Генерация последовательности импульсов в лазерах с непрерывной накачкой.

На практике часто требуется иметь управляемую регулярную последовательность световых импульсов, следующих друг за другом с достаточно высокой частотой. Для этого используются режимы генерации импульсов при непрерывной накачке.

Интенсивно исследуются непрерывно накачиваемые лазеры на гранате с неодимом 154—57, 59—64]. Они имеют среднюю мощность выходного излучения порядка 1—10 Вт. Максимальное значение средней выходной мощности может достигать нескольких сотен ватт [61].

Для генерации импульсов в непрерывно накачиваемых лазерах первоначально использовалась активная модуляция добротности резонатора. Сначала был применен оптико-механический модулятор в виде вращающегося зеркала [60]. Однако такой метод модуляции оказался малоинтересным при непрерывной накачке из-за плохой стабильности амплитуды от импульса к импульсу (что связано с плохой воспроизводимостью положения отражающей плоскости вращающегося зеркала). Широкое признание получили появившиеся позднее акустооптические модуляторы. Они позволили достичь предельно высоких частот следования импульсов

Режим генерации импульсов в непрерывно накачиваемом одномодовом лазере при активной модуляции добротности резонатора имеет следующие энергетические и временные характеристики: частота следования импульсов длительность импульса нс — 1 мкс, пиковая мощность средняя выходная мощность (заметим: ). Рассматриваемый режим может использоваться и при частотах однако при уменьшении ниже примерно происходит падение КПД лазера — тем большее, чем меньше Как уже отмечалось, частоты ограничены сверху значением примерно 50 кГц. Наличие верхней частотной границы связано с существованием длительного этапа линейного развития выходного импульса.

Чтобы получить последовательность импульсов с частотой следования выше 50 кГц, надо обеспечить более быстрое нарастание интенсивности импульса. Для этого можно «оборвать» генерируемый импульс на участке спада интенсивности и тем самым сохранить внутри резонатора достаточно высокую плотность излучения (а также относительно высокую плотность инверсной заселенности рабочих уровней). В этом случае генерация будет развиваться уже не от уровня шумов, а от уровня излучения, сохраненного в резонаторе благодаря «обрыву» импульса. Такой метод позволяет поднять частоту примерно до 100 кГц [63],

Рис. 3.7

Другой путь увеличения состоит в использовании режима разгрузки резонатора.

Частоты реализуемые в этом режиме, ограничены сверху фактически лишь скоростью накопления излучения в резонаторе (время накопления соответствует времени нескольких проходов излучения по резонатору).

Выше отмечалось, что при средней выходной мощности, равной максимальной мощности непрерывной генерации, имеет место ограничение частот снизу. должно выполняться неравенство [55, 56]. Дело в том, что требование сохранения средней выходной мощности при низких частотах следования импульсов приводит к необходимости вывода из резонатора чрезмерно большого числа фотонов в импульсе; в результате инверсная заселенность рабочих уровней может оказаться ниже порога генерации.

Типичные характеристики режима разгрузки резонатора: частота следования импульсов МГц, длительность импульса , средняя выходная мощность Вт.

На рис. 3.7 приведена зависимость от где — максимальная мощность непрерывной генерации [55]. На рисунке выделены три области: 1 — область частот, освоенная в режиме модуляции добротности — область, освоенная в режиме разгрузки резонатора МГц), 3 — область между верхней частотной границей режима модуляции добротности и нижней границей режима разгрузки резонатора. В области 3 оба рассматриваемых режима оказываются, вообще говоря, неустойчивыми.

Применяя более глубокую модуляцию нагрузки (обеспечивающую более эффективную разгрузку резонатора за один импульс), можно реализовать устойчивую генерацию в области 3 [57]. С другой стороны, как отмечалось, «обрыв» импульса может привести к устойчивости в рассматриваемой области режима модуляции добротности.