Основы квантовой электроники (стр. 14 )

Использование в ООР лазера самопросветляющегося фильтра (насыщающегося поглотителя) приводит (из-за нелинейности поглотителя) так же, как и при активной синхронизации–к периодической во времени амплитудной модуляции излучения с частотой f=ΔνММ, и, как следствие – к «привязке» мод по фазе.

Таким образом, интерференция нескольких одновременно существующих продольных мод ТЕМ00q в резонаторе (в лазерах разных типов от 10 до 106), приводит к появлению серии коротких импульсов. Так как τимп≈ΔνЛ‑1, то удаётся получить и сверхкороткие импульсы пикосекундной длительности при синхронизации мод в лазерах с большой шириной контура усиления рабочего перехода: в лазере на стекле, активированном неодимом, в лазерах на растворах органических красителей, в лазере на сапфире, активированном титаном (см., далее, раздел 5).

Задания и упражнения к разделу (модулю) 3.

1) Используя заданную длительность гигантского импульса 10 нс, оцените добротность (в высокодобротной фазе) лазера, генерирующего в видимой области, и минимальную ширину линии усиления для генерации подобного импульса.

2) ИАГ:Nd3+лазер работает в режиме «модулированной добротности». Найдите мощность в «гигантском» импульсе, если Рнепр=1 Вт, длительность импульса 0,5 мкс, время жизни верхнего лазерного уровня 1 мс.

3) Графически найдите отношение прошедшей мощности к падающей (Рпрошедшей/Рпадающей =Рвых/Рвх) и поглощенной мощности к падающей (Рпогл/Рвх) для фильтра с насыщенным поглощением, а также Q резонатора с таким фильтром («самопросветляющийся» фильтр – модулятор добротности резонатора, используется для «автомодуляции добротности» импульсного лазера).

4) Определите частоту следования «сверхкоротких» импульсов в режиме «самосинхронизации мод» и их длительность. Длина резонатора 0,3 м, ширина неоднородно уширенного контура усиления 1013 Гц. Полагать β=α/2.

5) Определите частоту следования «сверхкоротких» импульсов в режиме «самосинхронизации мод» и их длительность. Длина резонатора 1 м, в лазере генерируется одновременно 500 продольных мод.

6) Можно ли осуществить режим синхронизации мод в случае однородного уширения контура линии?

7) Оцените длительность импульса в режиме синхронизации мод Не-Ne-лазера с доплеровской шириной 1700 МГц при длине резонатора 1 м.

Вопросы для самоконтроля (тест) к разделу (модулю) 3

3.1. Импульсный режим работы лазера можно реализовать:

А. только модуляцией Qрез

Б. только модуляцией скорости накачки F2

В. модуляцией Qрез и/или модуляцией скорости накачки F2

3.2. Выражение для максимальной выходной мощности излучения лазера в непрерывном режиме (для случая g1τ2>>g2τ1, и g1n2>>g2n1 ) имеет вид:

А. Б. = hν·F2V В.

3.3. Отклонение луча в ООР лазера при использовании акустооптического затвора происходит за счет явления:

А. интерференции света Б. дифракции света В. поляризации света

3.4. В режиме синхронизации мод длительность импульса генерации лазера τ равна (М – число генерируемых продольных мод):

А. τ = Б. τ = В. τ =

3.5. В режиме синхронизации мод период следования импульсов генерации лазера Т равен (L – длина резонатора, М – число генерируемых продольных мод, n – показатель преломления среды) :

А. Т = Б. Т = В. Т =

3.6. В режиме синхронизации мод частота следования импульсов генерации лазера f равна (L – длина резонатора, М – число генерируемых продольных мод, n – коэффициент преломления среды) :

А. f = Б. f = В. f =

3.7. Выражение для выходной мощности излучения лазера в импульсном режиме с модуляцией добротности Pимп (считая время включения добротности равным длительности импульса лазерного излучения τи):

А. Б. В.

3.8. Выражение для выходной мощности излучения лазера в импульсном режиме с синхронизацией мод (Е0 – амплитуда волны):

А. Б. Pимп = M2 В.

3.9. При использовании в качестве затвора импульсного лазера “самопросветляющегося” фильтра его пропускание с ростом интенсивности света в резонаторе:

А. снижается Б. возрастает В. не изменяется

3.10. Модуляция добротности резонатора в методе синхронизации мод осуществляется на частоте:

А. ΔνММ Б. nΔνММ В. Δνлинии Г. ν0

Модуль 4. ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ.

Лазеры генерируют оптическое излучение в широком диапазоне длин волн–от вакуумного УФ до дальнего ИК и различаются: видом активной среды (газы, жидкости, твердые тела), способом накачки, создающей и поддерживающей в среде инверсию населённостей и режимом работы (импульсный, непрерывный).

