Режим генерации гигантских импульсов при активной модуляции добротности резонатора.

Идея использования модуляции добротности резонатора лазера с импульсной накачкой для получения мощных и коротких световых импульсов была реализована в 1962 г. [22, 23]. Управляя добротностью резонатора, сначала обеспечивают высокий уровень вредных потерь, т. е. специально поднимают порог генерации. Это позволяет создать значительную инверсную заселенность в активной среде. Затем по сигналу извне уровень потерь, а следовательно, и порог генерации быстро понижаются до минимально возможного значения; в результате начальная величина инверсной заселенности оказывается существенно выше нового порога, отвечающего малым потерям. В этих условиях вместо последовательности пичков, высвечивается единичный короткий световой импульс большой мощности (так называемый гигантский импульс).

Мощность гигансткого импульса тем больше, чем значительнее превышение начальной инверсной заселенности (реализуемой в условиях низкой добротности резонатора) над пороговым значением инверсной заселенности (отвечающим высокой добротности резонатора). Мощность получаемых на практике гигантских импульсов достигает 109 Вт. Длительность гигантского импульса имеет порядок 10—100 не. Минимальная длительность импульса может достигать значений 1—3 не (см., например, [24]).

Для реализации рассматриваемого режима генерации помещают в резонатор лазера модулятор (переключатель потерь), управляемый внешним сигналом. Под воздействием сигнала модулятор быстро изменяет уровень вредных потерь в резонаторе (переходит из состояния, соответствующего высоким потерям, в состояние, соответствующее низким потерям, и обратно). Поскольку такие переходы совершаются в результате воздействия извне, данный режим модуляции добротности резонатора называют активной модуляцией. Применяются различные типы модуляторов. Первоначально появились оптико-механические модуляторы, затем стали использоваться электрооптические, а позднее — акустооптические модуляторы [25—28].

Обычно модулятор работает как управляемый оптический затвор; под воздействием управляющего сигнала изменяется пропускание затвора, а следовательно, и потери в резонаторе. Если затвор «открыт», то потери низки (добротность резонатора высока); если затвор «заперт», то потери высоки (добротность резонатора низка). В отдельных случаях роль модулятора играет быстро вращающееся зеркало резонатора (модулятор оптико-механического типа). Очевидно, что переходы оптического затвора из «запертого» состояния в «открытое» должны быть синхронизованы с импульсами накачки: затвор должен «открываться» после того, как достигнута достаточно высокая инверсная заселенность рабочих уровней.

На рис. 3.2 показан процесс развития гигантского импульса при активной модуляции добротности резонатора; кривая описывает изменение во времени мощности

Рис. 3.2

генерируемого излучения. Там же показано изменение во времени добротности резонатора (кривая и плотности инверсной заселенности (кривая ). В исходном состоянии имеем низкую добротность и высокую начальную плотность инверсной заселенности Под воздействием управляющего сигнала добротность начинает возрастать и соответственно начинает уменьшаться пороговое значение плотности инверсной заселенности (оно на рисунке не показано). Как только порог, уменьшаясь, сравняется с величиной начнется процесс генерации; этот момент времени выбран на рисунке в качестве начального момента Из рисунка видно, что процесс генерации гигантского импульса состоит из двух этапов: относительно длинного этапа медленного (линейного) развития импульса (длительность этого этапа ) и короткого этапа быстрого (нелинейного) развития (длительность этапа ). Почти вся энергия импульса высвечивается на втором этапе, поэтому длительность гигантского импульса принято измерять по длительности указанного этапа (по величине у. Заметим, что уменьшение инверсной заселенности происходит практически лишь на этапе быстрого развития импульса.

Обозначим через промежуток времени, в течение которого добротность возрастает от наименьшего до наибольшего значения (время включения добротности). Если то говорят о быстром включении добротности; рис. 3.2 соответствует имен но такому случаю. Процесс

Рис. 3.3

развития импульса при быстром включении добротности обычно рассчитывают, полагая для простоты, что добротность возрастает мгновенно 129]. Если время порядка то необходимо учитывать конкретную скорость возрастания добротности [30, 24].

При достаточно медленном включении добротности картина генерации качественно меняется: вместо единичного импульса могут высвечиваться несколько импульсов с постепенно уменьшающейся мощностью и возрастающей длительностью (рис. 3.3). Временной интервал между импульсами постепенно нарастает, изменяясь от 100 нс до 1 мкс.