458_METMAT

1

Усиление и генерация импульсного излучения в твердотельных лазерах.

Авторы проекта:

Гречин

Сергей

Гаврилович.

E-mail: gera@mx.bmstu.ru

Рождествин

Валерий

Николаевич.

E-mail: postmaster@interd.bmgtu.msk.su

Созинов

Борис

Леонидович.

Шарандин

Евгений

Анатольевич

E-mail: shar@mx.bmstu.ru

Усиление и генерация импульсного излучения в твердотельных лазерах.

Содержание.

СОДЕРЖАНИЕ.

1.Постановка задачи.

2.Спонтанные и вынужденные переходы. Переходы, вероятности переходов. Связь между вероятностями переходов.

3.Соотношение населенностей уровней.

4.Инверсия населенности, индуцированное излучение.

5.Ширина линии перехода. Уширение линии перехода.

6.Индуцированное усиление.

1.Постановка задачи. Методы анализа.

2.Балансные уравнения для населенностей уровней. Трехуровневые среды первого типа. Четырехуровневые среды.

3.Уравнение переноса для плотности мощности излучения.

4.Полуклассические уравнения. Волновое уравнение. Уравнение бегущей волны. Уравнение для оптического резонатора.

5.Уравнения для поляризованности и инверсной населенности среды.

6.Переход от полуклассических к балансным уравнениям.

7.Границы применимости балансных уравнений.

3. Создание инверсии населенности. Накачка активного элемента. 43

1.Постановка задачи.

2.Запасенная энергия.

3.Уравнение накачки активных элементов.

4.Полупроводниковая накачка.

5.Ламповая накачка.

6.Коэффициент усиления среды. Полупроводниковая накачка. 4-х уровневые среды. 3-х уровневые среды.

7.Эффективность запасания энергии.

8.Коэффициент усиления среды. Ламповая накачка.

9.Влияние усиленной люминесценции. Оптимальная задержка.

1.Постановка задачи.

2.Уравнения процесса усиления.

3.Усиление по энергии. Режимы усиления. Оптимальная задержка импульса.

4.Усиление по мощности. Усиление профилированных импульсов.

5.Многопроходное усиление.

1.Постановка задачи. Оптическая схема генератора. Условие генерации. Общая картина развития процессов. Условие генерации. Выполнение условия генерации. Развитие процесса генерации.

Усиление и генерация импульсного излучения в твердотельных лазерах.

Содержание.

2.Уравнения для генератора с активной модуляцией добротности. Точечная модель генератора. Мощность излучения. Энергия излучения. Длительность импульса. Время линейного развития генерации. Обобщение выражений для расчета моноимпульса излучения. Числовые примеры.

3.Функциональные зависимости параметров выходного излучения. Энергия накачки. Коэффициент отражения выходного зеркала. Оптимизация лазера. Задержка до включения модулятора добротности. Время включения модулятора добротности. Начальное пропускание модулятора добротности. Длина резонатора. Размеры активного элемента. Параметры излучения и эффективность генератора.

1.Постановка задачи. Развитие процесса генерации.

2.Уравнения для генератора в режиме генерации «пачки» импульсов. Параметры излучения и эффективность генератора.

3.Функциональные зависимости параметров выходного излучения. Энергия накачки. Форма импульса накачки. Длительность импульса накачки. Задержка до включения модулятора добротности. Коэффициент отражения выходного зеркала.

4.Лазер на активных элементах с сенсибилизаторами.

1.Постановка задачи. Принцип работы пассивного модулятора добротности.

2.Уравнение пассивного модулятора добротности. Общие принципы генерации в лазере с пассивным затвором.

3.Уравнения для лазера с пассивной модуляцией добротности. Параметры излучения и эффективность генератора.

4.Функциональные зависимости параметров выходного излучения. Энергия накачки. Формирование импульса излучения. Форма импульса накачки. Начальное пропускание затвора. Коэффициент отражения выходного зеркала. Вредные потери в генераторе. Сравнение с лазером с активной модуляцией добротности. Учет подкачки активного элемента.

1.Первый.

2.Активные элементы.

3.Осветители для квантронов с ламповой накачкой.

4.Полупроводниковые диоды, линейки, матрицы.

5.Квантроны и лазеры с ламповой накачкой.

6.Квантроны и лазеры с полупроводниковой накачкой.

7.Лазеры.

8.Лазеры с ламповой накачкой.

9.Нелинейные кристаллы.

