5.4.3.1. Методы модуляции добротности

Для модуляции добротности наиболее широко используются следующие системы.

а) Электрооптические затворы. Эти затворы основаны на электрооптическом эффекте, обычно на эффекте Поккельса. Ячейка, основанная на этом эффекте (ячейка Поккельса), представляет собой нелинейный кристалл типа или ниобата лития для видимого и ближнего ИК-диапазона или теллурида кадмия для средней ИК-области.

В таком кристалле приложенное постоянное электрическое поле приводит к изменению показателей преломления. Это наведенное двулучепреломление пропорционально приложенному напряжению.

На рис. 5.28 показан лазер с модуляцией добротности, использующий соответствующую комбинацию поляризатора и ячейки Поккельса. Ячейка Поккельса ориентирована и к ней подведено напряжение смещения таким образом, что оси х и у наведенного двулучепреломления располагаются в плоскости, перпендикулярной оси лазерного резонатора. Ось поляризатора образует с главными осями двулучепреломляющей ячейки угол 45°. Рассмотрим теперь световую волну, распространяющуюся из активной среды в направлении к системе поляризатор — ячейка Поккельса. Поляризатор пропустит к ячейке Поккельса лишь то лазерное излучение, которое поляризовано вдоль оси поляризатора. Поэтому электрическое поле этой падающей волны окажется под углом в 45° к главным

Рис. 5.28. а — возможное взаимное расположение поляризатора и ячейки Поккельса, используемых для модуляции добротности; б — направления компонент электрического поля, оси поляризатора и главных осей ячейки Поккельса в плоскости, перпендикулярной оси резонатора.

осям х и у ячейки Поккельса и может быть разложено на компоненты вдоль этих осей колеблющиеся в фазе. Пройдя через ячейку Поккельса, обе компоненты испытывают различные фазовые набеги, что приведет к сдвигу фазы

где величина наведенного двулучепреломления, длина кристалла. Если приложенное к ячейке Поккельса напряжение таково, что то две компоненты поля будут отличаться по фазе на так что когда компонента х достигает максимума, компонента у равна нулю и наоборот, т. е. волна становится поляризованной по кругу (рис. 5.28, б). После отражения от зеркала волна еще раз проходит через ячейку Поккельса и компоненты ее электрического поля по осям х и у приобретают дополнительный сдвиг фазы Теперь суммарный фазовый сдвиг равен , так что, когда компонента х максимальна (и положительна), компонента у достигнет своего максимального (отрицательного) значения, как показано на рис. 5.28, г. В результате полное поле Е снова линейно поляризовано, но направление его поляризации составляет теперь угол 90° с направлением поляризации падающей волны на рис. 5.28, б. Следовательно, это излучение не пропускается поляризатором, а отражается из резонатора наружу (см. рис. 5.28, а). Данное состояние соответствует закрытому затвору. Открывается затвор путем снятия напряжения смещения. При этом исчезает наведенное двулучепреломление и входящий свет проходит без изменения его поляризации. Заметим, что напряжение, необходимое для работы этой схемы, называется -напряжением (четвертьволновым напряжением), поскольку в соответствии с выражением (5.84) величина равна

Модуляторы добротности на ячейке Поккельса являются наиболее распространенным типом устройств для модуляции добротности. В зависимости от используемого в ячейке Поккельса нелинейного кристалла, конфигурации прикладываемого поля, ориентации кристалла и значения рабочей длины волны четвертьволновое напряжение может быть в пределах

б) Механические устройства. Наиболее распространенный механический способ модуляции добротности состоит во вращении одного из зеркал лазерного резонатора вокруг оси, перпендикулярной оси резонатора. В этом случае условие высокой добротности достигается в тот момент, когда вращающееся зеркало проходит положение, в котором оно параллельно второму зеркалу резонатора. Для того чтобы ослабить требования к

юстировке, вместо зеркала устанавливают -ную пентапризму, у которой ребро прямого угла перпендикулярно оси вращения (рис. 5.29). Такая призма имеет следующее свойство: если свет распространяется в плоскости, перпендикулярной ребру прямого угла (рис. 5.29), то отраженный свет всегда параллелен падающему, независимо от вращения призмы относительно ребра прямого угла. Это гарантирует то, что соосность между призмой и вторым зеркалом резонатора в плоскости, перпендикулярной ребру прямого угла, достигается в любом случае. При этом эффект вращения призмы заключается в том, чтобы условие соосности выполнялось в другом направлении.

Модуляторы добротности с вращающейся призмой являются простыми и недорогими устройствами и могут быть изготовлены для любой длины волны.

