О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка - страница 20

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 

 

У більшості випадків розроблення лазерних резонаторів по­чинається із вибору його конфігурації та габаритного розрахун­ку його основних елементів. Підбір типу резонатора виконує­ться при врахуванні великої кількості факторів [45], [54]. Зві­сно, що всі випадки врахувати неможливо, але можна виділити загальні умови, придатні для прийняття загальних рішень. При цьому необхідно враховувати таке. Лінійна схема є найбільш простою з точки зору конструктивної та технологічної реаліза­ції. Також вона забезпечує більш низький поріг генерації порів­няно з кільцевими резонаторами, що мають аналогічний кіль­цевий період. Лінійні резонатори із плоскими поверхнями, як правило, обирають із технологічних міркувань, коли за іншими параметрами вибір резонатора не є критичним.

У кільцевому резонаторі існують дві хвилі, що рухаються одна назустріч іншій, але при дискримінації однієї із них реалі­зується режим рухомої хвилі. При цьому істотно зменшується ефект просторового випалювання дірок в активному елементі, що дозволяє стабілізувати частотні характеристики генерації та розширити ширину спектра генерації під час формування над-нетривалих світлових імпульсів. Кільцеві резонатори з плоски­ми відбивними поверхнями забезпечують високу стабільність генерації і невелике розходження випромінювання.

Стійкий резонатор доцільно використовувати в лазерах із малим коефіцієнтом підсилення і малим поперечним перері­зом активного середовища. В лазерах з дуже малим перерізом активного елемента необхідно використовувати конфокальні резонатори.

Нестійкі резонатори доцільно використовувати в одномодо-вих лазерах із великими об'ємами активного елемента з вели­ким коефіцієнтом підсилення. Вони забезпечують високий ко­ефіцієнт корисної дії резонатора і є менш чутливі до неоднорі­дності середовища оптичних елементів.

Підчас проектування резонаторів лазерів високої потужно­сті необхідно виключати фокусування випромінювання всере­дині резонатора і безпосередньо на дзеркалах.

 

Питання для самоегійного контролю

1.   Назвіть основні функції оптичного резонатора щодо ви­користання його в квантових генераторах.

2.   Перелічіть та коротко опишіть основні резонатори, що використовуються в електроніці НВЧ.

3.   Визначте термін моди в об'ємному резонаторі.

4.   Які умови повинні виконуватися для формування моди в резонаторі?

5.   Наведіть вирази для власних частот (довжин хвиль) основних резонаторів НВЧ- діапазону.

6.   Назвіть основні чинники, що перешкоджають викори­станню об'ємних резонаторів у оптичному діапазоні.

7.   Назвіть основні чинники, що дозволили використовувати відкриті резонатори в оптичному діапазоні.

8.   Уточніть поняття моди оптичного резонатора.

9.   Поясніть сутність часу життя фотона в резонаторі. Як цей параметр пов'язаний з іншими характеристиками відкрито­го резонатора?

 

10.  Перелічіть та коротко опишіть основні типи відкритих резонаторів, що використовуються в оптичному діапазоні еле­ктромагнітних хвиль.

11.  Наведіть схему відкритого резонатора з плоскими дзер­калами. Які умови повинні виконуватися для формування в ньому моди?

12. У чому сутність теорії Шувалова і Таунса для плоского відкритого резонатора з прямокутними дзеркалами?Поясніть відмінність поздовжніх та поперечних типів ко­ливань в оптичних резонаторах.

13. Розшифруйте зміст поздовжніх та поперечних індексів моди для резонаторів із прямокутною і круглою формами дзер­кал.

15.   Схематично наведіть картину розподілу поля мод
TEMo,o ,q, TEMbl ,q, TEM6,o ,q, TEM5}3 ,q на дзеркалах від-
критих резонаторів із прямокутною і круглою формами.

16.  Коротко опишіть суть теорії Фокса і Лі. Які переваги та недоліки має ця теорія?

17.  Наведіть та дайте фізичний зміст основних компонентів функції розподілу поля на дзеркалах, згідно з теорією Фокса і

Лі.

18.  Наведіть основні висновки, які можна зробити, базую­чись на теорії Фокса і Лі для плоскопаралельних відкритих ре­зонаторів.

