Потери энергии в лазерных резонаторах

Потери энергии в лазерных резонаторах [c.30]

Проблема потерь энергии в лазерных резонаторах весьма обширна и трудна. В первую очередь, это касается так называемых дифракционных потерь, которые будут обсуждаться в гл. 2. Здесь мы коснемся проблемы потерь лишь в рамках гауссовой оптики. [c.30]

В отличие от резонаторов, применяемых в устройствах СВЧ-диапазона, лазерные резонаторы характеризуются следующими двумя главными особенностями I) они, как правило, являются открытыми, т. е. не имеют боковой поверхности, и 2) их размеры намного превышают длину волны лазерной генерации. Поскольку длина волны лазера простирается от долей микрометра до нескольких десятков микрометров, лазерный резонатор с размерами, сравнимыми с этими длинами волн, имел бы слишком низкий коэффициент усиления, чтобы могла возникнуть лазерная генерация. Упомянутые выше две особенности оптического резонатора оказывают значительное влияние на его характеристики. Например, то, что резонатор является открытым, приводит к неизбежным потерям для любой моды резонатора. Эти потери обусловлены дифракцией электромагнитного поля, вследствие чего часть энергии покидает резонатор. Поэтому такие потери называются дифракционными. Таким образом, строго говоря, определение моды в смысле (4.1) нельзя применить к открытому оптическому резонатору, и в таком резонаторе не существует истинных мод (т. е. стационарных конфигураций). Однако в дальнейшем мы увидим, что в открытых резонаторах в действительности существуют конфигурации типа стоячих электромагнитных волн, имеющие очень небольшие потери. Поэтому мы будем определять моду (иногда [c.160]

Хотя во многих лазерах с пассивной синхронизацией мод применяются быстрые насыщающиеся поглотители, в некоторых условиях синхронизацию мод могут обеспечить также медленные насыщающиеся поглотители. Это возможно, когда энергия насыщения усиливающей среды сравнима с энергией насыщения поглотителя, хотя и несколько превышает ее. К синхронизации мод в этом случае приводят весьма тонкие физические явления [28], которые мы опишем с помощью рис. 5.45. Для простоты предположим, что как насыщающийся поглотитель, так и активная среда помещены вместе в одну и ту же кювету на одном из концов лазерного резонатора. Будем считать, что до появления импульса потери преобладают над усилением, поэтому участок переднего фронта импульса испытывает ослабление. С некоторого момента времени в течение переднего фронта импульса, когда накопленная плотность энергии импульса станет сравни- [c.318]

Значительно большую роль играют термооптические искажения в составе генератора помещение такой детали в оптический резонатор радикально изменяет всю структуру его собственных типов колебаний и оказывает существенное влияние не только на состояние поляризации и расходимость, но и (через изменение потерь в резонаторе) на энергию и мощность лазерного излучения. [c.64]

Данная глава посвящена вопросам измерения параметров, характеризующих некоторые менее очевидные свойства лазерных резонаторов и активных сред, применяемых в квантовой электронике, от которых зависят рабочие характеристики лазеров. Здесь излагается ряд способов измерения усиления за один проход. В одном из параграфов главы даются дополнительные сведения о тех методах измерения усиления, о которых говорится в гл. 7, 3 и 4. Рассматриваются методы согласования мод, а в параграфе, посвященном измерениям времени жизни, указываются некоторые способы определения подобных характеристик в газах, жидкостях и твердых телах. Излагаются также методы измерения энергии электронов и плотности энергии в плазме газовых лазеров. Рассматриваются способы измерения прозрачности зеркал в предельном случае большой отражательной способности, а также экспериментальные методы определения значений коэффициента отражения, при которых выходная мощность лазера максимальна. Дается также способ определения степени инверсной заселенности в лазерах с модулированной добротностью. В заключительной части рассматриваются потери в резонаторах и методы их определения. Глава начинается с обзора соответствующих параметров лазера. [c.225]

Лазер обычно представляет собой резонатор, заполненный средой с отрицательным электромагнитным поглощением. Резонатор необходим для того, чтобы снизить радиационные потери в среде с малым усилением за счет циркуляции электромагнитной энергии (в узкой полосе частот), которая дает возможность восполнить потери энергии, обусловленные вынужденным излучением. Для получения же электромагнитной энергии, обладающей свойствами лазерного излучения (спектральным сужением, высокой степенью временной и пространственной когерентности, высокой степенью коллимации), резонатор не требуется. Излучение с такими свойствами (в инфракрасной, [c.225]

