§ 1. МОДУЛЯЦИЯ ДОБРОТНОСТИ Q ОПТИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ ЛАЗЕРОВ

а. Электрооптическая модуляция

Этот способ впервые применили Мак-Кланг и Хелуорт. Его принцип показан на рис. 12.2. Внутри лазерного резонатора помещена ячейка Керра. Чаще всего она заполняется нитробензолом, т. е. жидкостью, состоящей из частиц с высоким значением дипольного момента. Напряжение на электродах ячейки Керра выбирается таким, чтобы фазовый сдвиг между составляющими светового поля, направленными вдоль поля и перпендикулярно ему, был равен (рис. 12.2, а и в) или (рис. 12.2, б). В соответствии с законом Керра

где — среднее значение показателя преломления для длины волны постоянная Керра, зависящая от X. Рассчитаем теперь фазовый сдвиг между составляющими после прохождения световой волной пути в ячейке:

Линейно-поляризованный световой луч из рубина после прохождения через ячейку Керра приобретает круговую поляризацию, а затем после отражения от зеркала и повторного прохождения через ячейку — линейную, причем векторы Е составляют друг с другом угол 90°. Действительно,

Таким образом, отраженный пучок линейно-поляризован в

Рис. 12.2. (см. скан) Электрооптические системы с ячейкой Керра для модуляции добротности оптического резонатора лазера: а — система Мак-Кланга и Хелуорта, б и в — усовершенствованные системы. Под каждой схемой показано изменение плоскости поляризации вектора электрического поля волны после прохождения соответствующего оптического элемента. Через обозначено направление постоянного поля, приложенного к ячейке Керра, а через направление поляризации, издаваемой призмой Глана.

направлении, перпендикулярном направлению поляризации первичного луча. Это приводит к повышению порога возбуждения лазерной генерации. На рис. 12.2, б и в показаны усовершенствованные системы того же типа. В них введена призма Глана, которая улучшает поляризацию излучения, выходящего из кристалла рубина. В системе, показанной на рис. 12.2, б, ячейка Керра вносит фазовый сдвиг, равный , что приводит к повороту плоскости поляризации пучка на 90 °.

Призму Глана в этом случае устанавливают так, что создаваемая ею поляризация перпендикулярна поляризации излучения, прошедшего через ячейку. Путь к зеркалу оказывается закрытым для излучения, и добротность резонатора становится низка. Если теперь быстро снять напряжение с ячейки Керра (на практике разряд ячейки происходит за несколько наносекунд), путь к зеркалу открывается и добротность резонатора резко возрастает. Этот момент выбирают так, чтобы он совпадал с максимумом накачки активного вещества. Лазерная генерация развивается в течение и достигает мощности в несколько мегаватт.

Вместо ячейки Керра часто применяют ячейку Поккельса. В ней используется эффект изменения оптической анизотропии под действием электрического поля в некоторых кристаллах, не содержащих инверсной среды. Чаще всего в ячейке Поккельса используется кристалл с тетрагональной структурой. Если световая волна распространяется в направлении оптической оси (как показано в левом нижнем углу рис. 12.3), т. е. в направлении электрического поля, создаваемого в ячейке электродами в виде поясков, то

где показатели преломления в направлениях в отсутствие поля, электрооптическая постоянная. При правильно выбранной напряженности поля можно получить фазовый сдвиг между составляющими поля световой волны вдоль осей равный Таким образом, ячейка Поккельса действует подобно ячейке Керра с той разницей, что создаваемое двулучепреломление является линейной функцией электрического поля. Для получения возможно более однородного постоянного электрического поля в

Рис. 12.3. Модуляция добротности резонатора с помощью ячейки Поккельса, использующей продольный электрооптический эффект в кристалле KDP.

В нижней части рисунка показаны расположение электродов на кристалле и изменения по ляризации излучения.

кристалле размеры а, b и I должны удовлетворять соотношениям:

Достаточно типичными являются следующие размеры кристалла мм, мм, мм. В этом случае для создания фазового сдвига, равного необходимо напряжение около 5,4 кВ.