ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

СРАВНЕНИЕ НАКАЧКИ ИЗЛУЧЕНИЕМ ДИОДНОГО ЛАЗЕРА И ЛАМПОВОЙ НАКАЧКИ

Исходя из обсуждений предыдущих разделов уместно сравнить теперь в общих чертах ламповую накачку и накачку излучением диодного лазера. Сравнение можно сделать только для четырехуровневых лазеров, поскольку квазитрехуровневые лазеры в основном работают при продольной накачке от диодных лазеров. Для того чтобы сравнить соотношение (6.3.22) с (6.3.20) и (6.3.21), удобно, для накачки от диодного лазера, определить квантовый выход накачки гр(] как Нтр/Нр, где ур — реальная частота накачки, а тр — минимальная частота накачки, т. е. частота накачки, которая потребова­лась бы для накачки на верхний лазерный уровень напрямую (рис. 6.17). После этого соотношения (6.3.20) и (6.3.21) легко преобразовать к виду:

(6.3.26)

Где введено обозначение T)pd = }pXpq = Г|гЛ(ЛаПр9 ДЛЯ 3“ полного КПД накачки от диодного лазера. Те­перь соотношения (6.3.23), (6.3.26) и (6.3.27) по - зволяют провести сравнение ламповой накачки с накачкой излучением диодного лазера. 0_

Во-первых, сравнение можно провести с точ - р с 6 17

КИ зрения четырех факторов КПД Цг, Г|(, Г|а, rpq Реальная (v„) й идеальная

И, следовательно, полного КПД (эффективности) минимальная^^)

Гп гг ч - / частоты накачки

Накачки цр = yr\tv[ar[pq. Ограничившись случаем в четырехуровневом лазере

Кристалла Nd:YAG, приведем в табл. 6.3 оценки

Величин этих факторов, где значения для ламповой накачки заимствованы из табл. 6.1. В случае продольной накачки от диодного лазера рассматрива­ется стержень длиной 1 см, тогда как в случае поперечной накачки взят стер­жень диаметром 4 мм. Отметим, что, несмотря на большое разнообразие рас­смотренных ранее систем накачки, сравнение с точки зрения указанных че­тырех факторов является достаточно простым и поучительным. Видно, что излучательная эффективность и эффективность передачи являются пример­но одинаковыми для накачки от лампы и от диодного лазера. Почти десяти­кратное увеличение полного КПД при накачке от диодного лазера обуслов­лено очень большим увеличением эффективности поглощения (почти в 6 раз) и заметным увеличением квантового выхода накачки (примерно в 1,5 раза). Отметим также, что с точки зрения полного КПД продольная и поперечная накачки приблизительно эквивалентны при слегка меньшей величине эф­фективности поглощения для поперечной накачки.

Во-вторых, сравнение можно сделать с точки зрения пороговых мощно­стей накачки. В соответствии с (6.3.24) и (6.3.31), при одинаковой величине площади поперечного сечения стержня основное различие в пороговых зна­чениях мощности накачки от лампы и от диодного лазера связано с почти десятикратным увеличением эффективности накачки при переходе к диод­ному лазеру. Сравнивая продольную накачку от диодного лазера с ламповой, из (6.3.22) и (6.3.26) можно видеть, что пороговое значение мощности накач­ки в первом случае уменьшается не только за счет роста эффективности на­качки, но и за счет множителя

(и>0 + WP)х [1 - ехР - (2а2 / wfn)] / 2а2,

Где w0i — размер пятна лазерного пучка при ламповой накачке. Именно этим множителем в основном обусловлено уменьшение пороговой мощности на­качки при очень малых значениях w0 и wp. Ярким примером ситуации такого

Таблица 6.3

Сравнение КПД (эффективностей) ламповой накачки и накачки излучением

Диодных лазеров

Типа служат волоконные лазеры, в которых в случае одномодовых волокон величины как ю0> так и ьир могут быть всего порядка 2-3 мкм. Если взять, например, ю0 = ьир = 2 мкм (для волоконного лазера) и а = 2 мм, = 0,5а (для

Ламповой накачки), то ожидаемое уменьшение за счет указанного геометри­ческого фактора составит почти шесть порядков величины! Вот почему воло­конные лазеры имеют столь низкие значения пороговых мощностей накачки. Конечно, для того чтобы накачивать одномодовые волокна, необходимо ис­пользовать диодные лазеры с одномодовым, т. е. дифракционно-ограничен­ным, излучением. Сравнивая продольную и поперечную накачки от диодного лазера, видим, из (6.3.26) и (6.3.27), что в первом случае пороговая мощность ниже, чем во втором, а уменьшение определяется множителем

(и>1 +и>2) х [1 - ехр - (2а2 / )] / 2а2,

Где индексы / и £ относятся соответственно к продольной и поперечной на­качкам. При очень малых размерах пятен ьи0 и ьир, которые могут использо­ваться при продольной накачке, этот множитель может быть весьма мал. Од­нако для того, чтобы получить при двух типах накачки сравнимые мощности на выходе, необходимо, чтобы поперечные размеры моды ТЕМ00 были срав­нимы. Поэтому полезно проводить подобное сравнение при одинаковых раз­мерах пятен, т. е. при IVш = юы. При этом для того, чтобы избежать чрезмерно­го влияния дифракции за счет ограничения пучка конечными поперечными размерами лазерного стержня, при поперечной накачке необходимо обеспе­чить немного меньший, чем радиус стержня а, размер пятна. В реальной си­туации можно выбрать величину ьиы = 0,7а. Считая, что при продольной на­качке перекрытие пучков оптимально, т. е. ьи0 = ьир, получаем

(Ы7§ +и>2)г х[1-ехр-(2а2/ш^)]/2а2 ==0,48;

Таким образом, при рассматриваемых условиях пороговая мощность про­дольной накачки всего в ~2 раза меньше, чем поперечной.

Вдобавок к существенно более высокой эффективности и более низкому порогу, накачка излучением диодных лазеров, по сравнению с ламповой на­качкой, имеет дополнительное преимущество оказания меньшей тепловой нагрузки на активную среду. Действительно, при заданной поглощаемой в среде мощности Ра ее доля цРдРа попадает на верхний лазерный уровень и, следовательно, часть грд(Н/ктр)Ра превращается в мощность лазерного из­лучения, где — энергия генерируемых фотонов. Мощность, выделяющая­ся в виде тепла, имеет, таким образом, величину [1 - црд(Ну/Нутр)]Ра. Снова выбирая кристалл Кс1:УАО, поскольку (ку/кутр) = 0,9, из табл. 6.3 получа­ем, что при ламповой накачке тепловая нагрузка оказывается в ~2 раза боль­ше, чем при накачке от диодного лазера.

Пониженная тепловая нагрузка приводит к двум благоприятным послед­ствиям: менее ярко выраженным образованию тепловой линзы и появлению наведенного теплом двулучепреломления в активном элементе, а также сни­жению уровня тепловых флуктуаций показателя преломления среды при данном уровне флуктуаций мощности накачки. Оба этих эффекта являются важными с точки зрения получения от твердотельного лазера высококачест­венного пучка излучения в одной продольной и поперечной моде.