Тема 3.2. Обеспечение энергетических и временных характеристик

Управление общими потерями в резонаторе позволяет варьировать энергетические и временные характеристики генерируемого излучения. Различные методы управления общими потерями в резонаторе получили название режимов генерации, среди которых следует выделить основные:

1) непрерывная генерация;

2) свободная генерация;

3) модуляция добротности резонатора;

4) синхронизация мод.

Непрерывная генерация

В этом наиболее простом режиме функционирования лазера излучение непрерывно выводится из резонатора в течение времени работы лазера. Накачка при этом должна осуществляться непрерывно. Резонатор лазера просто охватывает активную среду с помощью зеркал и не содержит никаких переключателей. В стационарно работающем лазере усиление среды равно потерям излучения, которые включают и избыток мощности накачки, преобразуемый в выходную мощность лазера. Выходная мощность непрерывного лазера может быть неравномерной вследствие многих причин, некоторые из них будут обсуждаться ниже.

Свободная генерация

Режим свободной генерации фактически является квазинепрерывным режимом, при котором лазер работает в непрерывном режиме сравнительно короткий период времени от порядка нескольких сотен микросекунд до нескольких милисекунд. Этот период времени, как правило, равен или немно-

го превышает время жизни верхнего лазерного уровня, которое, в свою очередь, имеет тот же порядок, что и время импульса накачки. На рисунке 3.12 показана последовательность получения импульса свободной генерации в результате синхронизации накачки и возникновения усиления и потерь в лазерном резонаторе.

Как видно из временной диаграммы, в случае свободной генерации стационарное усиление равно потерям и избыток мощности накачки реализуется через выходное излучение лазера. Когда накачка превышает определенный порог (где усиление равно потерям), возникает лазерное излучение. И усиление, и выходная мощность могут сначала проскочить точку равновесия (это зависит от соотношения между скоростями нарастания импульса накачки и возбуждения верхнего лазерного уровня), но в конечном итоге колебания затухают после нескольких циклов и выходная мощность выходит на уровень, характерный для непрерывного режима.

Модуляция добротности резонатора

Добротность – это параметр резонатора, характеризующий, во сколько раз накопленной в системе энергии больше, чем величина потерь энергии за один полный проход резонатора.

Управление (модуляция) добротности резонатора является механизмом получения коротких лазерных импульсов с длительностью импульса порядка нескольких наносекунд. Термин «модуляция добротности» означает быстрое переключение качества резонатора от минимально низкого до самого высокого значения (см. временные диаграммы на рис. 3.13).  Первоначально добротность объемного резонатора поддерживается на очень низком уровне путем введения оптического переключателя, что соответствует высокому уровню потерь . Поэтому генерация во время импульса накачки так, как это происходит в случае непрерывного режима, запрещена. Очевидным следствием этого является то, что в активной среде создается гораздо более высокая плотность инверсии населенности и усиление, чем это было в случае непрерывного режима работы лазера.

Расходимость лазерного излучения

Расходимость лазерного излучения на больших расстояниях от источника (в дальней зоне) определяется пространственной когерентностью выходного пучка, которая зависит от оптического качества активной среды лазера и характеристик резонатора.

Влияние на расходимость неоднородностей активной среды

Помимо возмущений, связанных с качеством покрытий зеркал и их разъюстировкой, в лазерах могут возникать дополнительные возмущения фазы, связанные с наличием в резонаторе активной среды. Неоднородность оптических характеристик активной среды, прежде всего разные скорости распространения электромагнитного излучения в различных областях, приводит к изменению фазового фронта световой волны при ее прохождении через активную среду.

Причинами появления неоднородностей могут быть как исходные характеристики активных сред лазеров (неоднородности распределения оптических свойств твердотельных кристаллов и стекол, связанные с их изготовлением, неоднородности распределения плотности газовых сред, обусловленные их движением в резонаторе), так и воздействие на рабочее тело накачки. Например, при оптической накачке твердотельных лазеров происходит неравномерное поглощение энергии в поперечном сечении активной среды, что, в свою очередь, вызывает возникновение термических напряжений и деформаций рабочего тела и оказывает сильное влияние на его оптические свойства.

Вопросы к практическому занятию 3.3:

1. От чего зависит расходимость лазерного излучения?

2. Что такое фазовые искажения лазерного излучения?

3. Как обеспечивается качество поверхности зеркал для лазерных резонаторов?

4. Каковы механизмы влияния активной среды на оптическое качество лазерного излучения?