Газовые лазеры, активная среда которых представляет собой нейтральный или ионизированный газ, выгодно выделяются в первую очередь чрезвычайно высокими монохроматичностью, пространственной и временной когерентностью, а также направленностью излучения. Кроме того, важным достоинством газовых лазеров является реализованная в последние годы для многих активных сред возможность излучения одновременно на нескольких длинах волн, относящихся к различным участкам спектра (например, имеющих различный цвет), для каждой из которых сохраняются указанные свойства. Это делает такие лазеры незаменимыми источниками высококачественного излучения в многочисленных устройствах обработки информации, метрологии, оптике, голографии и др.

4.1. Условие создания инверсии населённостей.

В общем случае из выражения для коэффициента усиления активной среды (1.41) вытекает условие работы лазера, связывающее скорости накачки верхнего-F2 и нижнего-F1 лазерных уровней с их временами жизни - τ2 и τ1:

или . (4.1)

Анализ условия (4.1) показывает, что:

1) если τ2>>τ1, то стационарная инверсия населённостей будет иметь место, даже если g2F1≥g1F2, при этом режим работы лазера может быть как непрерывным, так и импульсным. Импульсный режим осуществляется модуляцией скорости накачки F2 или добротности открытого оптического резонатора (ООР) (см., раздел 3);

2) если же τ1>τ2 , то для создания инверсии необходимо, чтобы g1F2>>g2F1, что возможно реализовать в существенно нестационарном режиме разряда, и генерация будет импульсной.

Большинство активных сред газовых лазеров накачивается в плазме стационарного или импульсного газового разряда различных видов (cм., [10]). Импульсный режим как в случае 1), так и в случае 2), позволяет снизить тепловую нагрузку на разрядную трубку лазера при высокой вкладываемой в разряд пиковой мощности.

Процесс накачки квантового рабочего перехода может быть одно - или многоступенчатым, при этом в подавляющем числе случаев энергия для накачки перехода изначально черпается из энергии электронов, которые приобретают её в электрическом поле разряда. Функция электронов в плазме газоразрядного лазера двоякая: воспроизводство заряженных частиц путём ионизации газа, что обеспечивает протекание тока в газовом разряде, а также возбуждение атомов, молекул в столкновениях 1-го рода. Возбуждённые частицы либо излучают фотоны непосредственно за счёт спонтанных и индуцированных переходов, либо путём столкновений активизируют другие частицы, передавая им свою энергию. При этом механизмом накачки данного лазера принято считать процесс передачи энергии на конечном этапе, непосредственно возбуждающий лазерный переход. Различные виды накачки рассматриваются далее на примере конкретных лазеров.

Для накачки лазерного перехода чаще используются: плазма положительного столба (ПС) разряда продольного типа и плазма отрицательного свечения (ОС) катодной области тлеющего разряда [10]. При анализе накачки в ПС нужно иметь в виду, что температура (и энергия) электронов снижаются при повышении давления газа (смеси газов), а также что концентрация электронов оказывается пропорциональной давлению и плотности тока разряда.

4.2. Лазеры, накачиваемые в газоразрядной плазме столкновениями с электронами 1-го рода

Поскольку электроны в ПС имеют энергию, простирающуюся от нуля до значений, теоретически намного превышающих энергию ионизации газа, то при столкновениях 1-го рода в той или иной степени возбуждаются все возможные квантовые состояния атомов и молекул, и поэтому накачка столкновениями с электронами в газовом разряде является в общем “неселективной”.

4.2.1. Аргоновый ионный лазер. Газоразрядный лазер на ионизированном аргоне, или Ar+-лазер, работает на квантовом переходе между электронными конфигурациями (1s2…3s2)3p44p (верхние лазерные уровни «2») и ( )3p44s (нижние лазерные уровни «1») однократно ионизированного аргона Ar+* (рис.4.1,а). Наиболее интенсивные линии генерации лазера принадлежат сине-зелёной области спектра: λ488нм и λ514,5нм. Дезактивация уровней «1» 3p44s происходит быстрыми “резонансными” спонтанными переходами в основное энергетическое состояние иона аргона 3p5 Ar0+, поэтому отношение τ2/τ1~5…10 оказывается благоприятным для создания стационарной инверсии и реализации непрерывного режима работы лазера. Накачка уровней «2» Ar+*, т. е. лазерных переходов,– происходит одно - и двухступенчатыми неупругими столкновениями 1-го рода атомов аргона с быстрыми электронами ПС (рис.4.1,б,в) в ПС газового разряда в аргоне при давлении pAr~10…102Па с большой плотностью тока j (до нескольких кА/см2) в продольном магнитном поле. Схема лазера показана на рис. 4.2.