|
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.
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.
|