5.3. Пассивная модуляция добротности резонатора

Рис. 8. 12. Схема лазера с просветляющимся затвором. 1 – активный стержень, 2 – кювета с просветляющимся раствором, 4 – глухое зеркало R₂, 3 – резонансный отражатель, используемый в качестве выходного зеркала лазера c коэффициентом отражения R₁.

Для рубинового лазера в качестве просветляющегося вещества используют спиртовые растворы фталоцианинов или криптоцианина или цветные стекла типа КС (сульфид-кадмиевые стекла) . В лазерах, на кристаллах и стеклах, активированных неодимом – полиметиновые красители.

Рис. 8.13. Динамика развития мощности генерации в лазере с просветляющимся затвором. Точки – экспериментальные данные [ ]. Динамика лазера характеризуется наличием двух порогов и двух этапов генерации: первый – начало генерации на непросветленном затворе, второй – начало генерации моноимпульса, когда мощность генерируемого излучения становится достаточной для просветления вещества затвора. Длительность первого этапа генерации ~ 10^-6 сек, а вторго этапа ~ 10^-8 сек.

Для теоретического описания моноимпульсного лазера с просветляющимся затвором к системе уравнений (8.10) необходимо добавить уравнение, описывающее изменение коэффициента поглощения нелинейного фильтра k_f от мощности генерируемого излучения.

Конкретный вид уравнения определяется спектроскопической моделью просветляющегося фильтра. В случае двухуровневой модели уравнение имеет вид:

. (8.15)

где k_f⁰ – коэффициент потерь излучения в фильтре при малых мощностях излучения, его начальное значение. Коэффициент потерь лазера с фильтром можно представить в виде:

. (8.16)

На практике можно измерить не начальный коэффициент потерь излучения в просветляющемся фильтре, а коэффициент его пропускания Т₀ на частоте генерации.

Коэффициент отражения от системы зеркало лазерного резонатора - фильтр равен: R_f = R₂ T², так как свет два раза проходит через фильтр. Т₀ – начальное значение пропускания просветляющегося затвора, измеренное на спектрофотометре, Т – пропускание, зависящее от мощности генерируемого излучения.

Таким образом, можно пользоваться обычным выражением для коэффициента потерь резонатора (8.16) без учета k_f , в которое вместо R₂ подставить T². Тогда выражение (8.16) можно представить в виде:

, (8.17)

где пропускание затвора Т зависит от мощности генерируемого излучения. Коэффициент потерь (8.17) определяет уровень инверсной населенности активной среды y/y₀, который в оптимальном случае должен достигаться к началу генерации и к концу импульса накачки. y/y₀ определяет энергию моноимпульса.

Рис. 8.14. Типичное численное решение системы дифференциальных уравнений, описывающих свойства лазера с просветляющимся затвором на компьютере. y – инверсная населенность в активном материале, k – коэффициент поглощения просветляющегося затвора.

Расчеты и эксперименты показывают, что энергию моноимпульса, генерируемого лазером с просветляющимся затвором можно оценивать по формулам, применяемым для расчетов моноимпульсных лазеров с активной модуляцией добротности в случае «мгновенного» выключения потерь резонатора. При этом энергия моноимпульса практически оказывается несколько меньше, так как остаточные потери излучения на просветленном затворе все-таки превосходят потери в электрооптическом затворе.

Лазеры с просветляющимися затворами несмотря на простоту их работы не нашли широкого применения в практических разработках в силу серьезных конструктивных недостатков. Просветляющийся затвор обладает существенными остаточными потерями (максимальный коэффициент пропускания лучших затворов достигает 60 … 90 %), жидкий раствор красителей недолговечен и быстро разлагается под действием высокоинтенсивного излучения и просто в результате длительного хранения. Растворы не годятся для работы в аппаратуре, которая должна работать в широком температурном диапазоне (например, от – 40 до + 40 С). От некоторых из этих недостатков свободны затворы на цветных стеклах. Для рубиновых лазеров это цветные стекла типа КС 19. Однако эти стекла не обладают высокой световой прочностью, необходимой в моноимпульсных лазерах.