19.  Наведіть схему конфокального відкритого резонатора. У чому відмінність функції розподілу поля на дзеркалах порівняно із аналогічною для плоскопаралельного резонатора?

20.  Опишіть поперечну та поздовжню структуру поля в кон­фокальному резонаторі, дайте визначення каустики і перетяжки поля.

21.  Поясніть сутність методу розрахунку основних параме­трів еквівалентного сферичного резонатора.

22.  Наведіть вирази для узагальнених параметрів дзеркал сферичного резонатора.

23.  Як пов'язана наявність еквівалентного сферичного ре­зонатора зі стійкістю резонатора?

24.  Наведіть схему, основні параметри та властивості сфе­ричного резонатора.

25.  Наведіть схему, основні параметри та властивості кон­центричного резонатора.

Наведіть схему, основні параметри та властивості напів­сферичного резонатора.

27.  Наведіть схему, основні параметри та властивості напів-концентричного резонатора.

28.  Перелічіть, класифікуйте та коротко охарактеризуйте основні види втрат в оптичному резонаторі.

29.  Поясніть природу дифракційних втрат у відкритому ре­зонаторі, методику побудови діаграми стійкості.

30.  Охарактеризуйте основні типи резонаторів, що викори­стовуються в оптичному діапазоні на стійкість, при незначній зміні їх геометричних параметрів.

31.  Охарактеризуйте втрати на дзеркалах. Чому корисні втрати отримали таку назву?

32.  Поясніть принцип роботи та побудову багатошарових інтерференційних дзеркал. У яких діапазонах довжин хвиль во­ни мають пріоритетне значення?

33.  Охарактеризуйте та поясніть основні втрати в активному середовищі.

34.  Наведіть схему та поясніть фізичні принципи роботи ла­зерних активних модульних систем. У чому їх переваги?

35.  Дайте визначення та наведіть формулу добротності ре­зонатора з урахуванням у ньому втрат.

36.  Які переваги та недоліки мають нестійкі резонатори по­рівняно зі стійкими?

37.  Наведіть схеми та поясніть особливості використання резонаторів із дифракційними решітками.

38.  Наведіть основні параметри дифракційних решіток.

39.  Поясніть принцип дії та наведіть схеми резонаторів із розподіленим зв'язком.

40.  Поясніть причини необхідності проведення селекції вла­сних типів коливань у резонаторах.

41.   Поясніть сутність, переваги та недоліки, схеми реаліза­ції внутрішньої та зовнішньої селекції власних типів коливань резонаторів.Наведіть та поясніть принцип дії селекції поздовжніх та поперечних власних типів коливань резонатора.

42.   Розкрийте сутність матричного описання параметрів ре­зонаторів. При яких спрощеннях виконуються розрахунки?

43.   Якими властивостями має володіти оптична матриця пе­ретворення резонатора, яким чином вона будується?

Які параметри випромінювання та резонатора можна визначити за допомогою матричного способу?Розділ 6

РЕЖИМИ ГЕНЕРАЦІЇ ТА МОДУЛЯЦІЯ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

6.1.   Класификащя режимів роботи лазерiв

 

Режими (динаміка) роботи й основні параметри випромі­нювання (енергія, тривалість імпульсу, середня та пікова по­тужність і т.д.) лазерів та мазерів значною мірою визначають області їх застосування. Важливе практичне значення має за­безпечення умов стійкості й стабільності різних режимів робо­ти лазерів та мазерів, що визначає необхідність вирішення про­блеми керування параметрами лазерного випромінювання [18], [22], [31]. Розрізняють такі режими випромінювання або роботи лазерів та мазерів:

-   одномодовий і одночастотний;

-   багатомодовий;

-   багаточастотний;

-   безперервний (стаціонарний, або квазістаціонарний);

-   нестаціонарний.

Розглянемо детальніше ці режими. Одночастотним назива­ють такий режим роботи лазера або мазера, при якому вихідне випромінювання має тільки одну спектральну лінію, що, як пра­вило, відповідає основній моді резонатора. Для ідеально ста­більного резонатора ширина цієї лінії має наближатися до ну­ля. Питання стабілізації резонаторів розглядалося в розділі про монохроматичність лазерного випромінювання. В одночасто-тному режимі можуть генерувати твердотільні та газові лазери. Враховуючи можливість виродження мод, необхідно вказати на можливість одночасної генерації декількох мод, що мають одну і ту саму частоту. Іншими словами, набір частот у спектрі ви­промінювання має однаковий поперечний розподіл поля.

