Оптоэлектроника

Демпфирование лазерного резонаторМодуляцией потерь (переключение добротности)

Опишем теперь метод, позволяющий превысить пороговую концентрацию носите­лей в лазере (позволяющую добиться пс{0 » л1Ьге5Ьок1). С этой целью в начальный период времени резонаторные потери искусственно увеличиваются до уровня, обес­печивающего выполнение условий холодного резонатора. В этом случае концент-

Демпфирование лазерного резонаторМодуляцией потерь (переключение добротности)

Время (не)

Рис. 4.12. Временная эволюция плотности фотонов в резонаторе в предположении, что фотонное время жизни составляет 3 пс, а время жизни носителей г2 на уровне |2) составляет 1 не. Предполагается, что в момент времени / = 0 плотность инверсной заселенности п(10 вдвое превышает пороговую величину патЛхМ.

Рация электронов на уровне |2) дается соотношением n2(t) = Ят2( 1 — е_'/Г2). Длитель­ность периода Та делается достаточно большой с тем, чтобы большинство допусти­мых состояний |2) было занято (т. е. Та ~ n/R, где п — полная концентрация центров излучения). Для временного введения таких потерь отражение выходного зеркала может быть существенно уменьшено, например за счет использования ячейки Пок - кельса (смотрите главу 12). В результате этого, добротность резонатора Q можно модулировать или реализовать режим переключения добротности. Инверсная плот­ность заселенности п.» п (/ относится к начальному моменту) на уровне |2) в конце первого низкодобротного цикла очень велика по сравнению с фиксированной ин­версной плотностью flthreshold в процессе лазерного излучения (рис. 4.13).

Это же справедливо и для энергии, запасенной занятыми состояниями. Затем резона­тор переключается в состояние высокой добротности (например, за счет восстановления большого отражения зеркал). Энергия, запасенная в резонаторе, затем освобождается, как это описывается (4.37). Для упрощения обозначений мы предположим, что время жизни на уровне |2) остается очень большим по сравнению с фотонным временем жизни (т. е. и « 1). В этом случае (4.37) может быть переписано в виде:

^L = y(x - 1)

Ну (441)

АТ

Деля одно уравнение на другое, получаем:

§=J-> <4-42>

Что может быть легко проинтегрировано и с учетом использованных ранее опреде­

Лений приведено к виду:

Р = ^threshold I11 ~ “ (?*d ~ ni ) (4.43)

Ni

Плотность фотонов р также может принимать переходные значения, больше тех, которые допускаются стационарным числом фотонов в высокодобротном резона­торе. Плотность фотонов достигает максимальной величины, когда dp/dt =0 в урав­нении (4.41), т. е. когда п = «thresold:

Демпфирование лазерного резонаторМодуляцией потерь (переключение добротности)

Лазер Акустико-оптическая

Ячейка

Демпфирование лазерного резонаторМодуляцией потерь (переключение добротности)

Демпфирование лазерного резонаторМодуляцией потерь (переключение добротности)

Демпфирование лазерного резонаторМодуляцией потерь (переключение добротности)

Демпфирование лазерного резонаторМодуляцией потерь (переключение добротности)

Threshold

Л.

Рис. 4.13. Принцип демпфирования лазерного резонатора за счет модуляции потерь

(переключение добротности). В промежутке времени между 0 и Та за счет ухудшения добротности вводятся значительные резонаторные потери(нап- ример, с использованием акустооптического модулятора). В то время как добротность резонатора 0 искусственно поддерживается на уровне 01о>у, уро­вень инверсной заселенности имеет возможность возрасти до значения пп превышающего пХЪпЛаЛА для резонатора, который в других условиях является высокодобротным. После чего добротность восстанавливает свое прежнее значение 0^, а энергия, запасенная во время фазы низкодобротной подза­рядки, выделяется в виде гигантского импульса.

П.

 

Демпфирование лазерного резонаторМодуляцией потерь (переключение добротности)
Демпфирование лазерного резонаторМодуляцией потерь (переключение добротности)

Демпфирование лазерного резонаторМодуляцией потерь (переключение добротности)

Демпфирование лазерного резонаторМодуляцией потерь (переключение добротности)(4.44)

Р

Х QS

подпись: р
х qs
Когда лАге8Но1с! << п., что часто имеет место. Теперь мы уже в состоянии рассчитать максимальную мощность лазера по сравнению со стационарным режимом. Без пе­реключения добротности число имеющихся фотонов (рс^ где индекс С¥ относится к непрерывному режиму) в резонаторе дается соотношением (4.44) или рс^ = Ятс, где, как мы напоминаем, Я есть скорость накачки, а тс время жизни фотонов в резонаторе с высокой добротностью. Максимальная плотность фотонов (/>д8), реа­лизуемая при переключении добротности, дается (4.44) или /?д8 = п. = ЯТа, когда, как мы напоминаем, п. = п есть полная концентрация излучательных центров. В общем случае время Та достаточно близко к времени жизни тс. В результате этого отношение выходной мощности в непрерывном режиме к мощности в режиме с переключением добротности (смотрите рис. 4.14) составляет:

Демпфирование лазерного резонаторМодуляцией потерь (переключение добротности)

(4.45)

