Основные режимы работы лазера

Общая характеристика работы лазеров. Рассмотрение импульсного "режима свободной генерации", генерации "пичков". Подробное изучение методов получения коротких мощных импульсов излучения лазера с использованием режима модуляции добротности резонатора.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 21.08.2015
Размер файла 123,4 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Режимы работы лазеров

Режим работы лазера – непрерывный или импульсный – определяется характером действия источника накачки лазера и законом изменения добротности ООР во времени.

Если интенсивность излучения лазера постоянна во времени, что является следствием постоянных уровня потерь в и, соответственно, добротности ООР ("режим свободной генерации"), а также уровня накачки активной среды, то говорят, что лазер работает в непрерывном режиме. Такой режим характеризуется устойчивой модовой структурой поля излучения, возможностью осуществить как одномодовый, так и одночастотный режим излучения с наивысшими монохроматичностью и когерентностью, а также-осуществить стабилизацию рабочей частоты и уровня мощности. Во всем предыдущем изложении подразумевался именно такой режим.

С другой стороны, реализация импульсного режима позволяет получать импульсы излучения длительностью от единиц миллисекунд до долей фемтосекунды с величиной импульсной мощности, недостижимой у других источников света. Импульсный режим может быть реализован путём управления добротностью резонатора, уровнем накачки активной среды, а также может быть вызван нестационарными процессами в лазере. Рассмотрим методы реализация и особенности импульсного режима подробнее.

1. Импульсный "режим свободной генерации", генерация "пичков"

Рис. 1. К объяснению появления пичков при режиме свободной генерации в длинном импульсе (а-в) и осциллограмма интенсивности излучения лазера на кристалле рубина (г)

Режим свободной генерации характеризуется постоянством во времени добротности резонатора Qp=const(t). При этом динамика (поведение во времени) интенсивности излучения, т.е. форма и параметры импульса генерации, определяются модуляцией уровня накачки и свойствами активной среды с учётом нестационарности процесса создания инверсии. В жидкостных, твёрдотельных и большинстве газовых лазеров форма импульса генерации в определённой мере близка к форме импульса накачки. Исключение здесь составляют газовые лазеры, где инверсия может носить существенно нестационарный характер в периоды т.наз. "ионизационной" и "рекомбинационной" неравновесности, и твёрдотельные лазеры, генерирующие "пички".

Режим с кратковременными периодическими колебаниями мощности ("пичковый" режим) наблюдается у лазеров на кристалле рубина и др. средах с относительно большими плотностью энергии излучения с и временем жизни верхнего лазерного уровня ф2 (порядка 10-3 с), во время длинного импульса накачки (рис. 1). Опишем это явление.

В интервале времени t0-t1 кинетическое уравнение для верхнего лазерного уровня "2" имеет вид

При F2>>n2/ф2, решение (1) дает линейный от времени рост для n2: , и, соответственно, для . Когда усиление начинает превышать потери, начинается развитие генерации и резкий рост с (рис. 1,б и в). При этом в интервале времени t1…t2 кинетическое уравнение для уровня "2" видоизменяется:

и если сB21n2>>F2, то решая (2), получим

где -постоянная времени снижения n2(t), которая при сB21n2>>n2/ф2, будет. Видно, что происходит быстрое снижение населённости уровня "2" за счёт индуцированных переходов, и прекращение генерации. Далее, поскольку накачка продолжает действовать, процесс повторяется, и формируется последовательность "пичков" с периодом 10_6…10_5 с, показанных на рис. 1,в.

2. Импульсный режим за счёт модуляции добротности ООР

2.1 Динамика работы лазера

Для получения коротких мощных (названных "гигантскими") импульсов излучения лазера с большим ф2 используют режим модуляции добротности резонатора. Для этого перед включением накачки путём либо расстройки резонатора, либо с помощью помещаемого в ООР лазерного затвора, в ООР вносятся дополнительные потери в*, так что в=в1+в2+в*>б0, что снижает добротность ООР и препятствует возникновению генерации. В результате в верхнем лазерном состоянии "2" активной среды накапливаются частицы и тем самым запасается энергия Е2:

