Наиболее эффективные методы модуляции добротности лазера

1. Одно из двух зеркал резонатора вращается вокруг оси. Потери в резонаторе будут очень высокими на протяжении всего цикла, за исключением короткого интервала времени, соответствующего параллельному расположению зеркал. Этот момент времени соответствует включению добротности.

2. Внутри резонатора имеется специальный элемент - оптический модулятор, оптические свойства которого можно изменять с помощью внешних воздействий. Наиболее часто для этих целей используют электрооптические модуляторы, работающие на основе электрооптических эффектов в кристаллах.

3. Внутри резонатора имеется насыщающийся поглотитель, т. е. вещество, показатель поглощения которого уменьшается (насыщается) с ростом интенсивности излучения. Наиболее часто здесь применяют просветляющиеся красители. Эффект просветления определяется переходом поглощающих молекул красителя в возбужденное состояние и связанным с этим уменьшением показателя поглощения.

Первый и второй методы модуляции добротности являются активными, а третий - пассивным. В последнем случае потери в резонаторе регулируются автоматически.

Расчет пороговой энергии накачки, выходной энергии и средней за время импульса мощности излучения твердотельного лазера на рубине, работающего в режиме модулированной добротности с пассивным затвором при использовании водяного охлаждения

Рассчитаем выходную и пороговую энергии твердотельного лазера, работающего в режиме модулированной добротности с пассивным затвором [5]. Лазер имеет следующие параметры: lЭ=9,5см; d Э=0.52см; l A=9.1см; L=25см; ZP=0.037;s21=2.8·10 см ; R31=0.3; t0=0.28; t=0.87; b=0.393; qСВ=0.559. Коэффициенты и постоянные, используемые при расчете, имеют следующие значения: m=4; g1=4; g2=2; uR1=4.32029·10 Гц; uR2=4.3296·10 Гц; mЭ=1.76; mКВ=1.5; mСР=1.35;

k=1.38·10 эрг·град ; kc=7.85; lВ=0.6943·10 см; Т=300К. Используется водяное охлаждение.

1 Определение потерь на излучение при закрытом затворе. Коэффициент отражения торца активного элемента определяется по следующей формуле:

R =() =() =0.076

Коэффициент отражения от передней грани переключателя добротности:

R =() =() =0.04

Коэффициент отражения выходного зеркала с учетом интерференционных явлений:

R` = = = 0,512

Коэффициент отражения:

R = = =0.203

Потери на излучение определяются следующим образом:

K = ln = ln = 0,08083 см

2 Потери на излучение при открытом затворе определяются следующим выражением:

K = ln = ln =0.0408 см

3 Расчет пассивных потерь в резонаторе.

Пассивные потери, обусловленные линзовым эффектом в активном элементе, определяются следующей формулой:

p = =0.0308 см

Потери, обусловленные поглощением в активном элементе:

=7.85 0.037 =0.01075 см .

Пассивные потери в резонаторе находятся по формуле:

0.0308+0.01075=0.0415 см

4 Полные потери в резонаторе при закрытом затворе определяются согласно следующей формуле:

K = +K =0.0415+0.08083=0.12234 см

5 Полные потери в резонаторе при закрытом затворе:

K = +K =0.0415+0.0408=0.08233 см

6 Определение отношения максимальной относительной инверсной населенности к минимальной. Отношение между полными потерями в резонаторе:

K =K /K = 1,486

По графику 1 находим ln z = 0.83, откуда

z = = 2.293

График 1

6 Определение предельного коэффициента усиления. Концентрация активатора:

n = 4.55 10 Z =4.55 10 0.037 = 1.684 10 см

Искомое значение равно:

= = 2.8 10 1.684 10 =0.47 см .

7 Максимальная относительная инверсная населенность определяется следующей формулой:

=0.12234/0.47=0.260.

8 Минимальная относительная инверсная населенность:

0.26/2.293=0.113.

9 Определение коэффициента H:

H= = =0.935

10 Определение максимальной относительной инверсной населенности уровней периферийной части активного элемента:

= =(K - 0.5A)/(A+2HK ).

Коэффициент K при жидкостном охлаждении ( =1.3 – 1.4) может быть определен следующим образом:

K =k -k d +k d +k d Z =

=0.655-0.201 0.52+0.023 0.52 +0.0685 0.52 0.037=0.56

A= = =0.678

Тогда

=(0.56-0.5 0.678)/(0.678+2 0.935 0.56)=0.275

11 Эффективная площадь генерирования активного элемента:

S = =

= =

=0.0763 см .

12 Энергетический коэффициент связи между выходной энергией импульса излучения и полной энергией, выделяемой в резонаторе, определяются следующим выражением:

B= =

= =2.64

13 Выходная энергия определяется следующим образом:

E =65.2Z S l /B=

=65.2 0.037 0.0763 9.1(0.260-0.113)/2.64=0.095 Дж.

14 Определение пороговой энергии накачки. Функция накачки активного элемента определяется следующим образом:

=exp =0.0335.

Тогда фактор связи:

Дж .

Полученные данные позволяют определить пороговую энергию:

E = ln 247,2 Дж.

15 Длительность импульса равна:

.

Здесь - коэффициент заполнения резонатора;

V = 1.7 10 см/c – скорость распространения света в рубине; L – длина резонатора.

K =1.76 9,5/(25-9,5+1.76 9,5)=0.519

Тогда

=1.283 10 с.

16 Средняя за импульс мощность излучения:

W=E / = 0.095/1.283 10 =7.4 10 Вт.