Поскольку, как правило, времена жизни т2 и г имеют величину соответственно

1 мс и 1 нс, то отношение (4.45) может быть значительным. Следуя той же схеме рассуждений, что и при выводе (4.30), мы видим, что пиковая выходная мощность импульса точно дается произведением полной плотности фотонов (которую мы делим надвое, так как следует рассматривать только фотоны, двигающиеся в на­правлении выходного зеркала), пропускания выходного зеркала Г и площади по­перечного сечения лазерного резонатора:

I- 1"

■ф—•—•— п2 = Ятс •••••»«» п2 = Я т2

Непрерывный режим Триггерный режим

А 6

Рис. 4.14. В лазере, работающем в непрерывном режиме, максимальная заселенность электронами возбужденного уровня определяется временем жизни фотонов в резонаторе г. В режиме с модулированной добротностью максимальная заселенность определяется временем жизни электронов на втором уровне г2, которое может быть намного больше г.

PQS=hv^TsAn, (4.46)

Пиковая выходная мощность лазера с переключением добротности

Наконец, длительность лазерного импульса может бьггь получена численным интег­рированием нелинейного дифференциального уравнения (4.41). В следующем примере мы дадим короткую программу MATEMATICA, позволяющую рассчитать динамику лазера с переключением добротности.

Рисунок 4.15 дает несколько примеров, из которых мы заключаем, что типич­ная длительность импульса составляет величину порядка нескольких rcs (времен жизни фотонов), т. е. десятки наносекунд для лазерных резонаторов с длиной в несколько сантиметров. Отметим, что модуляция потерь в резонаторе может быть осуществлена пассивно (т. е., например, без внешнего приложения напряжения к оптическому затвору). Это может быть осуществлено за счет размещения в лазер­ном резонаторе насыщаемого поглотителя. Этот материал поглощает электромаг­нитное излучение вплоть до определенного уровня интенсивности, за пределами которого среда становится прозрачной. Таким образом, введение такого пассивно­го элемента приведет к самопроизвольному переключению добротности резонато­ра. В начале цикла характеристики поглощения в этом материале понижают доб­ротность резонатора, при этом в течение этого времени электрическая энергия хранится в резонаторе, увеличивая плотность электронной заселенности возбуж­денного уровня. Как только среда насыщается, резонаторные потери уменьшаются, и стимулированное излучение начинает освобождать накопленную носителями энер­гию в виде мощного оптического импульса.

Пример --------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Поскольку (4.41) характеризуется нулевой плотностью фотонов в начальном состо­янии (К(0) = 0), оно допускает в качестве решений стационарные уровни инверс­ной заселенности X (7) = 0 и нулевую плотность фотонов Y (7). Как показано на рисунке 4.15, для моделирования эффекта переключения добротности мы должны были бы ввести искусственные начальные условия (К(0) = 0,1).

Это обстоятельство подчеркивает физическую необходимость спонтанной эмис­сии для запуска механизма лазерной генерации. Программа MATEMATICA, приве­денная ниже, позволяет нам рассчитывать временные характеристики лазера с моду­ляцией потерь. Она написана в предположении, что начальное условие X (0) =2.

Condition of Д0)= 2.

Eq 1 =у ’ [t]==y[t] *(x[t] -1)

Eq2=x’[t]==-x[t]*y[t]

Sol=NDSolve[{eq1 leq2,x[0]==2,y[0]==0.1}, {x[t],y[t]}, {t,0,10}]

Plot=Plot[Evaluate[y[t]/.sol, {t Д10}]]

Демпфирование лазерного резонаторМодуляцией потерь (переключение добротности)

О.

 

10

 

Рис. 4.15. Временная зависимость плотности фотонов р в лазере в режиме переключе­ния добротности для различных значений п./п1ЪтЬхМ выше порога генерации. Три кривые соответствуют решениям дифференциального уравнения (4.41).

 

Демпфирование лазерного резонаторМодуляцией потерь (переключение добротности)

Оптоэлектроника

Приобретаем- купить осциллограф, тепловизоры, источники питания

Тепловизионные камеры. Тепловизоры testo - полупроводниковые приборы, наделённые возможностью наблюдать тепловое либо световое излучение. Тепловизор flir на собственном мониторе изображает оранжевыми, красными и желтыми цветами объекты, источающие тепло, но прохладные …

Конкуренция мод: перекрестные модуляторы

В дополнении 11.Д мы видели, что вблизи порога полупроводниковый лазер может генерировать в многомодовом режиме несмотря на то. что усиливающая среда яв­ляется однородной. При достаточно сильном возбуждении настолько выше порога, …

Униполярные квантово-каскадные лазеры

Одной из характерных особенностей полупроводниковых лазерных диодов являет­ся то, что в прямо смещенном диоде принимают участие два типа носителей (элек­троны и дырки). Это делает традиционные лазерные диоды биполярными приборами. Существует …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов оборудования:

Внимание! На этом сайте большинство материалов - техническая литература в помощь предпринимателю. Так же большинство производственного оборудования сегодня не актуально. Уточнить можно по почте: Эл. почта: msd@msd.com.ua

+38 050 512 1194 Александр
- телефон для консультаций и заказов спец.оборудования, дробилок, уловителей, дражираторов, гереторных насосов и инженерных решений.