Узагалі, розглядаючи одномодовий та багатомодові режи­ми, потрібно звернути увагу на тип контуру підсилення актив­ної речовини. Якщо рівень накачування забезпечує виконан­ня порогової умови, то виникає генерація. При цьому підси­лення в активній речовині на частоті генерації стабілізується і, при подальшому збільшенні потужності накачування, не змі­нюється. У випадку однорідно розширеного контуру підсилен­ня активноїречовини підсилення моди є стабілізованим умежах усього контуру. Тому генерація відбувається на моді резонато­ра, що відповідає частоті максимумуконтурупідсилення. Іншим модам резонатора збуджуватися та подолати рівень втрат буде набагато важче й ці умови не змінюватимуться зі збільшенням накачування. Цей випадок відповідає майже ідеальній умові, коли напівширина спектра генерації обумовлена шириною мо­ди резонатора [29]. Насправді в контурі підсилення вміщується декілька мод резонатора і для забезпечення одномодової гене­рації в окремих випадках використовують методи поперечної селекції типів коливань [19], що розглядалися в попередньому розділі. Справа в тому, що кожна мода утворюється стоячою хвилею в активному резонаторі й у результаті утворюються пу-чності та розрідженості, або вузли поля, які є стаціонарними в об'ємі активного елемента. Оскільки вимушене випромінюван­ня пропорційне густині випромінювання, то в пучностях відбу­вається інтенсивне спустошення верхніх лазерних рівнів. І нав­паки, в області вузлів інверсійна заселеність зберігається на­багато довше. Саме через це створюються умови для збудже­ння інших мод, які близько розташовані до максимуму контуру підсилення активного середовища і мають інший розподіл поля. Це досить добре пояснюється рис. 6.1. У свою чергу, збуджен­ня нових мод призводить до зміни шарової структури активного середовища та виникнення конкуренції мод.

Цей ефект отримав назву просторового випалювання дірок, що є характерним не лише для випадку однорідно розширеного контуру, а й для неоднорідного. Для протидії просторового ви­палювання дірок Ліфшиць запропонував лазер, активний еле-


Мода 1

/

Мода 2

/

Активний елемент

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.1 Просторове випалювання дірок в активному середовищі лазера

 

 

мент якого рухається уздовж оптичної осі резонатора. Внаслі­док цього зміщується в об'ємі розподіл поля, що перешкоджає розшаруванню активного середовища на області з високим та малим рівнем інверсійної заселеності [13]. У [29] також вказу­ється на спосіб переміщення резонатора (механічного або еле­ктрооптичного) та застосування кільцевих резонаторів у режи­мі односпрямованої генерації із використанням вентиля на ефе­кті Фарадея або пасивного дзеркала, наприклад, дифракційної решітки.

Багатомодовий режим відрізняється одночасною генераці­єю кількох поперечних мод. Цей режим, як правило, характе­ризується набором багатьох частот та безперервним розподі­лом поля на дзеркалах. Багатомодовий режим є найбільш по­ширеним режимом роботи лазерів та мазерів, оскільки в цьому разі досягається найбільша потужність випромінювання за ра­хунок більш ефективного використання об'єму активного еле­мента [22], [31]. При багатомодовій генерації можливе виникне­ння ефектів взаємодії мод між собою, так що в цьому випадку їх не можна розглядати як повністю незалежні.

За наявності неоднорідно розширеного контуру підсилен­ня активного елемента кількість мод резонатора, що входять до нього, може досягти кількох тисяч. Тому можна чекати, що при збільшенні швидкості накачування та досягнення порого­вого значення інверсії заселеності буде збуджуватися значна їхкількість. Спочатку збуджуватиметься мода, яка є ближньою до максимуму контуру підсилення. Однак після встановлення моди почнуть виникати процеси насичення, що визначаються властивостями активного середовища і при збільшенні швидко­сті накачування коефіцієнт підсилення основної моди не зміню­ватиметься. На контурі підсилення буде формуватися провал, або дірка. Цей ефект отримав назву частотного випалювання дірок. При подальшому збільшенні накачування умови збудже­ння будуть виконуватись і для інших модрезонатора, що мають найвищу добротність і, як правило, тих, що знаходяться побли­зу вже стабілізованої ефектом насичення моди. Для нових збу­джених мод резонатора також виникають процеси насичення і це також призводить до стабілізації їх коефіцієнта підсилення й до появи (випалювання) нових дірок на контурі підсилення. Кількість збуджених мод може досягати кількох десятків і на­віть сотень. У першому наближенні насичення коефіцієнт під­силення або поглинання для неоднорідно розширеної лінії може бути апроксимований, згідно з [22], як

(6.1)де aoneodn є ненасиченим коефіцієнтом підсилення, або кое­фіцієнтом підсилення слабкого сигналу.

