Лазеры и их применение

М. Ф. Сэм (Ростовский государственный университет, Ростов-на-Дону)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 6, 1996 г. Содержание

---

Режимы работы лазеров

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. Достоинством непрерывного режима является то, что в этом режиме наиболее полно реализуются такие свойства лазеров, как монохроматичность, когерентность, направленность и низкий уровень шумов излучения. В импульсном режиме в активную среду может быть введена значительно более высокая мощность накачки и соответственно получены большие мощности генерации. Кроме того, в импульсном режиме за счет переходных процессов может быть получена инверсия и генерация на таких переходах, где в стационарном режиме инверсия достигнута быть не может. Отметим, что импульсный режим генерации может быть осуществлен и за счет управления параметрами резонатора [Карлов Н.В., 1988, Тарасов Л.В., 1981]. Ниже рассмотрены два примера, иллюстрирующие это.

Режим модулированной добротности (режим генерации гигантских импульсов)

Допустим, что накачка осуществляется при низкой добротности резонатора (высоких потерях), так что генерация возникнуть не может. Тогда может быть достигнута максимальная для данной скорости накачки F₂ разность населенностей и в единице объема вещества запасена энергия . Отметим, что при стационарном резонаторе с низкими потерями это значение достигнуто быть не может, поскольку по достижении порога и возникновении генерации инверсия больше не растет, так как накачка, превышающая пороговую, уходит в лазерное излучение. Если эту запасенную энергию высветить в импульсе длительностью , то получается удельная мощность поскольку есть максимальная (с единицы объема) мощность в непрерывном режиме. При можно получить существенный выигрыш в мощности. 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 при , в режиме модулированной добротности P = 10⁸ Вт, то есть возрастает на 5 порядков. Быстрое включение добротности (изменение потерь от высоких к низким) можно осуществить различными способами: механическим, вращая одно из зеркал, или электооптическим, помещая в резонатор ячейку Керра, работу которой как затвора можно обеспечить подачей на нее напряжения.

Метод синхронизации продольных мод

Еще более короткие световые импульсы удается получить, используя метод синхронизации продольных мод [Тарасов Л.В., 1981, Брюннер В., Юнге К., 1991]. 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. При Гц (L = 1 м) это дает число мод от 10 для газовых лазеров до 10⁵-10⁶ для лазеров на красителях. В обычных условиях излучение разных мод не связано (не синхронизировано) друг с другом и отдельные моды выступают как независимые генераторы. 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 и имеющих в пределе длительность . Мощность в импульсе при этом резко возрастает (в М раз) по сравнению c несинхронизированным режимом. Жесткого закрепления фазовых соотношений между модами можно добиться, осуществляя модуляцию потерь в резонаторе с частотой . При этом генерируемое излучение (скажем, на центральной моде с частотой ) модулируется по амплитуде с частотой , а значит, в его спектре возникают дополнительные составляющие, отстоящие от несущей на частоты, кратные частоте модуляции, то есть совпадающие по частоте с частотами соседних мод и играющие для них роль вынуждающей силы, в результате чего достигается синхронизация. 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 [Брюннер В., Юнге К., 1991].

Назад | Вперед

Публикации с ключевыми словами: лазер - квантовый усилитель - квантовый генератор - когерентность - инверсная населенность - мазер - спонтанное излучение - вынужденное излучение - накачка - оптический резонатор - мода колебаний Публикации со словами: лазер - квантовый усилитель - квантовый генератор - когерентность - инверсная населенность - мазер - спонтанное излучение - вынужденное излучение - накачка - оптический резонатор - мода колебаний

См. также: Лучи лазеров помогают успокоить атмосферу Лазер бьет в центр Галактики Атака лазерной опорной звезды Туманность с лазерными лучами Четыре лазера над Мауна Кеа Папа усмиряет Омикрон Кита Лазерный выстрел в центр Галактики Все публикации на ту же тему >>