Динамика генерации лазера

ДИНАМИКА ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРА [c.136]

Тепловыделение в активной среде и в других элементах резонатора (кроме некоторых типов затворов) в результате поглощения части генерируемого излучения обычно мало. Однако, несмотря на свою малость, оно способно в некоторых случаях существенно повлиять на динамику работы лазера, так как вносит в резонатор дополнительную нелинейность (тепловыделение зависит от циркулирующей в резонаторе мощности, а вызванные им искажения резонатора, в свою очередь, влияют на эту мощность), которая и может привести к резкому изменению режима генерирования (появление бистабильных режимов, срыв генерации) [47]. [c.12]

Свободная генерация лазеров на неодимовом стекле. Под термином свободная генерация обычно понимают режим работы лазера в отсутствие каких-либо внешних целенаправленных воздействий на динамику его генерации. В этом случае временная структура генерируемого и.злучения типична для всех твердотельных лазеров — она состоит из последовательности, чаще всего хаотической, пичков достаточно короткой длительности. [c.198]

Реализуемые на практике режимы генерации лазеров являются, как правило, импульсными, их описание принципиально невозможно без рассмотрения динамики процессов. Однако и в случае непрерывной генерации вопросы динамики играют важную роль. Строго говоря, лазерная генерация практически всегда является нестационарной. Стационарная генерация есть по сути дела не более как идеализация, пригодная для описания отдельных реальных ситуаций лишь в некотором приближении. [c.266]

Динамика установления генерации в синхронно-накачиваемом лазере с насыщающимся поглотителем, пространственно разделенным от усиливающей среды, была исследована в численных экспериментах [261. Чтобы выделить действие насыщающего поглотителя в чистом виде начальное пропускание системы выбиралось равным начальному пропусканию синхронно-накачиваемого лазера, рассмотренному в предыдущем разделе. [c.254]

Закономерности генерации импульсных лазеров в свободном режиме аналогичны закономерностям начального этапа генерации непрерывных лазеров. Рассмотрение динамики проведем для прямоугольной формы импульса накачки длительностью Тн с злектрической мощностью, потребляемой лампой накачки Рн- [c.129]

Рубиновые лазеры обеспечивают излучение практически во всех временных режимах работы в режим ё свободной генерации, модулированной добротности и синхронизации мод [54, 39]. Каждый из указанных режимов работы реализуется направленным воздействием на динамику формирования импульса излучения в резонаторе лазера и имеет свои отличительные особенности. В режиме свободной генерации обеспечиваются наиболее высокие уровни энергии излучения при наибольших значениях- КПД, в режиме модулированной добротности — наиболее высокие уровни импульсной мощности излучения при несколько меньших значениях КПД, в режиме синхронизации мод — сверхвысокие уровни импульсной мощности излучения при сверхкоротких импульсах. [c.161]

В гл. 7 мы видели, что при фазовой и частотной синхронизации мод появляются новые эффекты. Возникают, например, сверхкороткие импульсы, которые, однако, являются пока очень регулярными. В этой главе речь пойдет о том, какие еще типы поведения были обнаружены или могут ожидаться в лазере. Один из самых удивительных результатов — хаотическое лазерное излучение . Поиски этого нового типа поведения были обусловлены определенными аналогиями в динамике лазерного излучения и гидродинамике. К сожалению, термин хаос (или хаотическое излучение ) может иметь двоякий смысл, и во избежание недоразумений мы должны отметить это прежде всего. В традиционной оптике хаотическим иногда называют излучение тепловых, т. е. термически возбужденных, атомов. В этом случае никакой генерации нет. Атомы накачиваются лишь очень слабо. После возбуждения каждый атом спонтанно начинает испускать волновой цуг. Поскольку акты спонтанного испускания совершенно не коррелированы, создается полностью случайное световое поле. Ни скоростные уравнения, ни введенные выше полуклассические уравнения не позволяют адекватно описать спонтанное испускание. Тут необходимо чисто квантовое описание, и мы вернемся к этому вопросу в следующей главе. А пока что на.м нужно только помнить об одно.м важном обстоятельстве. Случайность, или хаотичность, излучения здесь создается флуктуациями, обусловленными квантовой природой спонтанного испускания. [c.204]