Основним критерієм для часової класифікації режимів ха­рактеристики вихідного випромінювання лазерів та мазерів є співвідношення тривалості стаціонарної генерації rstac, коли по­тужність є незмінною, й тривалості розвинення і згасання гене­рації. В першому наближенні час розвитку та згасання генера­ції можна подати сталою часу резонатора rrez, що характеризує перехідні процеси в резонаторі і є часом, за який густина енергії зменшується в e разів:rrez = Q/(2nv) = ILnjcy    Brez,


(6.2)де    Brez сумарні втрати резонатора за один прохід.

При виконанні умови rstac ^> rrez режим роботи лазера мо­жна вважати стаціонарним. Теоретично він може бути дослі­джений, коли в кінетичних рівняннях системи енергетичних рів­нів похідні за часом від заселеності рівнів прирівняти до нуля. Повністю стаціонарна генерація є ідеалізацією, і в деяких дже­релах використовується поняття квазістаціонарного режиму.

Таким чином, у безперервному режимі енергія випроміню­вання не змінюється протягом часу rstac. Це досягається при одночасному виконанні таких вимог:

-   робота лазера в режимі одномодової генерації;

-   відсутність чинників збудження та флуктуацій;

-   постійність у часі інтенсивності накачування зовнішнього поля;

-   незмінність параметрів лазера у часі;

-  робота лазера в режимі вільної генерації. Безперервна генерація створюється завдяки одночасному

перебігу складних динамічних процесів, пов'язаних із заселе­ністю верхніх лазерних рівнів під дією накачування, та їх рела­ксації. У багатьох джерелах її розглядають як переважно те­оретичний випадок, який відповідає умові незмінності похідних за часом від заселеності енергетичних рівнів кінетичних рівнянь dNi/dt = 0, що розглядалися в розділі створення інверсійної заселеності в активних середовищах.

На практиці режими роботи лазерів не є стаціонарними, що призводить до флуктуацій енергетичних та просторових хара­ктеристик випромінювання. Причин зриву стаціонарної генера­ції багато і їх умовно можна класифікувати на технічні та фізи­чні.

Найбільш поширені різновиди нестаціонарного режиму є:

-   режим вільної генерації;

-   режим модульованої добротності (режим гігантських ім­пульсів);режим синхронізації мод;

-   режим розвантаження резонатора.

В імпульсному режимі генеруються поодинокі або регуляр­ні імпульси, що повторюються. Для створення імпульсної гене­рації, як правило, використовують імпульсне накачування, хо­ча воно може бути досягнуте і за допомогою безперервного на­качування. Перевагами імпульсного накачування є можливість швидкого створення більшої заселеності верхніх лазерних рів­нів, менше теплове навантаження на активний елемент, більша універсальність щодо застосування в більшості активних сере­довищах. Як джерело імпульсного накачування використову­ють спіральні або стрижневі газорозрядні лампи високого ти­ску, через які розряджаються конденсаторні батареї.

 

6.2.   Режим вільної генерації лазерного випромінювання

 

Піднестаціонарним (імпульсним) режимом розуміють такий режим, характерний час якого не триваліший за час релакса­ції робочих лазерних рівнів активного середовища. Для кіль­кісного описання процесів необхідно розв'язати кінетичні рів­няння за умови dNi/dt = 0, які будуть уже нелінійними відно­сно змінних dNi і, як правило, ця задача аналітичних розв'язків не має [22], [31]. Тому розглянемо якісну картину цього проце­су. На рис. 6.2 зображені часові діаграми спектральної густини накачування, заселеності верхнього лазерного рівня N2 та ви­хідної потужності лазерного випромінювання в режимі вільної генерації.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 


Похожие статьи

О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка