ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

МОДУЛЯТОР ДОБРОТНОСТИ НА ОСНОВЕ НАСЫЩАЮЩЕГОСЯ ПОГЛОТИТЕЛЯ

Рассмотренные до сих пор три устройства для модуляции добротности попадают под категорию активных модуляторов, поскольку ими необходи­мо управлять с помощью соответствующего устройства (например, источник питания ячейки Поккельса, вращающийся двигатель или ВЧ-генератор). Теперь рассмотрим самый распространенный на сегодня пассивный модуля­тор добротности, в котором используется нелинейный насыщающийся по­глотитель.

Насыщающийся поглотитель состоит из материала, который поглощает излучение на длине волны лазера и который обладает низким значением интенсивности насыщения. Во многих случаях он используется в виде кюве­ты, заполненной раствором насыщающегося красителя в соответствующем растворителе. Например, в случае NdrYAG это растворенный в 1,2-дихлорэ­тане краситель, называемый BDN - 4-диметиламинодитиобензилникель). Иногда также используют твердотельные (например, BDN в ацетатцеллю - лозной пленке, F2:LiF или Cr4+:YAG, опять же для NdrYAG лазеров) или газообразные (например, SF6 для С02 лазеров) насыщающиеся поглотители. В первом приближении насыщающийся поглотитель можно рассматривать как двухуровневую систему с очень большим сечением поглощения в макси­муме линии (в случае насыщающегося красителя эта величина составляет 10~16см2). При этом из выражения (2.8.11) следует, что соответствующая интенсивность насыщения Is сравнительно мала и при относительно неболь­шой интенсивности падающего света (1 10 МВт/см2) поглотитель становится

Почти прозрачным (благодаря насыщению).

Чтобы понять механизм работы модулятора на насыщающемся поглоти­теле, предположим, что кювету с красителем поместили в резонатор лазера, причем длина волны, при которой поглощение раствора красителя макси­мально, совпадает с длиной волны генерации лазера. Для определенности будем считать также, что начальное (т. е. ненасыщенное) поглощение в кю­вете с красителем равно 50% . В рассматриваемом лазере генерация может начаться только при условии, что усиление активной среды скомпенсирует потери в кювете, а также потери резонатора при отсутствии насыщения. Вследствие большого поглощения в кювете с красителем критическая ин­версия населенностей оказывается очень высокой. С момента начала генера­ции интенсивность лазерного излучения I(t) будет нарастать от уровня спон­танных шумов 1п.

0 2 4 6

*[мкс]

Рис. 8.8

Типичная временная зависимость интенсивности I лазерного пучка и числа фотонов ф

В резонаторе Кс1:¥АО лазера с пассивной модуляцией добротности, осуществляемой с помощью насыщающегося поглотителя (длина резонатора 50 см):

А) логарифмическая зависимость величины ///„ от времени, где /„ — шумы интенсивности, обусловленные спонтанным излучением. Данная зависимость дает наиболее точное представление о динамическом поведе­нии лазера до момента насыщения насыщающегося поглотителя; б) зависимость ф/ф, = I//„ от времени (в ли­нейном масштабе), где ф, = 1 — начальное число фотонов, обусловленное спонтанным излучением. Данная зависимость дает наиболее подходящее описание динамики работы лазера в области максимума импульса.