Усиление и генерация импульсного излучения в твердотельных лазерах.

Введение.

ВВЕДЕНИЕ.

С момента, когда была впервые получена генерация лазерного излучения, прошло уже более 40 лет. За это время написано большое число статей, монографий и учебных пособий. Казалось бы все точки расставлены. Но опыт подготовки инженеров-исследователей и инже- неров-разработчиков показывает, что очень большой круг вопросов, с которыми приходится сталкиваться на практике, не отражен в учебной литературе. В основном учебные пособия рассматривают принципы квантовой электроники, но не рассматривают все аспекты физики процессов и вопросы лазерной техники, с которыми приходится сталкиваться на практике. Собственно это и отражается в названиях опубликованных учебников “Основы квантовой электроники”, “Принципы лазеров”, “Основы лазерной техники” и др.

Некоторые вопросы физики лазерных процессов оказались не рассмотренными ни в учебной литературе, ни в монографиях. Это касается вопросов генерации излучения в широко используемых лазерах с пассивной модуляцией добротности, вопросов межкаскадных влияний в многокаскадных лазерных системах и др. Последние годы характеризуются интенсивным внедрением полупроводниковой накачки активных элементов. Это дает не только количественный выигрыш, например, в увеличении эффективности устройств и уменьшении их весо-габаритных параметров, но и новые качественные возможности, многие из которых еще не исследованы. В учебной литературе этот вопрос практически не нашел своего отражения. Задачи проектирования устройств всегда являлись тем искусством, в основе которого лежит глубокое понимание физики процессов. Понимания на уровне функциональных связей, зависимостей выходных параметров устройства от изменения любого из параметров начальных данных. В полном объеме эти вопросы не рассматриваются ни в учебной, ни в специальной литературе. До настоящего времени нет ни одной монографии, посвященной изложению методики проектирования лазеров подобно тому, как это было сделано, например, в радиоэлектронике.

Можно условно выделить три группы уровней подготовки инженеров по специальности, которые сложились в лазерной физике и лазерной технике: начальный, средний и полный. При этом начальный курс предполагает изучение основ квантовой электроники, дающих знания об общих принципах формирования лазерного излучения и реализуемых на практике режимах работы и их характеристиках. Как правило на таком уровне даются знания для специалистов по лазерным технологиям и процессам, определяющими параметрами в которых выступают энергетические и временные параметры и направленность излучения. При решении задач разработки оптико-электронных устройств с применение лазеров, как функционально законченных устройств, важным является знание о формировании энергетических, временных, пространственных, спектральных и поляризационных параметров излучения. Этот уровень можно назвать средним. И полным уровнем является уровень подготовки специалистов по проектированию лазеров различного целевого назначения.

Общей постановкой задачи в рамках этого проекта являлась разработка методических материалов для наиболее полного курса по импульсным твердотельным лазерам - курса по проектированию лазеров. При этом ставилась задача такого структурирования материала, которая позволяла использовать части его для курсов с меньшим объемом часов (начального и среднего). Наиболее просто такая организация материала возможна в электронном виде. На этапе подготовки материалов создается законченный документ, включающий в себя набор требуемых по учебной программе разделов. Этот документ не имеет избыточной информации

Усиление и генерация импульсного излучения в твердотельных лазерах.

Введение.

и при необходимости получения дополнительной информации по любому из вопросов имеет ссылки.

Успешное применение пакета прикладных программ LID-PSSL (Laser Investigator & Designer - Pulsed Solid-State Lasers) для решения задач профессионального исследования и разработки лазеров и подготовки специалистов различного уровня во многом определило методику преподавания. Достаточное внимание в этих методических материалах уделялось выбору оптимальной последовательности изложения материала и его систематизации. Кажущаяся простота режимов непрерывной и свободной генерации лазеров, с точки зрения описания и анализа этих процессов показывает, что более рационально строить изложение курса, начиная с рассмотрения усиления лазерного излучения. Вслед за этим логичным развитием является рассмотрение моноимпульсного режима генерации. Обобщением этого режима является режим генерации “пачки” импульсов с активной модуляцией добротности. В дополнение к этим режимам работы лазера рассматривается лазер с пассивной модуляцией добротности, позволяющий реализовывать как моноимпульсный режим, так и режим генерации “пачки” импульсов. После рассмотрения этих режимов генерации легко осуществить переход к квазинепрерывному режиму, устремляя длительность импульса накачки к бесконечности. Также несложно перейти к режиму свободной генерации, уменьшая период следования импульсов управления модулятора добротности.