Однако они весьма зашумлены и, как правило, обеспечивают медленную модуляцию добротности вследствие того, что скорость вращения зеркал имеет ограничения. Например, в Nd : YAG-лазерах условие высокой добротности соответствует области углов поворота всего лишь 1 мрад относительно положения точной юстировки. Следовательно, даже если двигатель обеспечивает вращение с очень большой скоростью 24 000 об/мин (400 Гц), продолжительность состояния с высокой добротностью будет равна около 400 не. Столь большое время переключения в некоторых случаях может вызывать генерацию многократных импульсов.

в) Акустооптические модуляторы добротности [23]. Акусто-оптический модулятор представляет собой участок оптически прозрачной среды (например, плавленого кварца для видимой области или германия для среднего и дальнего ИК-диапазона), в котором с помощью прикрепленного с одной стороны пьезоэлектрического преобразователя, подключенного к ВЧ-генератору, возбуждается ультразвуковая волна (рис. 5.30, а). Если противоположная преобразователю сторона участка прозрачной среды срезана под некоторым углом и на нее нанесен поглотитель для акустической волны, то отражения назад не будет и в среде возникает бегущая акустическая волна. Механическое

Рис. 5.29. Механическая система модуляции добротности с использованием пентапризмы.

напряжение, наведенное ультразвуковой волной, вызовет локальные изменения показателя преломления среды (фотоупругий эффект).

Рис. 5.30. (см. скан) а — схема устройства лазера, в котором модуляция добротности осуществляется с помощью акусгоопгического модулятора; б - падающий, прошедший и дифрагированный пучки в акустооптическом модуляторе (брэгговский режим).

Это периодическое изменение показателя преломления можно рассматривать как фазовую дифракционную решетку, период которой равен длине акустической волны, а амплитуда пропорциональна амплитуде звука, и которая передвигается в среде со скоростью звука (фазовая решетка бегущей волны). Если акустооптическую ячейку поместить в резонатор лазера, то до тех пор, пока к преобразователю приложено электрическое напряжение, в резонаторе существуют дополнительные потери. Действительно, часть лазерного пучка выводится из резонатора

вследствие дифракции излучения на наведенной фазовой решетке. Если приложенное напряжение достаточно велико, то дополнительные потери приведут к прекращению лазерной генерации. Возвращение лазера в состояние с высокой добротностью происходит при выключении электрического напряжения на преобразователе.

Чтобы получить более глубокое представление о работе акустооптического модулятора, рассмотрим случай, когда длина V оптической среды достаточно велика и поэтому решетка действует как толстая фазовая решетка. Для реализации этого случая необходимо, чтобы выполнялось следующее условие:

где X— длина волны падающего света, — показатель преломления среды, а — длина звуковой волны где — скорость звука и — частота звуковой волны). Рассматривая, например, кварц (скорость сдвиговой волны в нем равна ), который возбуждается на частоте МГц, мы получаем мкм и из условия (5.84а) (учитывая, что в кварце мм. Если длина кристалла составляет, например, около 5 см, то дифракция происходит в режиме толстой фазовой решетки, который называется режимом дифракции Брэгга. В этом режиме из резонатора под углом выходит только один дифрагированный пучок и наибольшая эффективность дифракции достигается тогда, когда направление падающего света удовлетворяет условию (рис. 5.30,б), впервые полученному Брэггом для дифракции рентгеновских лучей на кристаллографических плоскостях. В таком случае дифрагированный пучок можно рассматривать как результат зеркальных отражений падающего пучка от фазовых плоскостей, образуемых звуковой волной. Если к пьезоэлектрическому преобразователю подводится ВЧ-сигнал достаточно высокой мощности, то из резонатора может дифрагировать сравнительно большая доля падающего пучка (например, для мощности порядка нескольких десятков ватт мы имеем . В конкретном примере, рассмотренном выше, пучок дифрагирует под углом относительно направления падающего пучка

Акустооптические модуляторы обладают следующими преимуществами: будучи помещенными в резонатор, они вносят мало дополнительных потерь, а в импульсно-периодическом режиме могут работать в режиме с высокой частотой повторения импульсов (килогерцы). Однако они имеют весьма ограниченную величину потерь, вносимых в случае низкой добротности и, кроме того, небольшую скорость переключения добротности. Поэтому такие модуляторы применяются в основном в импульснопериодических лазерах с малым усилением и непрерывной накачкой (например, в непрерывных

Рассмотренные до сих пор три устройства для модуляции добротности подпадают под категорию активных модуляторов добротности, поскольку ими необходимо управлять с помощью соответствующего устройства (источник питания ячейки Поккельса, вращающий двигатель или ВЧ-генератор). Но модуляцию добротности можно также осуществить автоматически, не используя каких-либо управляющих устройств. Модуляторы такого типа называются пассивными модуляторами добротности.