Далее с максимально возможной скоростью снижаются потери и увеличивается добротность резонатора. Начиная с момента времени, когда б0 становится выше в, т.е. б0в, происходит развитие генерации, а именно, энергия возбуждения, запасённая в активной среде, излучается в виде короткого, порядка времени включения добротности или выключения затвора (

10_9…10_7 с) и мощного импульса лазерного излучения. При этом половина энергии Е2, накопленной в резонаторе, превращается в энергию излучения с величиной мощности в импульсе:

где фимп – длительность импульса генерации. Коэффициент Ѕ в (5) учитывает тот факт, что как только в результате индуцированных переходов половина частиц перейдет с уровня "2" на уровень "1", Дn становится равным нулю, инверсия исчезает, и генерация прекращается. Очевидно, что если фимп н0 – положительными. Положим, что амплитуды всех мод одинаковы, т.е. (Ek)0=E0=const, а их фазы связаны соотношением цk=kц.

Читайте также:  Подать заявление на газификацию дома

Тогда получающееся вследствие интерференции результирующее поле волны будет иметь вид

Обозначая через А(t) медленно меняющиеся сомножители в (7), как амплитуду получившейся волны:

и производя суммирование получившейся геометрической прогрессии, получим:

Преобразуем дробь в (9), используя формулы Эйлера

В результате чего получим:

Отсюда следует, что моменты времени, когда А(t) достигает максимальных значений , соответствуют обращению в нуль знаменателя (11), и их можно найти из условия:

что имеет место, когда , (p-целое) Откуда для искомых моментов времени, с точностью до значения фазы ц, получим

Аналогично найдем "нули" функции А(t), соответствующие обращению в нуль числителя (11), из условия:

что имеет место, когда М, (m-целое). Откуда для искомых моментов времени, с точностью до значения фазы ц, получим

В качестве примера, на рис. 3 показана временная зависимость интенсивности результирующего колебания (

A2(t)) для интерференции пяти продольных мод (М=5), откуда видно, что длительность импульсов составляет

и ограничена величиной, обратной ширине линии: фимп?ДнЛ-1=(М•ДнММ)-1, а период следования этих импульсов Тслед:

совпадает со временем полного "обхода" резонатора излучением. Интенсивность (поток мощности) оказывается пропорциональной М2Е02, т.е. возрастает квадратично с ростом числа продольных мод и ширины линии ДнЛ. Для хорошо известных лазеров приведём ширину линий усиления и для ДнММ=150МГц (Ln=1м) – примерное число продольных мод М:

Режим непрерывного генерирования лазерного излучения (непре-рывный режим) – режим работы лазера, при котором спектральная плотность мощности лазерного излучения на частоте генерирования не обращается в нуль при заданном интервале времени, значительно превышающем период колебаний. Лазеры, работающие в непрерывном режиме, часто называют непрерывными лазерами.

Режим импульсного генерирования лазерного излучения (импульс-ный режим) – режим работы лазера, при котором его энергия излучает-ся в виде импульсов. Лазеры, работающие в импульсном режиме, часто называются импульсными лазерами. Импульсы могут быть одиночны-ми (когда промежуток между импульсами произвольный), представ-лять собой серии регулярных импульсов с произвольным промежутком между сериями или регулярную последовательность импульсов в тече-ние всей работы.

Режим свободного генерирования лазерного излучения (свободный режим) – режим импульсного генерирования лазерного излучения, при котором добротность оптического резонатора не меняется в течение длительности импульсов лазерного генерирования.

Моноимпульсный режим – режим модуляции добротности резонато-ра лазера с импульсной оптической накачкой, при котором за время дей-ствия импульса накачки генерируется один импульс лазерного излучения. Режим модуляции добротности резонатора – режим импульсного

N Mн генерирования лазерного излу-
Mн чения, при котором накопление
Mг
энергии производится в лазерной
активной среде, а ее вывод осу-
ществляется путем быстрого из-
N Mг менения добротности резонатора
от минимальной до максималь-
N* ной. Поясним этот режим с помо-
щью рис. 1.3. По оси ординат здесь
a b c d e отложены величины инверсии в
t активной среде N,плотность из-
лучения накачки Мн и плотность
Рис. 1.3. К определению режима мощности генерации Мг,по оси
модуляции добротности резонатора абсцисс – время. Излучение на-

