16.3.8. Условия самовозбуждения и насыщения усиления

или, с учетом уравнения (16.31), условие самовозбуждения можно

В этих уравнениях Nn и Nm – число частиц на верхнем и нижнем лазерных уровнях, а функция gν есть нормированный контур спектральной линии, который является лоренцевым при однородном уширении и гауссовым при неоднородном. Энергия или мощность накачки, при которой достигается пороговая инверсия для генерации, называется пороговой энергией или мощностью для генерации.

Условие самовозбуждения будет выполняться в первую очередь для колебаний, обладающих наивысшей добротностью, при этом система, состоящая из активного вещества в оптическом резонаторе, будет перекачивать энергию в моды резонатора с малыми потерями.

При увеличении интенсивности накачки выше порога генерации происходит насыщение инверсии населенностей и усиления. Характер

насыщения усиления в лазере зависит от типа уширения спектральной линии. При однородном уширении контур спектральной линии в режиме насыщения не изменяется. При неоднородном уширении увеличение показателя усиления будет происходить не равномерно по всему контуру, а преимущественно вблизи частоты v, то есть в общем спектре образуется характерный пик. Количественно эффект насыщения описывается

формулами

для неоднородно уширенной линии. Здесь aо – ненасыщенный показатель усиления или показатель усиления слабого сигнала, когда интенсивность излучения лазера I мала. Величина Is называется параметром насыщения и зависит от вероятности всех переходов, участвующих в создании инверсии.

При достижении порога генерация начинается на одной моде,

обладающей наивысшей добротностью и расположенной ближе всех к максимуму спектральной линии. Это режим одномодовой генерации. При

286

мощности излучения. При генерации на одной моде создается последовательность лазерных импульсов, амплитуда которых затухает по экспоненте. Такую генерацию называют режимом затухающих пичков. На

больших временах и при отсутствии дополнительных источников флуктуаций режим регулярных пичков переходит в стационарный. Основной

причиной возникновения релаксационных колебаний является взаимодействие поля в резонаторе с активной средой. Отметим, что такие колебания могут развиваться не только в начале импульса накачки, но и в стационарном режиме при появлении внезапного возмущения. Характерный период таких колебаний составляет 0,1 – 10 мкс.

Режим регулярных затухающих колебаний возникает лишь при одномодовой генерации и неизменности параметров лазера во времени. В реальных условиях, особенно в твердотельных и полупроводниковых лазерах, наблюдается режим нерегулярных пичков, интенсивность которых во времени не затухает и меняется хаотично (рис. 16.10).

Причиной таких колебаний могут быть нестабильность параметров лазера и взаимодействие различных мод при многомодовой генерации. Рассмотренные выше эффекты соответствуют режиму свободной генерации,

когда добротность резонатора и пороговая заселенность постоянны во времени. Очень интересные результаты можно получить при работе лазера в режиме модуляции добротности. Режим модуляции добротности позволяет

получать лазерную генерацию в виде импульсов с малой длительностью и высокой пиковой мощностью (гигантские импульсы).

Принцип работы лазера в режиме модуляции добротности состоит в следующем. Предположим, что внутрь лазерного резонатора помещен затвор. Если затвор закрыт, то генерация не возникает и, следовательно, инверсия населенности может достигнуть очень высокого значения. Если теперь очень быстро открыть затвор, то усиление в лазере будет существенно

превышать потери и накопленная энергия выделится в виде короткого (порядка нескольких наносекунд) и интенсивного импульса света. Поскольку

в данном случае происходит изменение добротности резонатора от низких до высоких значений, то такой режим называется режимом модуляции добротности.

Режим модуляции добротности лазера характеризуется следующими основными параметрами: временем задержки генерации tзад, длительностью гигантского импульса tимп, пиковой мощностью Рмах и энергией излучения импульса W (рис. 16.10).

Существует ряд методов модуляции добротности.

1.Одно из двух зеркал резонатора вращается. Потери резонатора будут

очень высокими в течение всего периода вращения за исключением момента времени, соответствующего параллельности зеркал.

2.Внутри резонатора имеется оптический модулятор, свойства которого можно менять с помощью внешних воздействий. Чаще всего используют электрооптические эффекты в кристаллах.

288