г) Модулятор добротности на основе насыщающегося поглотителя. Самый распространенный на сегодня пассивный модулятор добротности использует насыщающийся поглотитель, который поглощает излучение на длине волны лазера. Во многих случаях он используется в виде кюветы, заполненной раствором насыщающегося красителя в соответствующем растворителе (например, в случае Nd: YAG это растворенный в -дихлор-этане краситель, называемый -диметиламинодитиобен-зилникель). Иногда также используют твердотельные (например, в ацетатцеллюлозной пленке) или газообразные (например, для -лазера) насыщающиеся поглотители. В первом приближении насыщающийся поглотитель можно рассматривать как двухуровневую систему с очень большим сечением поглощения в максимуме линии (в случае насыщающегося красителя эта величина составляет При этом из выражения (2.140) следует, что соответствующая интенсивность насыщения сравнительно мала и при относительно небольшой интенсивности падающего света поглотитель становится почти прозрачным (благодаря насыщению). Предположим теперь, что кювету с красителем поместили в резонатор лазера, причем длина волны, при которой поглощение раствора красителя максимально, совпадает с длиной волны генерации лазера. Для

определенности будем считать также, что начальное (т. е. ненасыщенное) поглощение в кювете с красителем равно 50%. В рассматриваемом лазере генерация может начаться только при условии, что усиление активной среды скомпенсирует потери в кювете, а также потери резонатора при отсутствии насыщения. Вследствие большого поглощения в кювете с красителем критическая инверсия населенностей оказывается очень высокой.

Рис. 5.31. Типичная временная зависимость интенсивности лазерного пучка в резонаторе длиной 60 см с пассивной модуляцией добротности, осуществляемой насыщающимся поглотителем. Величина — это интенсивность шума в данной моде, обусловленного спонтанным излучением. Приведена также длительность импульса (~30 нс), измеренная как ширина импульса на полувысоте.

С момента начала генерации интенсивность лазерного излучения будет нарастать от уровня спонтанных шумов (рис. 5.31). Когда интенсивность становится сравнимой с (что имеет место при как показано на рис. 5.31), благодаря насыщению поглощения краситель начнет просветляться. Вследствие этого увеличивается скорость нарастания интенсивности лазерного излучения, что в свою очередь приводит к увеличению скорости просветления красителя, и т. д. Поскольку величина относительно мала, в активной среде инверсия населенностей после просветления по существу остается той же самой, что и до просветления красителя (т. е. очень большой). Поэтому после просветления красителя усиление лазера значительно превышает потери и, как следствие этого, на выходе лазера появится

гигантский импульс (рис. 5.31). Следует заметить, что на рис. 5.31 масштаб по вертикали является логарифмическим. В линейном масштабе интенсивность излучения лазера в течение времени нарастания импульса (т. е. при ) была бы слишком слабой и на рисунке ее не было бы видно, а была бы заметна лишь хвостовая часть импульса (длительность которой на рисунке мы приняли равной 30 не). Заметим также, что в этом случае время нарастания очень велико (несколько микросекунд). На самом деле при (т. е. до просветления) лазер действует как обыкновенный лазер в импульсном режиме (см. рис. 5.24). Это означает, что свет до достижения им максимальной интенсивности совершает весьма большое число проходов (в примере, рассмотренном на рис. 5.31, это число составляет около 2000). В результате этого происходит естественная селекция мод [24]. Действительно, пусть две моды имеют ненасыщенные коэффициенты усиления за проход а потери за проход равны у] и Поскольку эти моды начинают усиливаться от одной и той же интенсивности, соответствующей спонтанному излучению, отношение интенсивностей обеих мод в момент времени дается выражением

где — число проходов. Если теперь положить, что величина равна разности между результирующими коэффициентами усиления обеих мод, то мы можем записать, что Таким образом, мы видим, даже считая имеющей очень небольшое значение 0,001, что при Следовательно, даже очень небольшая разница в усилении или потерях между двумя модами приводит к большому различию в их интенсивностях в момент времени а стало быть и в момент времени т. е. в максимуме импульса. Поэтому, используя модулятор добротности на насыщающемся поглотителе, нетрудно осуществить генерацию в одномодовом режиме. Заметим, что при активной модуляции добротности этот механизм селекции мод значительно менее эффективен, поскольку формирование импульса лазера из шума происходит намного быстрее и полное число проходов может быть всего около 10 или 20.

Пассивная модуляция добротности с помощью насыщающегося поглотителя представляет собой самый простой метод модуляции добротности. Основным недостатком этого метода является фотохимическая деградация насыщающегося

поглотителя, и поэтому применение пассивной модуляции добротности ограничено главным образом маломощными устройствами с низкой частотой повторения (несколько герц)