ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

РАЗГРУЗКА РЕЗОНАТОРА

Возвратится к нулевому значению. Главным преимуществом такого способа Ц разгрузки резонатора является возможность его использования в различных типах лазеров, например в лазере с синхронизацией мод, в непрерывном лазере или лазере в режиме модуляции добротности. Ниже будет рассмотрен случай разгрузки резонатора лазера в режиме синхронизации мод, посколь­ку это один из тех случаев, где разгрузка резонатора наиболее часто приме­няется на практике.

В импульсных лазерах с синхронизацией мод разгрузка резонатора про­изводится в тот момент, когда импульс синхронизации внутри резонатора достигает максимального значения (см. рис. 8.28а). В этом случае из резона­тора лазера выходит одиночный сверхкороткий импульс высокой интенсив­ности. Этот тип разгрузки зачастую реализуют с применением электрооптиче - ского модулятора на ячейке Поккельса в конфигурации, которая аналогична схеме модуляции добротности (см. рис. 8.5а). В этом случае отраженный от поляризатора пучок используется как выходной, и для того чтобы получить переключение со 100-процентным отражением, напряжение на ячейке Пок* кельса переключается от нуля до «четвертьволнового» напряжения в тот момент времени, когда требуется разгрузка резонатора.

Для непрерывного лазера с синхронизацией мод техника разгрузки резонатора может быть использована периодически, чтобы получить по-? следовательность сверхкоротких импульсов, частота повторения которых, теперь определяется скорее частотой повторения механизма разгрузки ре - I зонатора, чем частотой повторения в режиме синхронизации мод (напри - $ мер, V = с/2Ь для синхронизации мод в режиме основной частоты). Если % эта частота достаточно мала (обычно лежит в интервале между 100 кГц и 1 МГц), то соответствующий временной интервал между двумя «удачны­ми» событиями разгрузки резонатора (1-10 мкс) оказывается достаточно

Большим, чтобы синхронизация мод полностью восстановилась. Таким образом, метод периодической разгрузки резонатора позволяет получить пакет сверхкоротких импульсов с много меньшей частотой повторения, и поэтому с много большей пиковой мощностью, которую импульсы приоб­ретают в режиме обычной синхронизации мод. Очень часто эти два спосо­ба используются в некоторых приложениях, где применяются сверхко­роткие импульсы.

Следует отметить, что если эффективность выходного устройства (от­ветвителя) оказывается меньше 100%, то необходимо включать и выклю­чать это устройство таким образом, чтобы момент включения совпадал со временем полного прохода резонатора. В этом случае уменьшенный по ам­плитуде импульс синхронизации мод сохранится в резонаторе после раз­грузки, и поскольку синхронизация мод не может начаться снова из-за спонтанных шумов, система будет работать в более надежном режиме. За­частую, из-за более низких потерь, для разгрузки резонатора используется акустооптический ответвитель. Он состоит из акустооптического модуля­тора, работающего в брегговском режиме и в режиме бегущей волны, когда дифрагированный пучок выступает в качестве выходного. Схема такого устройства представлена на рис. 8.33. Она отличается от схемы модуляции добротности, рассмотренной на рис. 8.7а, по трем основным аспектам:

1. Высокочастотный генератор, который управляет пьезоэлектрическим преобразователем, теперь работает на гораздо большей частоте (например,

V = 380 МГц). Выходная мощность выводится таким образом, что огибаю­щая высокочастотного сигнала является импульсом с длительностью тр, рав­ной времени полного прохода резонатора (например, хр = 10 не). Поэтому разгрузка резонатора происходит в тот момент времени, когда результи­рующий акустический импульс взаимодействует с пучком резонатора. По­этому этот импульс должен быть синхронизован с циркулирующим импуль­сом синхронизации мод таким образом, чтобы оба импульса встречались в модуляторе. Следует отметить, что необходимость использования высокой несущей частоты преследует две цели: возможность амплитудной модуля­ции короткими импульсами (тр= 10 нс) и получение большого значения дифракционного угла 0^. Действительно, поскольку = Х/Ха, где Ха — аку­стическая длина волны, угол дифракции линейно возрастает с увеличени­ем несущей частоты.

2. В модуляторе пучок фокусируется в пятно очень малого размера. Дли­тельность импульса разгрузки резонатора на самом деле определяется не толь­ко длительностью акустического импульса, но и временем прохода этого им­пульса через сфокусированный лазерный пучок. Например, взяв диаметр пучка й = 50 мкм и скорость звука V = 3.76 • 105 см/с (скорость волны сдвига в плавленом кварце), получаем t = с1/и = 13,3 не.

3. Циркулирующий и дифрагированный лазерные импульсы дважды взаимодействуют с акустическим импульсом внутри модулятора. Это дости­гается с помощью зеркала М3, которое также перефокусирует рассеянный пучок назад в модулятор. В этом случае может быть получена высокая ди­фракционная эффективность (-70% ).

В этой главе было рассмотрено несколько примеров лазеров, работающих в нестационарном режиме. В общем смысле, эти случаи можно объединить в две категории:

1. Нестационарные режимы работы лазера на временах, заметно больших, чем время полного прохода резонатора. Сюда входят такие явления, как ре­лаксационные колебания, модуляция добротности и модуляция усиления. В этом случае, в первую очередь, можно описать лазерный свет в резонаторе как полное число фотонов более или менее однородно заполняющих резонатор и «эволюционирующих» во времени согласно рассмотренной динамике.

2. Нестационарные режимы работы лазера на временах заметно мень­ших или, что еще чаще, много меньших времени полного прохода резонато­ра. Эта категория включает все случаи синхронизации мод, которые инте­ресны с практической точки зрения, а также некоторые методы разгрузки резонатора. В этом случае лазерный свет в резонаторе можно описать как световой импульс, распространяющийся в резонаторе «туда» и «обратно».

Для обоих нестационарных режимов, а особенно для режимов модуляции добротности и синхронизации мод, представлены и рассмотрены несколько ме­тодов достижения требуемого режима. В процессе этого рассмотрения были опи­саны и охарактеризованы несколько новых физических явлений, включая взаи­модействие света со звуковыми волнами, распространение импульса в диспер­гирующей среде, а также некоторые нелинейно-оптические явления, такие как фазовая самомодуляция, самофокусировка и образование солитонов. Таким об­разом, в рамках данной главы были получены некоторые новые представления о взаимодействии света с веществом, особенно при нестационарных условиях*

Материал, изложенный в данной главе, был дан с некоторыми ограниче - ниями. Здесь не рассматривались простейшие аналитические выкладки, по­скольку целью главы являлось более глубокое понимание физики рассматри­ваемых сложных явлений. В частности, в главе были опущены некоторые тон­кости, связанные с пространственными изменениями интенсивности лазерного пучка и скорости накачки (например, изменение поперечного профиля пуч­ка), поскольку они существенно усложняют картину восприятия. Таким об­разом, изложенный в главе материал представляет минимальную базу зна­ний, которая, по мнению автора, необходима для всестороннего и сбалансиро­ванного понимания механизмов работы лазера в нестационарном режиме.