Еще большие возможности для спектроскопии молекул имеет процесс генерации суммарной частоты. Используя перестраиваемый источник ИК диапазона, с помощью ГСЧ можно получать колебательные спектры адсорбированных на поверхности молекул, что позволяет их идентифицировать. Обладая достаточно высокой чувствительностью при использовании для возбуждения пикосекундных лазеров, метод ГСЧ может стать одним из наиболее мощных аналитических методов изучения динамики поверхности и реакций, происходящих на поверхности. Как и процесс ГВГ, процесс ГСЧ позволяет определять среднюю ориентацию оси адсорбированных молекул. [c.235]

В данной главе основное внимание будет уделено пас-сивным резонаторам. Отдельно будут рассмотрены вопросы влияния активной среды на спектр генерации (эффекты выгорания дыр и затягивания частот) и на пространственную структуру поля излучения (эффект тепловой линзы), а также волноводные резонаторы и тонкопленочные лазеры. Подчеркнем, что вопросы формирования поля в активных резонаторах органически связаны с динамикой процессов в генерирующих лазерах. Это — большой и принципиально важный круг вопросов. Он будет рассматриваться в третьей главе книги. [c.109]

По мере развития лазерной техники все большее значение приобретают исследования динамики процессов, определяющих физическую картину работы лазера в различных режимах. Это связано прежде всего с необходимостью создания лазеров с заданными значениями параметров излучения — энергии в импульсе, длительности импульса, средней и пиковой мощности, частоты следования импульсов и т. п. Большое практическое значение имеет задача создания лазеров с экстремальными характеристиками, в частности задача создания сверхмощных лазеров. Весьма важно обеспечение устойчивости и стабильности различных режимов генерации, хорошей воспроизводимости параметров излучения от импульса к импульсу. Исследования динамики процессов в лазерах являются основой для решения практически важной проблемы управления параметрами лазерного излучения. Заметим также, что эти исследования органически связаны с изучением реальной пространственно-временной структуры излучения, генерируемого лазерами, что крайне важно для интерпретации нелинейно-оптических явлений, включая явления, на основе которых работают параметрические генераторы света, генераторы оптических гармоник, комбинационные лазеры. [c.265]

В предыдущем параграфе обсуждалось влияние слабой модуляции добротности резонатора на динамику лазера. Теперь перейдем к рассмотрению глубокой модуляции добротности, обеспечивающей переход лазера в режим генерации гигантских импульсов (при импульсной накачке) или в режим генерации регулярной последовательности импульсов (при непрерывной накачке). Рассмотрим три вида активной модуляции добротности оптико-механическую [26, 60], электрооптическую [25—27], акустооптическую [25, 28, 59]. [c.325]

Динамика генерации одномодовых одночастотных лазеров. Для [c.74]

Более детальные исследоваиия динамики генерации рассматриваемого лазера, в том числе с помощью численного решения исходных нелинейных правне-НИИ (2.25), на ЭВМ показали, что рассмотренная линейная моделу лазера и полученные выше результаты справедливы для относительно небольших глубин модуляции потерь Д7р 0,01 [55, 56]. Причем уже на границе этой области [c.78]

Динамика генерации одномодовых многочастотных лазеров. Лазеры, гене рирующие на одной поперечной моде (обычно нулевой), чаще всего содержат а спектре не одну, а несколько частот резонатора i(продольные моды). Их колю-чество (при отсутствии в резонаторе специальных селекторов частоты) определяется шири/ной линии усиления, ха рактером уширения этой линии и условиями пространственного перекрытия продольных мод в активной среде. В лазе>-рах на гранате с неодимом с непрерывной накачкой количество продольных мод (частот), генерируемых лазерем в нулевой поперечной моде, обычно составляет [3—7]. [c.79]