Число осевых мод, возбуждающихся в оптическом резонаторе без стенок при заданной степени инверсии, зависит от потерь в резонаторе. Максимальная выходная мощность определяется величиной энергии, отбираемой из резонатора, при условии поддержания стабильных колебаний. В оптическом резонаторе необходимо учитывать два вида потерь дифракционные, возникающие из-за конечного числа зон Френеля, образующихся относительно какого-либо центра симметрии, а также потери на зеркалах. Потери первого вида определяются законами физической оптики и зависят от геометрических размеров разрядной трубки (или лазерного стержня) и конфигурации зеркал. Потери второго вида сложнее. Кроме потерь на пропускание к ним относятся потери, связанные с поглощением и рассеянием на диэлектрических покрытиях, а также с оптическим качеством подложек для зеркал, причем качество подложки и покрытия оценивается с точки зрения как гладкости поверхностей, так и отклонения их от идеальной геометрии. [c.300]

Генерация лазерного излучения начинается лишь тогда, когда передаваемая в резонаторе за цикл энергия от активной среды в световой поток начинает превосходить суммарные потери светового потока в резонаторе, включая энергию, уносимую лазерным излучением. Количественно начало генерации лазерного излучения характеризуется условием порога генерации. [c.312]

Существенное значение для энергетики лазеров имеют потери в резонаторе, в лазерном тракте. Не останавливаясь подробно на этих вопросах (некоторые из них будут затронуты в последующих главах), мы более детально ознакомимся с такими существенными для энергетики лазеров потерями энергии возбуждения, как суперлюминесценция и паразитные типы колебаний. [c.58]

Представление электромагнитного поля с помощью показанных на фиг. 4 полостных мод сохраняет смысл после перехода к реальному лазерному резонатору лишь при условии, что возникающие при таком переходе механизмы потерь вызывают не слишком сильное затухание мод. Для параксиальных мод [ кг кх, ку ) потери, обусловленные выходом энергни через лобовые стенки, можно характеризовать с помощью временной константы, заданной уравнением (В1. 11-7). Чем меньше т, тем больше убыль электромагнитной энергии в единицу времени. Достаточно слабое в вышеуказанном смысле затухание имеет место лишь когда т > [c.23]

Мы назвали два источника потерь отличие коэффициента отражения на лобовых поверхностях от единицы и конечные размеры этих поверхностей. При заполнении полости лазерного резонатора какой-либо материальной средой возникают дополнительные потери, связанные с поглощением. Все механизмы потерь вместе взятые служат причиной убывания энергии излучения в резонаторе пусть относительное уменьшение средней энергии излучения в единицу времени. характеризуется [c.25]

Таким образом, повышение мощности лазерного импульса достигается сокращением его длительности за счет специального приема включения в работу оптического резонатора. Описанный метод сокращения длительности импульса до 10" с (правда, при некоторой потере его энергии ) дает возможность получить импульсы с мощностью 10 Вт. [c.790]

Принцип работы лазера в режиме модуляции добротности состоит в следующем. Допустим, что внутрь оптического резонатора помещен затвор. Если затвор закрыт, то генерация не возникает и, следовательно, инверсия населенности может достигнуть очень высокого значения. При достаточной мощности накачки на метастабиль-ном уровне можно накопить почти все частицы активного вещества. Однако условие генерации выполняться не будет, так как потери резонатора слишком велики. Если быстро открыть затвор, то усиление в лазере будет существенно превышать потери и накопленная энергия выделится в виде короткого интенсивного импульса света. Поскольку в данном случае добротность резонатора изменяется от низких до высоких значений, то такой режим называется режимом модуляции добротности резонатора. При быстром открывании затвора (за время, которое короче времени развития лазерного импульса) выходное излучение состоит из одного гигантского импульса. При медленном же открывании затвора может генерироваться много импульсов. [c.283]

Метод модуляции добротности [22] позволяет получать лазерную генерацию в виде коротких импульсов (длительностью от нескольких наносекунд до нескольких десятков наносекунд) с высокой пиковой мощностью (от нескольких мегаватт до нескольких десятков мегаватт). Основная идея метода состоит в следующем. Предположим, что в резонатор лазера помещен затвор. Если затвор закрыт, то генерация возникнуть не может и инверсия населенностей может достичь значения, которое намного превышает пороговое, имеющее место в отсутствие затвора. Если теперь резко открыть затвор, то усиление в лазере существенно превысит потери и накопленная энергия выделится в виде короткого и интенсивного светового импульса. Поскольку при этом происходит переключение добротности резонатора от низкого к высокому значению, то данный метод называется модуляцией добротности. [c.284]