качки представлено в виде импульса длительностью ad. Величина N* означает пороговую величину инверсии, т.е. величину инверсии, при которой начинается генерация. Пунктиром показаны величины N и М

в режиме свободной генерации. Как видно из рисунка, начиная с мо- г мента а инверсия увеличивается, сначала быстро, а затем ее рост замед-ляется из-за спонтанных процессов в среде. Резонатор лазера перекрыт, что соответствует его минимальной добротности (большим потерям энергии). При достижении почти максимальной инверсии (в момент с) резонатор открывается и развивается мощный импульс излучения (дли-тельностью се). Развитие генерации приводит к резкому уменьшению инверсии. Получающиеся импульсы генерации характеризуются мощ-ностью порядка сотен и тысяч мегаватт и длительностью от единиц до десятков наносекунд. В литературе еще встречается название этого ре-жима как режим гигантских импульсов.

Технически модуляция добротности резонатора осуществляется следующими основными способами:

1. В резонатор лазера помещают электрооптический элемент (на-пример, элемент Керра или Поккельса). При подаче напряжения на элемент он не пропускает излучение, в момент с напряжение быстро снимается и происходит излучение импульса (рис. 1.4, а).

2. Вместо одного зеркала резонатора используют вращающую-ся прямоугольную призму (рис. 1.4, б). Добротность резонатора здесь максимальна в момент, когда гипотенузная грань призмы параллельна второму зеркалу резонатора.

3. В резонатор лазера помещают ячейку с просветляющимся рас-твором. Просветление раствора происходит «автоматически» под дей-ствием спонтанного излучения активного элемента (рис. 1.4, в).

Режим синхронизации мод –режим работы лазера,при которомсоздаются определенные фазовые соотношения между модами резо-натора. В зависимости от этих соотношений режим характеризуется различными параметрами излучения. В одном из режимов излучение происходит в виде импульсов с частотой, примерно равной c/2L (где с –скорость света; L –длина резонатора),причем мощность в импульседостигает 1012 – 1013 Вт при длительности 10-12 – 10-13 с.

Читайте также:  Огромный гриб белого цвета

Многомодовый режим генерирования лазерного излучения(мно-гомодовый режим) – режим работы лазера, при котором лазерное из-лучение содержит как продольные, так и поперечные моды, причем по-перечных мод больше, чем одна.

Режим свободных колебаний

.Если в процессе работы лазера параметры резонатора (потери и связанная с ними добротность) остаются неизменными, лазер работает в так называемом "режиме свободных колебаний". Очевидно, что в этом случае при стационарной накачке лазер будет работать в непрерывном режиме, при импульсной накачке – в импульсном. В непрерывном режиме Лазер генерирует при пороговой инверсии населенности. Выходное излучение имеет вид неупорядоченных пичков длительностью порядка единиц микросекунд. Часто интенсивность излучения между пичками также имеет ненулевую величину. Достоинством непрерывного режима является то, что в этом режиме наиболее полно реализуются такие свойства лазеров, как монохроматичность, когерентность, направленность и низкий уровень шумов излучения.
Непрерывные лазеры имеют широчайший диапазон применения. Можно выделить датчики контроля технологических процессов, связь, лазерную технологию, в частности резку и сварку с большими глубинами проплавления. В импульсном режиме накачка носит импульсный характер (длительность импульса накачки может варьироваться от десятков микросекунд до сотен миллисекунд), лазер генерирует вблизи порога, а генерация представляет собой гребенку достаточно нерегулярных по амплитуде и частоте следования пиков, появляющихся в результате конкуренции роста инверсии за счет накачки и уменьшения ее за счет высвечивания фотонов. Характерная длительность пика в гребенке – единицы микросекунд, интервал между пичками – десятки микросекунд, количество пичков в гребенке – 10 – 1000). Этот режим в основном применяется в технологии толстолистовых материалов, сварке, резке с большими глубинами проплавления. Отдельно следует выделить режимы генерации повторяющихся импульсов:

  • Импульсно-периодический (ИП), подразумевающий генерацию импульсов в режимах свободной генерации либо модуляции добротности с частотами повторения 5 – 100000-Hz
  • Квазинепрерывный режим. В этом режиме частота повторения достигает десятков GHz. Характерным отличием от ИП режима является то, что средняя мощность квазинепрерывной генерации сопоставима с пиковой мощностью составляющих импульсов. Он используется в локации, связи, различных технологических процессах.