Для анализа динамики генерации многочастотного лйзера могут быть использованы нормированные балансные уравнения (2.8), позволяющие выявить практически все основные закономерности энергетических параметров лазера. Применительно к лазерам на гранате с неодимом многочастотная одномодовая генерация была исследована в работах [41, 42, 55, 58]. Достаточно подробный анализ удается провести лишь для малых (линейных) колебаний двухчастотного лазера и получить выражения для АЧХ такого лазера и относительных пороговых мощностей на кач1ки для каждой из двух мод [58]. Общие закономерности поведения многочастотного лазера в некоторых случаях удается аналитически проследить для случая большого числа продольных мод. [c.79]

В целом динамика генерации многочастотных лазеров оказывается аналогичной динамике колебаний механической системы с несколькими степенями свободы. Число степеней свободы равно числу генерируемых частот (при одночастотном лазере одна степень свободы). В соответствии с этим на АЧХ ка к на каждой частоте, так и в их суммарном излучении в общем случае присутствует столько резонансов, сколько генерируется частот (продольных мод). Все резонансы разбиты на две группы в первой имеется лишь один (основной) резонанс, релаксационная частота которого равна релаксационной частоте одночас- [c.79]

Динамика генерации многомодового многочастотного лазера. /На практике нередко используют лазеры с несколькими (иногда и многими) поперечными модами в излучении. В этом случае спектр также содержит несколько или много частот (шродольных мод). Динамика генерации та ких лазеров может быть описана балансными уравнениями (2.7), (2.8). Коэффициенты пространственного пе-рекрытия мод, описываемые интегралом Г NWhdV, будут различными для раз- [c.84]

Бураков С. Д., Копытин Ю. Д. Динамика генерации узкополосного лазера под действием модулированного внешнего сигнала.— В кн. Материалы VII Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Тезисы докл. Часть 2. Томск, ИОА СО АН СССР, 1984, с. 360—363. [c.250]

До сих пор речь шла о динамике излучения лазера и внимание акцентировалось на интегральных характеристиках энергии, пиковой мощности, длительности импульса, но не затрагивались вопросы структуры и динамики спектра генерации. Однако спектральный состав излучения является одной из самых важных для многих приложений характеристикой. Остановимся на этом вопросе подробнее. [c.194]

Дальнейшее усложнение динамики генерации происходит для многомодовых лазеров, которые являются динамическими системами с числом степеней свободы, равным числу генерируемых аксиальных мод. При этом возникают не только резонансы на частотах отдельных мод, но и па параметрических частотах из-за их взаи.мо-действия. Это еще больше усложняет временную структуру излучения лазера и затрудняет получение стационарной генерации много- [c.200]

Третья глава начинается с обзора различных режимов генерации лазера, включая режимы активной и пассивной модуляции добротности резонатора, синхронизации продольных и поперечных мод, модуляции нагрузки. Вводятся, анализируются и широко используются балансные уравнения (уравнения Статца— Де Марса и их модификации). На основе этих уравнений излагаются различные вопросы динамики одномодовых лазеров переходные процессы, приводящие к затухающим пульсациям мощности излучения, появление незатухающих пульсаций мощности при наличии слабой модуляции потерь, генерация гигантских импульсов при мгновенном включении добротности. Сопоставляются электрооптический и акустоопти-ческнй способы активной модуляции добротности. Подробно анализируются процессы в лазерах с просветляющимися фильтрами. Синхронизация продольных мод обсуждается с использованием как спектрального, так и временного подходов. При рассмотрении самосинхронизации мод в лазере с просветляющимся фильтром применяется временное описание на основе флуктуационных представлений. Временной подход используется также для описания акустооптической синхронизации мод в лазере с однородно уширенной линией усиления. Отдельно обсуждаются методы исследования сверхкоротких световых импульсов. [c.5]

