовых лазерах плоский резонатор используется очень редко главным образом потому, что требует высокой точности юстировки (несколько угловых секунд).

Для плоского резонатора характерны: а) слабая концентрация поля вблизи оси; б) необходимость точной юстировки зеркал; в) большие дифракционные потери; г) малая расходимость выходного излучения.

3.2. Конфокальный резонатор. Конфокальным называется резонатор, образованный двумя вогнутыми зеркалами, фокусы которых совпадают (Рис.10б). Обычно зеркала имеют сферическую форму. Резонатор называется симметричным конфокальным, если .

Рис.10 Основные типы оптических резонаторов.

В симметричном конфокальном резонаторе поле значительно сильнее

сконцентрировано у оси зеркал и спадает на краях до гораздо меньшей

величины, чем в резонаторе с плоскими зеркалами. Поэтому дифракционные потери в таком конфокальном резонаторе могут быть на несколько порядков меньше, чем в плоском резонаторе. Это свойство конфокальных резонаторов позволяет использовать меньший объём рабочего вещества. Пороговая мощность накачки в конфокальном резонаторе при равных добротностях должна быть меньше, чем в плоском. Ослабляются и требования к юстировке. В конфокальном резонаторе

необходимо только, чтобы оптическая ось резонатора совпадала с осью стержня рабочего вещества и пересекала зеркала близко к их центру.

Однако конфокальная схема резонатора имеет ряд недостатков. Так, при небольшом нарушении конфокальной конфигурации (за счёт смещения вдоль оси одного из зеркал) или нарушении геометрии зеркал дифракционные потери могут резко возрастать. Малый объём активной среды существенно ограничивает мощность лазеров, использующих конфокальные резонаторы. Несимметричные конфокальные резонаторы обладают большими потерями

3.3. Сферические (не конфокальные) резонаторы. Для данного типа резонатора (Рис.10в). Никаких общих свойств этих резонаторов отметить нельзя. Это могут быть резонаторы, как с большими потерями, так и с малыми. Среди не конфокальных резонаторов можно выделить концентричные резонаторы, у которых центры кривизны зеркал совпадают, как симметричные, образованные зеркалами одинаковой кривизны, так и не симметричные.

3.4. Полусферические резонаторы. На практике часто используются (например, в He–Ne лазере) так называемые полусферические резонаторы, у которых одно зеркало плоское, а второе – сферическое (Рис.10г). Наиболее распространены полуконфокальные и полуконцентрические резонаторы (справа на Рис.10г).

Помимо рассмотренных резонаторов имеются другие типы резонаторов (сложные, неустойчивые, дисперсионные и др.).

3.5. G -диаграмма. Строгое рассмотрение свойств оптических резонаторов основывается на решении соответствующих интегральных уравнений. Общий анализ интегральных уравнений, с помощью которых описывается оптический резонатор, показывает, что резонатор характеризуется обобщёнными параметрами и , которые связаны с длиной резонатора и радиусами кривизны его зеркал следующим образом:

; .

Каждой точке на – диаграмме соответствует резонатор вполне определённой конфигурации (Рис.11).

Рис.11 Положение основных резонаторов на G–диаграмме

Оказывается, что в большинстве случаев для качественной характеристики резонаторов достаточно знание одного параметра, а именно произведения Для области характерно наличие малых потерь (устойчивые резонаторы), а область ; соответствует большим дифракционным потерям (не устойчивые резонаторы). Области больших потерь на Рис.11 заштрихованы.

Рассмотрим, в каких областях G-диаграммы находятся рассмотренные выше конфигурации резонаторов, и оценим их потери.

Кривые = 1, отделяющие области больших и малых потерь в резонаторе, соответствуют , то есть концентричным резонаторам. Прямые =1 и =1 соответствуют полусферическим резонаторам соответственно с плоским первым и вторым зеркалом. Симметричные резонаторы на плоскости g-параметров описываются уравнением (так как ). Положение конфокальных резонаторов описывается уравнением:

Это уравнение гиперболы с центром в точке с координатами (1/2, 1/2).

Оценим теперь с помощью G-диаграммы дифракционные потери некоторых типов резонаторов, наиболее часто применявшихся на практике (Рис.10).