Несмотря на то что излучение лазера характеризуется высокой направленностью, передача его энергии на большие расстояния требует уменьшения расходимости лазерного пучка. Согласно формуле (464) для уменьшения угла расходимости необходимо увеличивать конфокальный параметр. Выполнение последнего требования путем использования в резонаторе зеркал малой кривизны нерационально, так как в этом случае возрастают дифракционные потери и лазер становится более чувствительным к разъюстировке. [c.324]

Модуляция добротности может применяться в большинстве мощных лазеров, у которых время жизни лазерного уровня сравнимо с длительностью периода накачки, поскольку в таких системах энергия запасается за счет создания инверсии населенностей. Это достигается за счет того, что вначале потери резонатора делаются очень большими. Это предотвращает возникновение лазерной генерации и позволяет перевести значительную долю энергии накачки в энергию инверсии населенностей. Затем в подходящий момент (в идеале — когда инверсия населенностей достигает насыщения) потери резонатора резко снижаются (т. е. резко увеличивается добротность резонатора [c.185]

В этом плане важнейшими источниками потерь в лазерных резонаторах являются неполное отражение излучения от зеркал, погло-гцение в активной среде лазера и других диэлектриках, являюгцихся составными частями резонатора, паразитное отражение от торцов диэлектриков и др. В частности, для процессов, происходяш их в генераторе, энергию, выводимую из лазера, также следует рассматривать как потери, хотя термин потери в этом случае не вполне адекватен сути дела. [c.30]

Если зеркала поглош ают излучение или первое и второе зеркала пропускают его наружу, то энергия, запасенная в резонаторе, со временем уменьшается, т. е. колебания в резонаторе затухают. В этом случае модули R и R2 меньше единицы и корни уравнения (3.4) комплексны. Исследование уравнения (3.4) в общем случае достаточно сложно. Одпако с практической точки зрения наиболее интересен случай, когда потери малы, т. е. модули R и R2 близки к единице. Поэтому вначале исследуем свойства сложного резонатора при Ri = R2 = = — 1. Такой коэффициент отражения соответствует наиболее простому граничному условию на зеркале — обращению в нуль электрического поля па пем. Как уже отмечалось, конкретный вид граничного условия в лазерном резонаторе не очень существенен, поскольку его вариация может лишь немного изменить набег фазы волны на зеркале (О -i- 2тг), в то время как полный набег фазы в резонаторе составляет (10 10 )2тг. Приведеппое выше условие соответствует дополнительному набегу фазы на зеркале, равному тт. [c.170]

Вероятность вынужденного испускания в моде пропорциональна интенсивиости излучения в ней, поэтому энергия, подводимая к активному веществу для создания инверсной населенности, предпочтительно перекачивается в генерируемые моды. С этой точки арения лазерный генератор интересно сравнить с каким-либо устройством, в котором спонтанное излучение, скажем, от источника линейчатого спектра фильтруется с помощью пассивного резонатора. В последнем случае резонатор может отфильтровать узкую полосу частот (шириной Лгрез), однако остальная часть энергии поля излучения отбрасывается и, следовательно, теряется. В случае же лазера, где внутри резонатора находится активное вещество, процесс вынужденного испускания приводит к предпочтительному вводу энергии в моды резонатора с малыми потерями. Кроме того, как мы еще увидим, спектральная ширина излучения лазера (теоретически) на много порядков меньше по срав- [c.28]

В отличие от активных модуляторов добротности, у которых момент выключения потерь определяется в)1еш-ними факторами, включение добротности пассивными модуляторами полностью определяется плотностью излучения внутри резонатора и их оптическими свойствами. В качестве пассивных модуляторов (или пассивных затворов) могут использоваться просветляющиеся фильтры, пленки, разрушающиеся под действием излучения, полупроводниковые зеркала с коэффициентом отражения, зависящим от интенсивности света, органические красители и т. д. Особое место среди пассивных затворов занимают затворы на основе просветляющихся фильтров. Исключительная простота таких затворов в сочетании с высокими параметрами получаемых с их помощью моноимпульсов излучения обеспечила им весьма широкое распространение. В основе работы этих затворов лежит способность просветляющихся фильтров обратимо изменять коэффициент поглощения под действием интенсивных световых потоков. Введение в резонатор пассивного затвора (рис. 35.10) приводит к увеличению порогового уровня накачки, в результате чего к моменту начала генерации па метастабилышм уровне накапливается значительное число активных частиц. При возникновении генерации лазерное излучение, проходящее через затвор, резко уменьшает его потери и запасенная энергия излучается в виде мощного импульса. Длительность этого импульса почти такая же, как и в режиме мгновенного включения добротности. Применение этих затворов значительно упрощает конструкцию генератора и позволяет получить параметры выходного импульса, близкие к предельным. [c.284]