Рис. В.З. Временная эволюция импульсов в многомодовом лазере с нелинейным поглотителем (экспандером спектра) а — схема лазера б — эквивалентная блок-схема в — зависимость пропускания красителя от интенсивности г — динамика формирования импульса при последовательных проходах через насыщающийся поглотитель д — обогащение спектра генерации. Видно, как в результате последовательных проходов совместное действие усилителя и нелинейного поглотителя приводит к сжатию импульса — на спектральном языке этому соответствует вовлечение в генерацию многих сфазированных мод

Рис. 6.7. Динамика формирования сверхкороткого импульса в синхронно-накачи-ваемом лазере при последовательных проходах (число М) по резонатору 1—импульс накачки, 2 — усиление, 3 — уровень потерь, 4 — импульс генерации (амплитуда нормирована на максимальное значение) [19]

Несколько слов о комбинационных (римановских) световодных лазерах. Детальное теоретическое исследование динамики их генерации проведено в [38], многие практические схемы даны в [33]. Волоконные световоды обеспечивают эффективное преобразование излучения накачки в излучение на комбинационной частоте благодаря сочетанию высокой плотности мощности с большой длиной нелинейного взаимодействия. Широкие линии комбинационных резонансов в кварцевых стеклах (Av 250 см ) позволяют формировать импульсы с длительностью вплоть до 60 фс и осуществлять перестройку длины волны излучения в пределах сотен обратных сантиметров. [c.257]

В объеме настоящей книги дать достаточно подробное описание всех режимов генерации, элементов и конструкции, применения лазеров на гранате с неодимом не представляется возможным. Поэтому авторы выделили для подробного изложения ограниченное число вопросов, входящих в круг наиболее интересных и важных для практики. Сюда прежде всего относится материал по активной среде — кристаллам алюмоиттриевого граната с неодимом (гл. 1). Кроме традиционных вопросов по физико-механическим свойствам и спектрам люминесценции и поглощения кристалла в главе дан материал по динамике населенностей уровней накачки и генерации, рассмотрены термооптические искажения, оказывающие существенное влияние на характеристики излучения. Также подробно рассмотрены методы расчета энергетических и временных характеристик излучения лазеров в основных режимах генерации (гл. 2, 3). [c.3]

Динамика развития гигантских импульсов может быть проанали- зирована с помощью системы балансных уравнений (с.м. гл. 2). Рас смотрим сначала мгновенное включение добротности. Процесс генерации гигантского импульса можно разбить на три этапа, подобных этапам развития пичка свободной генерации. На первом происходит накопление инверсной населенности до момента т==Т1, когда включается добротность резонатора. На втором этапе линейного развития генерации инверсная населенность остается постоянной, а плотность энергии излучения резко нарастает. Длительность этого этапа, равного времени задержки 4. когда плотность энергии нарастает по закону ы = оехр[0(/г—1)т], определяется формулой (2.82). При типичных для лазеров на неодимовом стекле параметрах 0 10 и в 10 1 имеем 4 100—150 не. Третий этап развития генерации заключается в высвечивании гигантского импульса. На этоМ этапе можно уже не принимать во внимание спонтанное излучение.-Выражения для мощности, энергии и длительности импульса генерации, полученные из балансных уравнений, приведены в п. 2.4.4. [c.202]

Происходит селекция одной моды, а в каких может существовать несколько мод. Ниже будет показано, что при лазерной генерации частоты испускаемого излучения сдвинуты относительно центра атомной линии и относительно собственной частоты резонатора. При определенных предположениях, в частности о том, что отсутствуют какие-либо фазовые соотношения между отдельными модами, из полуклассических уравнений могут быть выведены и тем самым обоснованы скоростные уравнения. Теория, эквивалентная нашей, была развита независимо Лэмбом и опубликована им в 1964 г., причем Лэмб рассматривал газовый лазер. При наличии фазовой синхронизации мод возникает ряд новых важных явлений, таких, как генерация ультракоротких импульсов. Полу-классические уравнения все еще используются многими учеными как основа для исследования различных явлений, происходящих в лазерах, и ниже будет представлен ряд примеров. Таким образом, центральное место в этой книге, посвященной динамике лазерного излучения, будет занимать полуклассическая теория. [c.29]