Симметричный конфокальный резонатор ( ) на диаграмме характеризуется точкой, лежащей в начале координат (0,0), и имеет малые потери. Однако даже при небольшой разнице в радиусах кривизны зеркал (что соответствует уже несимметричному конфокальному резонатору) эта точка сместится во II или IV четверти диаграммы, что приведёт к резкому возрастанию потерь. Это необходимо учитывать при проектировании лазеров, устанавливая длину резонатора несколько больше или меньше радиуса кривизны зеркал и тем самым перемещаясь в область малых потерь. Несимметричные конфокальные резонаторы имеют большие потери.

Плоский резонатор характеризуется на диаграмме точкой с координатами (1,1), лежащей на границе областей с большими и малыми потерями. Если зеркала обладают слабой сферичностью, то система переходит в область больших потерь при в область малых потерь при .

Концентрической симметричной конфигурации резонатора ( ) соответствует на диаграмме точка с координатами (-1, -1), также лежащая на границе областей малых и больших потерь. Путём изменения длины подобного резонатора можно переходить в ту или иную область.

Особый интерес представляют полусферические резонаторы. Полуконфокальный резонатор, имеющий длину, равную половине радиуса кривизны сферического зеркала , изображается точками с координатами (1, 1/2) и (1/2, 1). Эта система характеризуется низкими потерями и малой критичностью к изменению расстояния, поскольку на диаграмме она достаточно далеко отстоит от областей с большими потерями. Полуконцентрический резонатор, длина которого равна радиусу кривизны сферического зеркала, соответствует точке ×(0,1). При некотором уменьшении длины такого резонатора потери в нём резко падают, а при увеличении длины быстро возрастают. Аналогично могут быть исследованы потери и в других конфигурациях резонаторов.

В общем случае полусферические резонаторы, как и симметричные, могут иметь как малые, так и большие потери. Резонаторы с малыми потерями называют устойчивыми. Малые потери в этих резонаторах достигаются за счёт того, что излучение, последовательно отражаясь от зеркал, остаётся всё время в пределах ограниченной области внутри резонатора, близкой к его оси. Резонаторы с большими потерями называют неустойчивыми. В них излучение, последовательно отражаясь от зеркал резонатора, удаляется от его оси на неограниченное расстояние, что и приводит к большим потерям.

Практическая часть

На Рис. 12 представлена оптическая схема установки с рубиновым лазером, которая используется в лабораторной работе. В качестве юстировочного лазера используется He-Ne-ый лазер 1 с выходной мощностью около 2 мВт, установленный на столике, позволяющем менять осевые и угловые по ложения лазера. Ирисовая диафрагма с регулируемой

Рис.12

апертурой 2 используется для отсечения побочных лучей в ходе юсти ровки основного лазера, состоящего из лазерной головки 4 и двух зеркал – 3 и 5, установленных в оправах, позволяющих менять угловые по-

ложения зеркал.

Упражнение 1. Юстировка и включение рубинового лазера.

Включите юстировочный гелий-неоновый лазер 1 и пропустите его луч через максимально открытую диафрагму 2, переднее зеркало 3 по оси рубинового стержня используя регулировочные винты столиков, на которых укреплены лазеры. Прохождение луча контролируйте по световым пятнам на переднем и заднем торцах активного элемента (рубиновый стержень).

Луч должен проходить точно по оси лазерной головки 4 и попадать на заднее зеркало 5 (ближе к центру). Затем сделайте апертуру диаф-

рагмы минимальной и с помощью винтов, имеющихся на оправе заднего зеркала, заведите отражение юстировочного луча в центр диафрагмы. То же проделайте с отражением от переднего зеркала. На этом процесс юстировки можно считать законченным.

Ознакомьтесь с функциональной схемой лазера, представленной на Рис.13, и убедитесь в наличии всех указанных на ней блоков.

Рис.13

Перемещая заднее зеркало, установите длину резонатора лазера 700 – 800 мм. Используя инструкцию к установке «Порядок включения и выключения рубинового лазера», включите лазер, установите перед диафрагмой экран (тёмный) и убедитесь в наличии генерации, то есть яркой вспышки ламп накачки и ярко-красного светового пятна на экране. Если генерации нет, значит, юстировка выполнена не достаточно тщательно и её необходимо повторить.

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 236; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!