Прежде чем продолжить рассмотрение неустойчивых резонаторов, необходимо указать здесь причины, почему эти резонаторы представляют интерес для лазерной техники. В первую очередь подчеркнем, что для устойчивого резонатора, соответствующего на плоскости gi, g2 точке, которая расположена не очень близко к границе неустойчивости, размер пятна в любом случае имеет тот же порядок величины, что и у конфокального резонатора (см. рис. 4.35). Отсюда следует, что при длине резонатора порядка метра и для длин волн видимого диапазона размер пятна будет порядка или меньше 1 мм. При таком небольшом сечении моды выходная мощность (или энергия) лазерного излучения, которую можно получить в одной поперечной моде, неизбежно оказывается ограниченной. Наоборот, в неустойчивых резонаторах поле не стремится сосредоточиться вблизи оси (см., например, рис. 4.6), и в режиме одной поперечной моды можно получить большой модовый объем. Однако при работе с неустойчивыми резонаторами возникает другая проблема, связанная с тем, что лучи стремятся покинуть резонатор. Поэтому соответствующие моды имеют значительно ббль-шие (геометрические) потери, чем моды устойчивого резонатора (в котором потери обусловлены только дифракцией). Тем не менее данное обстоятельство можно даже обратить в преимущества, если лучи, которые теряются на выходе из резонатора, включить в полезное выходное излучение лазера. [c.220]

Потери лазерных резонаторов определяют две важных, связанных между собой характеристики резонатора. Из-за потерь энергии собственные колебания в резонаторах затухают по экспопенциальному закону, эти потери, следовательно, определяют амплитудный параметр затухания, или декремент 6. Характерное время затухания т = = 1/6 есть время, за которое амплитуда уменьшается в е раз. (Декремент по могцности вдвое больше, а время затухания вдвое меньше, чем [c.30]

КИМ обратным сантиметрам. Передача энергии в молекулярных столкновениях приводит к тому, что система начинает генерировать преимущественно нд линиях с небольшим усилением эффект конкуренции линий). Иными словами, набор лазерных линий ведет себя как одна однородно уширенная линия усиления. Если в резонатор ввести избирательные потери на всех линиях, кроме какой-либо выбранной, то систему можно заставить генерировать на другой линии, не обязательно совпадающей с наиболее эффективной. Поскольку расстояние между спектральными линиями имеет величину порядка нескольких обратных сантиметров, приходится отказываться от использования эталона, так как его область свободной дисперсии по порядку величины совпадает с расстоянием между линиями. В этом случае более предпочтительно применять решетку Литтроу (рис. 7.40, а и 7.41). Ес-ли мы имеем дело с немонохроматическим пучком, то внутрь полости резонатора отражается лишь часть спектра, длина волны которой удовлетворяет соотношению (6.10.2) при а = 0. Остальные компоненты спектра распространяются вне направления оптической оси и поэтому теряются. Вращением решетки можно изменять длину волны излучения, отраженного в резонатор. Ширина полосы генерации твердотельных лазеров [51] может быть сужена, если одно из зеркал заме- [c.557]

Как п во всех генераторах, усиление в лазере перестраивается ва счет эффектов, нелинейных по иитенсивности излучения. Выше мы вывели соотношения, показывающие, что усиление представляет собой линейную функцию интенсивности в то.м смысле, чтО = a(v) v 2. Это — приближение слабого сигнала, а более общее описание включает в себя члены, нелинейные по интенсивности б/ = [а (V)/ — р ( )/ ] бг. Физический механизм, который приводит к появлению нелинейных членов в выражении для усиления, заключается в следующем. Активное вещество передает энергию в поле излучения и поддерживает его, восполняя потери в резонаторе. Вклад энергии возможен благодаря тому, чта переходы с верхнего лазерного уровня на нижний превалируют над переходами в обратном направлении. Этот дополнительный механизм потерь перехода уменьшает инверсную населенность, которая при его учете начинает зависеть от интенсивности поля излучения. Другими словами, усиление становится нелинейным по интенсивности, поскольку инверсная населенность есть функция напряженности поля. Приравнивая уровень насыщенного усилеиия потерям в резонаторе, можно определить интенсивность при насыщении (стационарное состояние генерации). [c.34]