На рис. 8.8а отображена типичная зависимость /(£), представленная в логарифмическом масштабе как /(£)//„ (см. пример 8.5). Когда интенсив­ность становится сравнимой с 18 (что имеет место при £ = £8), благодаря на­сыщению поглощения краситель начинает просветляться. Вследствие это­го увеличивается скорость нарастания интенсивности лазерного излучения, что, в свою очередь, приводит к увеличению скорости просветления красите­ля и т. д. Процесс просветления насыщающегося поглотителя происходит очень быстро. Поскольку величина 18 относительно мала, в активной среде инверсия населенностей после просветления по существу остается той же самой (т. е. очень большой), что и до просветления красителя. Поэтому после просветления красителя усиление лазера значительно превышает потери и, как следствие этого, на выходе лазера появится гигантский импульс. Динамическое поведение этого процесса (в завершающейся стадии) более детально отображено на рис. 8.86, где величина ф(£)/ф* = /(£)//„ (ф(£) — чис­ло фотонов в резонаторе, причем фг = 1 — начальное число фотонов, обу­словленное спонтанным излучением) представлена в зависимости от време­ни в линейном масштабе и в узком временном интервале. Зависимость пол­ной инверсии ЛГУд от времени, где Уа — объем моды в активной среде, также показана на этом рисунке (см. пример 8.5). Нетрудно видеть, что, как и в любых других случаях модуляции добротности, число фотонов очень быст­ро возрастает, пока насыщение инверсии населенностей, и следовательно усиление, остаются на каком-то уровне. Таким образом, импульс света дос­тигает своего максимального значения, когда инверсия становится равной критической инверсии Ыс лазера без насыщающегося поглотителя, после чего импульс начинает затухать.

Из рис. 8.8 следует отметить одну важную особенность: время нараста­ния импульса с момента, когда он начинает увеличиваться от уровня спон­танных шумов до его максимального значения, оказывается очень большим (Ьр = 3,94 мкс). Это связано с тем, что до момента просветления поглотителя (т. е. при t < £8) усиление лазера лишь незначительно превышает достаточно высокое пороговое значение, обусловленное наличием поглотителя (до его на­сыщения). Таким образом, интенсивность нарастает очень медленно, и свет до достижения им максимальной интенсивности совершает весьма большое чис­ло проходов в резонаторе (~2370 в примере, рассмотренном на рис. 8.8). В ре­зультате этого происходит естественная селекция мод [11]. Действительно, предположим, что две моды имеют ненасыщенные коэффициенты усиления за проход ^1 и ё2, (^ = аМ), а потери за проход равны иу2. Поскольку эти моды начинают усиливаться от одной и той же интенсивности, соответствую­щей спонтанному излучению, отношение интенсивностей обеих мод в момент времени £ = £8 (т. е. до момента насыщения поглотителя) дается выражением:

E(gl-Yl)

G(Ј2~Y2)

Где n — число проходов в резонаторе до момента времени £ = ts (п = 2,310 в примере, рассмотренном на рис. 8.8). Если теперь положить, что величина 8 = (Јi - Yi) - (g2 ~ У2) равна разности между результирующими коэффициен­тами усиления обеих мод, то в этом случае из выражения (8.4.5) можно запи­сать {1^/12) = ехр тьЪ. Таким образом, видно, что даже принимая величину 8 очень небольшой (допустим 0,001), при п = 2310 имеем (Ii/I2) = ехр 2,3 = 10. Следовательно, даже очень небольшая разница в усилении или потерях меж­ду двумя модами приводит к большому различию в их интенсивностях в мо­мент времени £ = ts и, следовательно, в момент, когда импульс максимален. При этом длительность самого импульса может быть достаточно короткой, например -100 не. Поэтому, используя модулятор добротности на насыщаю* щемся поглотителе, нетрудно осуществить генерацию в одномодовом режи­ме. Заметим, однако, что при активной модуляции добротности этот меха­низм селекции мод значительно менее эффективен, поскольку формирова? ние импульса в лазере из-за шумов происходит намного быстрее и полное число проходов при активной модуляции может быть всего около 10 или 20.[39]

Пассивная модуляция добротности с помощью насыщающегося поглоти­теля представляет собой самый простой метод модуляции добротности. Основ­ным недостатком этого метода является фотохимическая деградация насы­щающегося поглотителя (особенно красителей). В последнее время разраба­тываются твердотельные насыщающиеся поглотители, в которых эту проблему стараются устранить. Таким образом, применение пассивной модуляции доб­ротности ограничено главным образом маломощными устройствами.