Новые горизонты в теории лазера открылись в 1968 г., когда было замечено, что переход в каждом лазере от спонтанного излучения к генерации обнаруживает большое сходство с фазовыми переходами в системах, находящихся в тепловом равновесии. Лазер стал первым примером, в котором удалось установить детальную аналогию между фазовыми переходами в системе, далекой от теплового равновесия, и в равновесной системе [Грэхэм и Хакен (1968, 1970 гг.) Де Джорджо и Скалли (1970 г.) Казанцев и др. (1968 г.)]. Вскоре оказалось, что существует целый класс систем, в которых могут возникать макроскопические упорядоченные состояния вдали от теплового равновесия. Это дало толчок рождению новой области научных исследований, так называемой синергетике . Тем самым может быть установлена глубокая аналогия между совершенно различными системами в физике, химии, биологии и даже в гуманитарных науках. В развитии этого нового направления лазер сыграл пионерную роль. В рамках синергетики стало возможным сделать новые предсказания о поведении лазерного излучения. Например, на основе аналогии между динамикой жидкости и лазерным излучением удалось предсказать явление <ихаосау> в излучении лазера (Хакен, 1975 г.). Различные пути установления хаоса в лазерном излучении могут быть выявлены экспериментально. Мы вернемся к этим увлекательным вопросам в гл. 8. [c.31]

Одноатомный мазер. Эти мазеры удивительны, так как они работают в режиме генерации даже в том случае, когда среднее число атомов в резонаторе меньше единицы. Принципиальная схема экспе-эиментального устройства одноатомного мазера в Гархинге, показаная на рис. 1.13, достаточно проста разреженный пучок ридберговских атомов, приготовленных с помощью лазера, проходит через высокодобротный микроволновой резонатор. Когда частота поля находится в резонансе с атомным переходом, атом может вложить своё возбуждение в полевую моду. Следующий атом взаимодействует уже с этим модифицированным полем и может также передать своё возбуждение. Если время затухания поля в полости велико по сравнению с временем пролёта атомов и характерным временем внутренней динамики, поле в полости может возрастать. [c.33]

Быстрое развитие процесса генерации в направлении от оси к периферии приводит, в частности, к тому, что пространственное (в направлении, перпендикулярном к оси) развитие гигантского импульса в режиме модуляции добротности протекает в лазерах с неустойчивыми резонаторами быстрее, чем в лазерах с устойчивыми резонаторами. В результате длительность генерируемого лазером светового импульса заметно сокрашрется. Подчеркнем, что применение неустойчивого резонатора может существенно повлиять на динамику процесса в лазере [49]. [c.212]

Особенно много неясностей существовало в вопросе о природе режимов незатухающих пульсаций. Исследования пичковых реж 1М0В твердотельных лазеров и в особенности лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом подтвердили выдвинутое в [9] предположение, что незатухающие пульсации связаны главным образом с влиянием нестабильности резонатора на динамику лазера, т. е. в основном имеют техническое происхождение. Для лазера на гранате с неодимом были получены прямые доказательства связи незатухающих пульсаций с вибрациями зеркал резонатора и неравномерным (во времени) нагревом активного элемента [21]. Незатухающие пульсации могут быть связаны также с многомодовостью генерации [16]. [c.270]

Тем не менее метод балансных уравнений оказывается весьма полезным при рассмотрении динамики лазеров. Как показывает практика расчетов, такой упрощенный подход позволяет достаточно корректно рассмотреть ряд вопросов, связанных с изменением во времени параметров одномодового лазера и его излучения. В частности, метод балансных уравнений позволяет выявить основные черты динамики процессов в режиме свободной генерации и в режимах генерации гигантских импульсов, включая режимы работы лазера с просветляющимся фильтром. Балансные уравнения используются также при рассмотрении многомодовых лазеров 4, 71, 72]. [c.301]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...