В лазере начинает нарастать сразу же после того, как усиление активной среды превысит линейные потери. Поскольку скорость потерь обычно пропорциональна потоку фотонов, мощность потерь нарастает параллельно росту потока до тех пор, пока скорость потерь не станет в точности равной скорости поступления энергии в резонатор. Последняя величина сама по себе конечна и может быть выражена либо в терминах определенной скорости инвертирования населенности лазерного перехода, либо с помощью зависящего от потока параметра насыщения усиления. Мы используем первый подход, следуя работе Поллони и Свелто [138]. [c.142]

Работа акустооптического затвора в резонаторе лазера основана на дифракции лазерного луча на ультразвуковой волне, возбуждаемой в фотоупругой среде. Вследствие дифракции часть света, прош е дшего через затвор, отклоняется от первоначального положения и не принимает участия в генерации. Другими словами, в резонатор вносятся дополнительные потери. В случае, когда коэффициент суммарных потерь 1преобладает над коэффициентом усиления, генерация прекращается. В отсутствие генерации под действием непрерывной накачки происходит возрастание инверсной населенности. После быстрого переключения затвора в состояние с малыми Потерями начинается развитие генерации, и запасенная энергия излучается в виде гигантского импульса. [c.96]

Качественно эффект самоохлаждения можно понять следующим образом. При непрерывной накачке из состояния g в полосу поглощения (состояние 3) со скоростью П, мощность которой выше пороговой, в резонаторе лазера накапливается когерентное электрическое поле большой амплитуды. Оно вызывает быстрые индуцированные переходы между состояниями 1 и 2 со скоростью В. Инверсия населённостей этих состояний принимает такое значение, чтобы скомпенсировать все потери, которые связаны как с выходом излучения из резонатора, так и с оттоком части энергии поля на примесь иттербия. Поскольку длина волны генерации попадает в длинноволновое крыло линии поглощения иттербия, то величина Ь составляет небольшую долю от скорости В и потери на иттербии обусловлены главным образом скоростями спонтанной люминесценции иттербия а и а. Пусть О нагрев лазера преимущественно обусловлен безызлучательными переходами лазерных ионов из состояния 3 в состояние 2, сопровождающимися рождением фонона с энергией Ш32, и скоростью накачки П. Величина расщепления Ш32 в два-три раза меньше, чем величина расщепления основного состояния ионов иттербия 1г0.2 , на нижний подуровень которого происходит спонтанное излучение в анистоксовой области, приводящее к охлаждению. Понятно, что существует некое соотношение между значениями скоростей П,А,В и Ь,а,а, при котором процесс охлаждения будет компенсировать или даже превосходить процесс нагрева. [c.156]

В принципе световое и вообще электромагнитное поле содержит все возможные длины волн, направления распространения и на правления поляризации. Но главное назначение лазера как прибора состоит в генерации света с определенными характеристиками. Первый этап селекции, а именно по частоте, достигается выбором лазерного материала. Частота V испускаемого света определяется формулой Бора Ну = и нач — конечн и фиксируется выбором уровней энергии активной среды. Разумеется, линии оптических переходов не являются резкими, а по различным причинам уширены. Причиной уширения могут быть конечные времена жизни уровней вследствие излучательных переходов или столкновений, неоднородность кристаллических полей и т. д. Для дальнейшей селекции частот используются оптические резонаторы. В простейшем СВЧ-резонаторе, стенки которого имеют бесконечно высокую проводимость, могут существовать стоячие волны с дискретными частотами. Эти волны являются собственными модами резонатора. Когда ученые пытались распространить принцип мазера на оптическую область спектра, было не ясно, будут ли вообще моды у резонатора, образованного двумя зеркалами и не имеющего боковых стенок (рис. 3.1). Вследствие дифракции и потерь на пропускание в зеркалах в таком открытом резонаторе не может длительно существовать стационарное поле. Оказалось, однако, что представление о типах колебаний (модах) с успехом может быть применено и к открытому резонатору. Первое доказательство было дано с помощью компьютерных вычислений. Фокс и Ли рассмотрели систему двух плоских параллельных зеркал и задали начальное распределение поля на одном из зеркал. Затем они исследовали распространение излучения и его отражение. После первых шагов начальное световое поле рассеивалось и его амплитуда уменьшалась. Однако после, скажем, 50 двойных проходов мода поля приобретала некую окончательную форму и ее амплитуда понижалась в одно и тоже число раз при каждом отражении (с постоянным коэффициентом отражения. Стало ясно, как обобщить понятие моды на случай открытого резонатора. Это такая конфигурация поля, которая не изменяется [c.64]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...