Лекции 10 ОИКС (1)

1.

Лекция № 14
Динамика процессов в лазерах.
Режимы работы лазеров
На практике режимы генерации лазеров – импульсные, поэтому лазерная
генерация почти всегда нестационарная
Причины нестационарности:
1. нестационарная накачка – излучением импульсных ламп или импульсным
электрическим разрядом;
2. целенаправленное изменение во времени величины вредных потерь
(активная модуляция добротности резонатора) , либо полезных потерь
(модуляция нагрузки);
3. внесение в резонатор нелинейных элементов – резонансных поглотителей
или оптических фильтров.

2.

Режим свободной генерации
Пусть в ОР лазера есть только активная среда
и нет элементов, свойства которых меняются
под действием внешних сигналов. Отсутствует
также какое-либо управление генерацией или
модуляция. Такой режим реализуется как при
импульсной, так и при непрерывной накачке.
1. Режим регулярных затухающих пульсаций (а)
с выходом на генерацию с постоянным уровнем
мощности (рубиновый лазер).
Длительность пичков: 0,1 – 1 мкс;
Интервал между пичками до 10 мкс;
Выходная мощность до 100 кВт
2. Режим регулярных незатухающих пульсаций (б)
(ИАГ с неодимом).
3. Режим нерегулярных незатухающих пульсаций (в)
(ИАГ с неодимом).
Такие пульсации связаны с:
- вибрациями зеркал ОР;
- неравномерным по времени нагревом
активной среды.

3.

Режим генерации гигантских импульсов
при активной модуляции добротности
ОР
Управляя добротностью ОР сначала обеспечивают высокий уровень вредных потерь, т.е.
специально поднимают порог генерации. Это позволяет создать значительную инверсную
населенность в активной среде. Затем, по внешнему сигналу уровень потерь быстро понижают
до минимального значения. В результате – начальная величина инверсной населенности
оказывается существенно выше нового порога, отвечающего малым потерям. При этом вместо
последовательности пичков высвечивается гигантский импульс – единичный короткий
световой сигнал (1 – 100 нс) большой мощности (до 1 ГВт).
Режим при медленном включении добротности:
Временной интервал между импульсами растет
от 100 нс до 1 мкс.

4.

Режим генерации гигантских импульсов
при пассивной модуляции добротности
ОР
Основан на применении нелинейных элементов, изменяющих свои характеристики в
зависимости от мощности излучения. Широко используют просветляющиеся фильтры –
оптические затворы на основе нелинейно-оптических просветляющихся сред.
Исходное состояние соответствует
непросветленному фильтру
При этом пороговое значение плотности
инверсной населенности N(t) – max.
В момент t=0 – начинается генерация.
- линейный этап ~ 1 мкс
- коэффициент резонансного
поглощения на частоте
генерации
- нелинейный этап ~ 10 мкс
(этап просветления фильтра)

5.

Режим синхронизации продольных мод
(режим генерации сверхкоротких
импульсов)
Пусть излучение лазера содержит m продольных мод, частоты которых эквидистантны, т.е.
расположены на расстоянии Ω друг от друга.
Предположим далее, что моды синхронизированы (фиксированы) по фазе.
В этом случае происходит интерференция продольных мод или «сцепление мод» (mode locking),
в результате чего возникает последовательность сверхкоротких импульсов.
Длительность отдельного импульса:
определяется числом синхронизированных мод.
Период сверхкоротких импульсов :
Таким образом, гигантский импульс с
длительностью
превращается в
последовательность сверхкоротких импульсов,
число которых

6.

Режим синхронизации поперечных мод
Поперечные моды в ОР со сферическими зеркалами характеризуются эквидистантным набором
резонансных частот с шагом
т.е. наблюдается перераспределение генерируемой световой
мощности в поперечном сечении к оси ОР.
Синхронизация поперечных мод приводит к тому, что зона генерации
начинает совершать колебания с периодом

7.

Режим разгрузки резонатора
(cavity – dumping)

8.

Генерация последовательности
импульсов в лазерах с непрерывной
накачкой