Преимущества импульсной накачки; генерация на самоограниченных переходах.

При импульсной накачке, когда инверсия реализуется лишь в течение некоторых промежутков времени, быстрое очищение нижнего рабочего уровня может оказаться несущественным. Предположим, что при включении импульса возбуждения скорость заселения верхнего рабочего уровня оказывается выше скорости заселения нижнего уровня. В этом случае лазер может работать за счет инверсии, возникающей в начале импульса возбуждения. Подобная ситуация показана на рис. 1.5, где кривые и 2 описывают изменение во времени заселенностей нижнего и верхнего рабочих уровней соответственно, а кривая 3 описывает импульс возбуждения. Из рисунка видно, что инверсия реализуется в начале импульса возбуждения — в течение промежутка времени Ясно, что в данном случае скорость релаксации нижнего рабочего уровня несущественна.

Из сказанного следует, что в режиме импульсной накачки возможно получение генерации в большем числе сред и на большем числе переходов в данной среде, нежели при стационарной накачке. В частности, реализуется генерация на так называемых самоограниченных переходах.

Самоограниченными называют переходы, где верхним рабочим уровнем служит первый резонансный уровень активного центра, а нижним является метастабильный уровень. Метастабильность нижнего уровня, исключающая возможность его радиационного очищения, не позволяет реализовать стационарную инверсию на таких переходах несмотря на то, что первый резонансный уровень обладает, как правило, наибольшим сечением электронного возбуждения в разряде. Однако на указанных переходах возможна импульсная генерация; она может происходить в начале импульса возбуждения, когда скорость релаксации нижнего уровня несущественна, а существенно отношение скоростей заселения рабочих уровней. Поскольку длительность генерации ограничена в рассматриваемом случае свойствами самого перехода, такие переходы получили название самоограниченных.

Отношение скоростей заселения рабочих уровней в случае самоограниченных переходов особенно благоприятно, причем именно вследствие метастабильности нижнего рабочего уровня. Дело в том, что сечения возбуждения электронами по оптически запрещенным переходам, как правило, много меньше, чем по разрешенным [3]; в результате вероятность электронного возбуждения первого резонансного (верхнего рабочего) уровня оказывается существенно более высокой, чем вероятность возбуждения метастабильного (нижнего рабочего) уровня. Именно поэтому лазеры, работающие на основе самоограниченных переходов, отличаются весьма высокими значениями коэффициента усиления.

Говоря о преимуществах импульсной накачки, надо отметить также тот факт, что ее легче реализовать с технической точки зрения, нежели непрерывную накачку. Непрерывный достаточно стабильный подвод энергии к активной среде, как правило, технически сложнее, чем импульсный. Кроме того, при импульсной накачке обычно нет необходимости в принудительном охлаждении нагревающейся активной среды.

Рис. 1.6

Импульсная накачка позволяет реализовать различные импульсные режимы генерации. При этом удается осуществлять исключительно сильную концентрацию во времени и пространстве излучаемой световой энергии. Так, например, реализованы режимы генерации мощных сверхкоротких световых импульсов длительностью с и пиковой мощностью до Вт.

В практике применения лазеров импульсные режимы генерации встречаются заметно чаще, чем непрерывные. Твердотельные и жидкостные лазеры работают обычно в импульсных режимах; при этом используется как импульсная, так и непрерывная накачка. Непрерывная генерация характерна для газовых лазеров; однако и тут наблюдается повышение интереса к импульсной генерации [5].