5.4.3. Модуляция добротности

Метод модуляции добротности [22] позволяет получать лазерную генерацию в виде коротких импульсов (длительностью от нескольких наносекунд до нескольких десятков наносекунд) с высокой пиковой мощностью (от нескольких мегаватт до нескольких десятков мегаватт). Основная идея метода состоит в следующем. Предположим, что в резонатор лазера помещен затвор. Если затвор закрыт, то генерация возникнуть не может и инверсия населенностей может достичь значения, которое намного превышает пороговое, имеющее место в отсутствие затвора. Если теперь резко открыть затвор, то усиление в лазере существенно превысит потери и накопленная энергия выделится в виде короткого и интенсивного светового импульса. Поскольку при этом происходит переключение добротности резонатора от низкого к высокому значению, то данный метод называется модуляцией добротности.

Для большей строгости исследуем временную последовательность событий с помощью рис. 5.26, на котором мы предполагаем, что накачка происходит с постоянной скоростью в течение

интервала времени (рис. 5.26, а) и что потери в лазере переключаются в момент времени от очень большого значения, соответствующего закрытому затвору, до значения у, отвечающего нормальной работе лазера при открытом затворе. Таким образом, при генерация прекращается и инверсия населенностей возрастает до очень большой величины Заметим, что длительность импульса накачки должна быть меньше времени релаксации верхнего состояния или, возможно, сравнима с ним по величине. В противном случае, если то большая часть энергии накачки будет теряться вследствие спонтанной релаксации, а не накапливаться в виде энергии инверсии населенностей.

Когда затвор открывается (при ), усиление лазера значительно превосходит потери резонатора и число фотонов резко увеличивается от начального значения устанавливаемого спонтанным излучением . В результате увеличения инверсия населенностей будет уменьшаться от ее начального значения Когда упадет до величины пороговой инверсии населенностей то в соответствии с уравнением (5.186) мы будем иметь и световой импульс будет иметь максимальную мощность. Это произойдет в момент времени на рисунке. При в лазере вместо усиления мы будем иметь потери, и, как следствие, мощность импульса уменьшится до нуля. В это же время инверсия населенностей достигнет окончательной величины Заметим, что передний фронт импульса оказывается короче его заднего фронта. Кроме того, отметим, что на рис. 5.26 временной масштаб при сильно отличается от масштаба при Например, в лазере с модуляцией добротности,

Рис. 5.26. Последовательность событий в лазере с модулированной добротностью (быстрое включение), а — временные зависимости скорости накачки и потерь в резонаторе б — временные зависимости инверсии населенностей и числа фотонов

поскольку обычно выбирается около 100-200 мкс, в то время как оказывается равным приблизительно 20—50 нс, т. е. более чем в тысячу раз меньше.

Прежде чем завершить это общее рассмотрение модуляции добротности, уместно сделать два заключительных комментария. 1) Из вышеприведенного обсуждения ясно, что для осуществления модуляции добротности необходимо иметь достаточно большое время жизни верхнего лазерного состояния, чтобы инверсия населенностей могла достичь больших значений. Обычно время жизни должно быть порядка долей миллисекунды, что реализуется для переходов, запрещенных в электродипольном приближении. Это имеет место для большинства кристаллических твердотельных лазеров (например, на кристаллах рубина, александрита) и в некоторых газовых и йодном лазерах). Однако в лазерах на красителе и в некоторых газовых лазерах, имеющих важное значение (например, в или аргоновом лазерах), лазерный переход является электродипольно разрешенным и время жизни изменяется от нескольких наносекунд до десятков наносекунд. В этом случае метод модуляции добротности неэффективен, поскольку для накопления достаточно большой инверсии не хватает времени. Кроме того, если время жизни сравнимо со временем необходимым для достижения световым импульсом пикового значения, то значительная доля накопленной к моменту времени инверсии при будет потеряна на спонтанное излучение, а не давать вклад в вынужденное излучение. 2) Представленная на рис. 5.26 временная зависимость модуляции добротности предполагает, что затвор открывается мгновенно, как показано на этом рисунке, или по крайней мере очень быстро по сравнению с временем развития импульса (быстрое переключение). В случае медленного переключения могут возникать многократные импульсы (рис. 5.27). Каждый импульс образуется в тот момент времени, когда мгновенное значение усиления равно мгновенному значению потерь После каждого импульса

Рис. 5.27. Последовательность многократных импульсов в случае медленного включения. На рисунке представлено усиление лазера где — длина активной среды.

усиление сбрасывается до значения, которое по величине меньше потерь, и дальнейшая генерация невозможна до тех пор, пока затвор не откроется еще больше и потери не станут меньше усиления.