Режим модулированной добротности
Для ряда применений важно сократить длительность импульса, т.к. при заданной энергии импульса пиковая мощность Лазера возрастает с уменьшением его длительности. С этой целью разработан метод модулированной добротности (модулируется добротность резонатора), состоящий в следующем: предварительно производят оптическую накачку, искусственно препятствуя возникновению генерации. Это осуществляют, например, помещая внутри резонатора оптический затвор. При закрытом затворе генерация невозможна, и энергия накапливается в резонаторе в виде нарастающего количества возбуждённых атомов. Если затем быстро открыть затвор, то вся запасённая энергия возбуждения, или большая её часть высвечивается в виде короткого светового импульса. Длительность такого лазерного импульса определяется или скоростью открывания затвора или, если эта скорость достаточно велика, временем установления электромагнитного поля в резонаторе.

Режим модулированной добротности осуществляется следующим образом: по достижении максимальной инверсии добротность резонатора быстро увеличивается, потери уменьшаются и начинает развиваться генерация, проходя сперва линейный этап развития из спонтанного излучения, а затем быстрый нелинейный этап, за время которого запасенная в рабочем веществе энергия выплескивается в виде короткого (на практике до 3-10 нс) и мощного импульса. Типичные значения достигаемых мощностей соответствуют 107 – 108 Вт, рекордные – 1013-1015 Вт. Например, для рубинового лазера, дающего в режиме свободных колебаний Р = 103 Вт, в режиме модулированной добротности P = 108 Вт, то есть возрастает на 5 порядков.
В этом режиме применяются различные типы оптических затворов: механически вращающиеся зеркала и призмы, ячейки Керра и Поккельса , управляемые электрическим сигналом, и т.п. С помощью оптических затворов обычно получают импульсы длительностью от 10-7 до10-8 сек. Полная энергия импульса в режиме модулированной добротности оказывается меньшей, нежели в режиме свободной генерации. Тем не менее, выигрыш в мощности за счёт уменьшения длительности импульса достигает нескольких порядков.
Режим модуляции добротности нашёл множество применений: локация, лидары, научный эксперимент, лазерная технология тонколистовых материалов.

Метод синхронизации продольных мод
Еще более короткие световые импульсы удается получить, используя метод синхронизации продольных мод. Как уже отмечалось, расстояние между продольными модами меньше ширины линии рабочего перехода в лазере, и возможна генерация лазера на нескольких продольных модах.
В газах ширина линии составляет около 109 Гц, в твердотельных лазерах 1011-1012 Гц, в лазерах на красителях 1013-1014 Гц.
В обычных условиях излучение разных мод не связано (не синхронизировано) друг с другом и отдельные моды выступают как независимые генераторы. С помощью введения в резонатор нелинейного элемента, каким является просветляющийся фильтр, можно синхронизировать моды лазера.
Практически сфазировать все моды лазера довольно трудно. Чаще всего удаётся сфазировать лишь часть из них. При этом картина формирования сверхкоротких импульсов усложняется. Реальный процесс формирования сверхкоротких импульсов с помощью просветляющегося фильтра протекает примерно следующим образом: на начальной стадии развития генерации излучение представляет собой случайный процесс. Если просветляющая интенсивность соответствует горизонтальной прямой, то фильтр будет выключаться теми пучками, интенсивность которых больше просветляющей. После прохождения каждого из таких пучков фильтр снова начинает поглощать. Естественно, что генерация может развиваться таким образом лишь в случае достаточно малой инерционности фильтра. Иначе после каждого сильного пика фильтр пропустит ещё несколько последующих более слабых пиков.
Просветляющийся фильтр можно подобрать так, что он будет выключаться только самыми сильными всплесками интенсивности. Это позволяет, используя некоторые дополнительные устройства, выделять отдельные сверхкороткие импульсы генерации.
Если жестко связать фазы отдельных мод, то есть заставить их генерировать синхронно, излучение лазера приобретает вид последовательности коротких импульсов, следующих друг за другом с периодом T = 2L/c. Мощность в импульсе при этом резко возрастает (в М раз) по сравнению c несинхронизированным режимом.