Âэтой версии методические материалы содержат 7 разделов и приложение. Раздел 1 посвящен изложению принципов квантовой электроники - рассмотрению термодинамически равновесных квантовых систем с дискретными уровнями энергии. На основе термодинамического подхода рассмотрены возможные переходы между уровнями в системе, определена взаимосвязь между вероятностями переходов. На примере анализа двухуровневой системы показано, что наличие инверсной населенности позволяет получить усиление излучения. Делается вывод, что инверсная населенность может быть получена в многоуровневых системах с дополнительным уровнем, через который производится накачка.

Âразделе 2 рассмотрены методы исследования процессов взаимодействия излучения со средами, имеющими инверсную населенность. Получены балансные уравнения и полуклассические уравнения, приведены границы их применимости. Уравнения для коэффициента усиления среды получены для трех-уровневой и четырех-уровневой сред. При подготовке некоторых групп специалистов опускается материал, базирующийся на выводе и использовании полуклассических уравнений. В этом методическом материале они выделены в соответствующие подразделы и при необходимости могут быть опущены.

Â3 разделе рассмотрены вопросы накачки активных элементов, создание в них инверсной населенности, определены интегральные параметры, характеризующие эффективность накачки. В этом разделе рассмотрены полупроводниковая и ламповая накачка активных элементов.

Раздел 4 посвящен усилению лазерного излучения. Рассмотрено усиление по энергии и по мощности излучения в различных режимах (усиления сильного и слабого сигнала), общий случай, изменение формы усиливаемого импульса, “сверхсветовое” распространение импульса излучения, многопроходное усиление и др.

Â5 разделе рассматривается генерация моноимпульсного излучения в лазере с активной модуляцией добротности. Определены и сформулировано условие генерации. Получены расчетные соотношения для энергии, мощности и длительности импульса лазерного излучения. Определены оптимальные значения коэффициента отражения выходного зеркала

Усиление и генерация импульсного излучения в твердотельных лазерах.

Введение.

для получения максимальной энергии или мощности выходного излучения. Рассмотрены функциональные зависимости параметров выходного излучения от энергии накачки, коэффициента отражения выходного зеркала, задержки до включения модулятора добротности, начального пропускания модулятора добротности и др.

Дальнейшим развитием моноимпульсного режима является режим генерации “пачки” импульсов, рассмотрение которого выполнено в разделе 6. Рассмотрение этого режима проводится в сравнении с моноимпульсным режимом, что позволяет определить его достоинства для ряда прикладных задач. Приведены функциональные зависимости от энергии накачки, коэффициента отражения выходного зеркала и др. Уделяется внимание роли задержки до включения модулятора добротности, периода следования и вопросам регуляризации генерируемой последовательности импульсов излучения. Отдельно рассмотрен режим генерации “пачки” в лазерах на активных элементах, в которых время передачи энергии от сенсибилизатора соизмеримо с временем жизни частиц на верхнем лазерном уровне.

Âразделе 7 рассмотрен лазер с пассивной модуляцией добротности. Рассмотрен принцип работы пассивного модулятора добротности и определены основные параметры, характеризующие его работу в составе лазера. Рассмотрены функциональные зависимости от энергии накачки, начального пропускания затвора, коэффициента отражения выходного зеркала и др. Проводится сравнение этого лазера с лазером с активной модуляцией добротности.

ÂПриложении содержится информацию о разработках различных фирм всего мира. Это систематизированные данные об элементной базе (нелинейные кристаллы, активные элементы, квантроны и др.) и различных типах твердотельных лазеров. Для большого числа изделий представлен внешний вид, технические характеристики и www-адрес фирмыизготовителя для получения более подробной информации. Периодическое обновление этой части информации позволяет проводить подготовку с использованием последних мировых достижений.

Инженерная направленность этих методических материалов отразилась в выборе системы единиц СИ, наиболее употребимой в инженерной практике. По мере введения физических параметров, в тексте даются их физические размерности. В основном все уравнения приводятся в технически измеримых параметрах.

Эти методические материалы подготовлены по материалам лекций и семинаров, которые авторы проводили в течении около 10 лет в МГТУ им.Н.Э.Баумана на кафедрах “Радиоэлектронные и лазерные устройства и системы”, “Оптико-электронные устройства и системы” и “Лазерная технология“. Только в МГТУ им.Н.Э.Баумана прошли подготовку с использованием этого пакета программ более 700 студентов и аспирантов.