Методы управления временными характеристиками импульсно-периодического Nd3+YAG лазера с накачкой диодными матрицами
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
/p>
(2.2.2)
где и - амплитуда и фаза (при t=0) i-ой моды;
Если не принимать специальных мер, то фазы отдельных мод будут случайными и полная мощность излучения будет равна сумме мощностей отдельных мод. Если фазы отдельных мод каким-либо образом синхронизованы, то моды интерферируют и происходит явление, называемое синхронизацией мод.
Для простоты будем считать, что генерируется (2N+1) аксиальных мод с равными амплитудами - и все фазы равны нулю. Тогда выражение (2.2.2) перепишется в виде:
(2.2.3)
что при суммировании дает:
(2.2.4)
(2.2.5)
Выражение (2.2.4) отображает гармоническую волну с частотой несущей и амплитудой A(t), промодулированной по закону (2.2.5). Выходная мощность лазера пропорциональна , т. е.
(2.2.6)
На рисунке 2.2.1 приведена временная зависимость выходной мощности, рассчитанная по соотношению (2.2.6), в случае генерации 2N+1=7 мод с синхронизованными фазами и одинаковыми амплитудами. Отметим следующие важные свойства функции (2.2.6), являющиеся следствием интерференции мод [4].
Рисунок 2.2.1 - Временная зависимость выходной мощности в случае генерации семи мод в режиме их синхронизации;
1.Энергия излучается в виде последовательности коротких световых импульсов. Максимумам соответствуют моменты времени, когда знаменатель в (2.2.6) обращается в нуль.
2.Ширина импульса, определенная на полувысоте, приблизительно равна временному интервалу между вершиной импульса и ближайшим минимумом
(2.2.7)
Число генерируемых мод (2N+1) можно оценить как отношение спектральной ширины линии усиления к межмодовому интервалу. Подставляя это отношение в (2.2.7), получаем выражение для длительности импульса
(2.2.8)
Из (2.2.8) следует, что для получения очень коротких световых импульсов необходима большая ширина генерируемого спектра, т. е. активные материалы с большой шириной линии усиления. В твердотельных лазерах линии уширены и с их помощью можно генерировать импульсы длительностью порядка 1пс и менее.
3.В режиме синхронизации мод пиковая мощность в импульсе в (2N+1) раз превышает сумму мощностей отдельных мод.
Синхронизации мод можно достигнуть путем модуляции усиления (или потерь) в лазере с частотой равной межмодовому интервалу. Ее можно осуществить с помощью как активного модулятора, управляемого внешним воздействием, так и соответствующей нелинейной оптической среды. Первый случай соответствует активной, второй - пассивной синхронизации мод.
Для реализации метода пассивной синхронизации мод важно, чтобы генерация начиналась сразу на большом числе мод с характерным для многомодового излучения флуктуационным распределением интенсивности излучения во времени. Практически это означает, что лазер УКИ с пассивной синхронизацией мод имеет два порога. Сперва, возникает генерация широкополосного многомодового излучения, а при дальнейшем увеличении накачки наступает момент, когда обеспечиваются условия возникновения генерации УКИ.
При прохождении многомодового лазерного излучения через активную среду и устройство с нелинейным пропусканием происходит изменение его временного профиля интенсивности. Слабые флуктуационные импульсы ослабляются нелинейным поглотителем сильнее, чем более интенсивные. В результате совместного действия активной (усиливающей) среды и нелинейного поглотителя при последовательных проходах излучения происходит сильная дискриминация флуктуационных импульсов по интенсивности. В конце концов, в резонаторе остается одиночный УКИ. Его форма будет изменяться за счет дисперсии и нелинейных эффектов при взаимодействии лазерного излучения с веществом внутри резонатора. Таким образом, можно условно выделить две стадии процесса: образование одиночного импульса из флуктуационных импульсов вследствие нелинейной дискриминации и приобретение им окончательной формы и минимальной длительности.
Механизм формирования УКИ в лазере с пассивной синхронизацией мод очень чувствителен к начальным условиям работы лазера. В принципе развитие генерации может пойти по другому сценарию. А именно, в сторону регенеративного сужения спектра и соответственно расширения флуктуационных импульсов до их полного сглаживания. Этому способствуют условия, когда одна или несколько мод имеют преимущественное усиление (меньшие потери) по сравнению с остальными. Отсюда вытекает хорошо известное специалистам по лазерам УКИ требование - тщательное устранение из резонатора любых элементов, способных дискриминировать продольные моды.
С этой целью грани оптических элементов устанавливаются под углом Брюстера, зеркальные покрытия наносятся на клиновидные подложки. В принципе, возможна дискриминация не одного, а нескольких выбросов (с равными начальными амплитудами). В этом случае на аксиальном периоде генерируется не один, а несколько УКИ. Экспериментатор должен обеспечить нужный режим путем соответствующего контроля начальных условий генерации и выбора оптимальной конструкции лазера.
Как правило, существует довольно узкий интервал накачки лазера, в котором наблюдается устойчивый режим генерации одиночных на аксиальном периоде УКИ с предельно короткой длительностью. Повышение уровня накачки с целью увеличения пиковой мощности УКИ зачастую приводит к появлению дополнительных импульсов на аксиальном периоде и к увеличению их длительности.
Основной частью лазера с пас?/p>