ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

МОДУЛЯЦИЯ УСИЛЕНИЯ

Модуляция усиления, как и модуляция добротности, является методом, позволяющим генерировать лазерные импульсы короткой длительности (обычно от нескольких десятков до нескольких сотен наносекунд) и высокой пиковой мощности. Однако в отличие от модуляции добротности, при кото­рой потери резко переключаются до низкого уровня, при модуляции усиле­ния резко переключается усиление до высокого уровня. Модуляция усиления осуществляется с помощью столь короткого импульса накачки, что инверсия населенностей, а следовательно, и усиление начинают заметно превышать пороговые значения раньше, чем число фотонов в резонаторе возрастет до достаточно высокого уровня, чтобы уменьшить инверсию.

Происходящие при этом физические явления можно относительно про­сто описать, обращаясь к случаю пичковой генерации, представленной на рис. 8.1. Если предположить, что скорость накачки Яр = Яр(Ь) имеет форму прямоугольного импульса, начинающегося при £ = 0 и заканчивающегося при t = 5 мкс, то излучение будет состоять лишь из первого пичка в изобра­женной на рисунке зависимости ф(£), который возникает в момент времени около t = 5 мкс. Действительно, после этого пичка инверсия будет уменьше­на световым импульсом до уровня, который существенно ниже порогового и который не будет затем возрастать, поскольку накачка к тому моменту будет отсутствовать. Таким образом, можно видеть, что модуляция усиления по своему характеру аналогична пичковой генерации в лазере, рассмотренной в разделе 8.2. Основное отличие здесь состоит в том, что при модуляции усиле­ния для получения импульса высокой пиковой мощности и короткой дли­тельности максимальное значение скорости накачки 11р должно быть намно­го больше, чем значение, используемое при непрерывной накачке, рассмот­ренное на рис. 8.1. В зависимости от максимального значения скорости накачки пиковое значение инверсии может превышать пороговое значение в 4-10 раз, в отличие от случая, рассмотренного на рис. 8.1 (приблизительно в 1,48 раз). Соответственно время нарастания лазерного импульса до его мак­симального значения может быть в 5-20 раз больше времени жизни фотона в резонаторе тс. Следовательно, длительность импульса накачки должна быть приблизительно равна этому времени нарастания и, таким образом, должна быть очень краткой [14].

На практике временная зависимость накачки имеет вид колоколообраз­ного импульса, а не прямоугольного. В этом случае будем считать, что мак­симум светового пичка соответствует спаду импульса накачки. Действитель­но, если бы максимум совпадал, например, с максимумом импульса накач­ки, то после генерации пичка оставалось бы достаточно энергии накачки, чтобы инверсия могла снова вырасти до значения выше порогового и, таким образом, в лазерной генерации появился бы второй пичок, хотя и меньшей интенсивности. Напротив, если бы число фотонов достигало максимума зна­чительно позже, на хвосте импульса накачки, то это означало бы, что накач­ка не была достаточно продолжительной, чтобы инверсия населенностей выросла до приемлемо высокого уровня. Из вышесказанного следует, что для заданной длительности импульса накачки существует некоторое опти­мальное значение максимальной скорости накачки. При уменьшении дли­тельности импульса накачки оптимальное значение максимальной скорости накачки увеличивается и, следовательно, генерируется более интенсивный и более короткий лазерный импульс.

Следует отметить, что, в принципе, при таких значительных скоростях накачки и интенсивностях возбуждающих импульсов любой лазер может работать в режиме модуляции усиления, даже если время спонтанной ре­лаксация его верхнего уровня попадает в наносекундный диапазон (если такая релаксация разрешена в электродипольном приближении). В этом случае и длительность импульса накачки, и время жизни фотона в резона­торе должны быть существенно меньше времени этой релаксации, и, соот­ветственно, импульс, который модулирует усиление, должен быть очень коротким, т. е. менее -1 НС.

Пример 8.6. Типичный пример лазера с модуляцией усиления. Наибо­лее распространенным примером лазера с модуляцией усиления является TEA С02 лазер (лазер с поперечным возбуяодением при атмосферном давле­нии, см. гл. 10), накачиваемый электрическими импульсами. Выбирая обычную длину резонатора L = 1 м, коэффициент пропускания выходного зеркала 20% и предполагая, что внутренние потери связаны только с про­пусканием зеркала, получаем у ~ 0,1 и тс = L/cy 21 30 не. Если считать, что время нарастания лазерного импульса в десять раз больше времени тс, то длительность импульса накачки должна быть порядка -300 не, что соот­ветствует экспериментальным данным.

В качестве примера лазера с модуляцией усиления, в котором исполь­зуется активная среда с временем жизни верхнего уровня т, попадающим в наносекундный диапазон, можно отметить пазеры на красителях (напри­мер, на родамине 6G, т = 5 не) с накачкой короткими (-0,5 не) импульсами азотного лазера, работающего при атмосферном давлении, или полупро­водниковые лазеры (например, на структуре GaAs, х ~ 3 не), накачиваемые очень коротким (-0,5 не) импульсом тока. В обоих случаях можно обеспе­чить режим модуляции усиления с длительностью выходного лазерного импульса -100 пс.