Читайте также:  Паяльная станция kada 858d

В режиме синхронизации от лазеров удается получить сверхкороткие световые импульсы (10-12-10-13 с) высокой мощности. С помощью специальных методов длительность импульсов удается довести до 10-14-10-15 с.
Лазеры, работающие в этом режиме, в основном используются в научных экспериментах, часто – в качестве задающих генераторов мощных лазерных систем.

Вынужденное излучение
Возбуждённый атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней энергии, излучив при этом квант света. Световые волны, излучаемые нагретыми телами, формируются именно в результате таких спонтанных переходов атомов и молекул. Спонтанное излучение различных атомов некогерентно. Однако, помимо спонтанного испускания, существуют излучательные акты др. рода. При распространении в среде световой волны с частотой, соответствующей разности каких-либо двух энергетических уровней атомов или молекул среды к спонтанному испусканию частиц добавляются др. радиационные процессы.
Так, в лазере генерация достигается за счет индуцированного излучения на некотором переходе между уровнями квантовой системы.

Среда с инверсией населённости

В некоторых специальных случаях оказывается возможным создать такие условия, что выполняется условие n2 > n1. При этом вынужденные переходы вниз преобладают и поставляют в световую волну больше энергии, чем теряется в результате переходов вверх. Световая волна в этом случае не ослабляется, а усиливается.
Среда, для которой n2 > n1, называется средой с инвертированной населенностью, и условие инверсии n2 > n1 является необходимым условием для усиления волны средой и работы лазера.
При термодинамическом равновесии инверсия существовать не может, так как на верхнем уровне частиц меньше, чем на нижнем. Поэтому для получения инверсии среду нужно увести от состояния равновесия. Для создания активной Среды необходимо избирательное возбуждение атомов, обеспечивающее преимущественное заселение одного или нескольких уровней энергии. Инверсия населенностей в лазерах достигается в результате совместного действия процессов заселения (накачки) соответствующих уровней и их дезактивации (очистки).

Заселение уровней в лазерах может осуществляться:

  • за счет поглощения света (оптическая накачка). Одним из наиболее простых и эффективных методов является метод оптической накачки, который был использован в первом Л. на рубине. Подбирая источник света с соответствующим спектром, можно обеспечить высокую селективность накачки. Наиболее успешно этот вид накачки используется в твердотельных (на кристаллах и стеклах) лазерах и в лазерах на красителях.
  • в неупругих столкновениях атомов и молекул со свободными электронами, при которых часть энергии электрона идет на возбуждение атома или молекулы. Свободные электроны могут создаваться или в газовом разряде, или вводиться в газ в виде пучка, сформированного в ускорителе.
    · за счет неупругих столкновений атомов рабочего вещества с возбужденными атомами или ионами вспомогательного газа с передачей энергии возбуждения от них рабочему веществу. В некоторых типах столкновений передача энергии носит резонансный характер и достигается высокая степень селективности заселения уровней.
  • в процессе специально подобранных химических реакций (химическая накачка); при этом возбуждаются колебательные уровни молекул, причем возбуждение может быть селективным.
  • за счет нагрева (тепловая накачка). Этот метод используется для накачки колебательных уровней в молекулах, инверсия на переходах между которыми осуществляется за счет различных времен релаксации для верхнего и нижнего лазерных уровней при быстром адиабатическом расширении газа. На этом принципе основана работа газодинамических лазеров.

Очистка возбужденных состояний осуществляется: спонтанным излучением; в столкновениях с электронами или атомами примесного газа, при которых энергия возбуждения передается от рабочего вещества электронам или атомам примеси; при адиабатическом расширении газа; в специально подобранных химических реакциях.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector