Литература: 7 Ключевые слова: азер активная среда, резонатор, модуляция

Основная часть лекции

Модуляция усиления, как и модуляция добротности, является методом, позволяющим генерировать лазерные импульсы короткой длительности (обычно от нескольких десятков до нескольких сотен наносекунд) и высокой пиковой мощности. Однако в отличие от модуляции добротности, при которой потери резко переключаются до низкого уровня, при модуляции усиления резко переключается усиление до высокого уровня. Модуляция усиления осуществляется с помощью столь короткого импульса накачки, что инверсия населенностей, а следовательно, и усиление начинают заметно превышать пороговые значения раньше, чем число фотонов в резонаторе возрастет до достаточно высокого уровня, чтобы уменьшить инверсию.

Происходящие при этом физические явления можно относительно просто описать, обращаясь к случаю пичковой генерации, представленной на рис 1. Если предположить, что скорость накачки Rp = Rp(t) имеет форму прямоугольного импульса, начинающегося при t = 0 и заканчивающегося при t = 5 мке, то излучение будет состоять лишь из первого пичка в изображенной на рисунке зависимости φ(t), который возникает в момент времени около t = 5 мкс. Действительно, после этого пичка инверсия будет уменьшена световым импульсом до уровня, который существенно ниже порогового и который не будет затем возрастать, поскольку накачка к тому моменту будет отсутствовать. Таким образом, можно видеть, что модуляция усиления по своему характеру аналогична пичковой генерации в лазере. Основное отличие здесь состоит в том, что при модуляции усиления для получения импульса высокой пиковой мощности и короткой длительности максимальное значение скорости накачки Rp должно быть намного больше, чем значение, используемое при непрерывной накачке, рассмотренное на рис. 1. В зависимости от максимального значения скорости накачки пиковое значение инверсии может превышать пороговое значение в 4-10 раз, в отличие от случая, рассмотренного на рис. 1 (приблизительно в 1,48 раз). Соответственно время нарастания лазерного импульса до его максимального значения может быть в 5-20 раз больше времени жизни фотона в резонаторе тс. Следовательно, длительность импульса накачки должна быть приблизительно равна этому времени нарастания и, таким образом, должна быть очень краткой.

Пример зависимости полной инверсии VaN(t) и числа фотонов ф(t) от времени в трехуровневом лазере

На практике временная зависимость накачки имеет вид колоколообраз- ного импульса, а не прямоугольного. В этом случае будем считать, что максимум светового пичка соответствует спаду импульса накачки. Действительно, если бы максимум совпадал, например, с максимумом импульса накачки, то после генерации пичка оставалось бы достаточно энергии накачки, чтобы инверсия могла снова вырасти до значения выше порогового и, таким образом, в лазерной генерации появился бы второй пичок, хотя и меньшей интенсивности. Напротив, если бы число фотонов достигало максимума значительно позже, на хвосте импульса накачки, то это означало бы, что накачка не была достаточно продолжительной, чтобы инверсия населенностей выросла до приемлемо высокого уровня. Из вышесказанного следует, что для заданной длительности импульса накачки существует некоторое оптимальное значение максимальной скорости накачки. При уменьшении длительности импульса накачки оптимальное значение максимальной скорости накачки увеличивается и, следовательно, генерируется более интенсивный и более короткий лазерный импульс.
Следует отметить, что, в принципе, при таких значительных скоростях накачки и интенсивностях возбуждающих импульсов любой лазер может работать в режиме модуляции усиления, даже если время спонтанной релаксация его верхнего уровня попадает в наносекундный диапазон (если такая релаксация разрешена в электродииольном приближении). В этом случае и длительность импульса накачки, и время жизни фотона в резонаторе должны быть существенно меньше времени этой релаксации, и, соответственно, импульс, который модулирует усиление, должен быть очень коротким, т. е. менее ~1 не.
Заключение
Модуляция усиления лазеров является важным инструментом для формирования разнообразных типов лазерного излучения. Модуляция может быть использована для создания импульсного, непрерывного, модулированного по амплитуде, частоте или фазе лазерного излучения. Кроме того, различные виды модуляции могут быть использованы для решения широкого круга задач, включая волоконно-оптическую связь, обработку материалов, медицину и науку.

1. 
   Какие основные понятия используются в теории модуляции усиления лазеров?
   
2. 
   Какие методы модуляции усиления существуют?
   
3. 
   Какие виды модуляции усиления применяются в лазерных системах связи?
   
4. 
   Какие виды модуляции усиления применяются в лазерных системах для обработки материалов?
   
5. 
   

Литература:

1. 
   Квантовая электроника, под ред. А. И. Савельева, М., 1989.
   
2. 
   Лазеры и их применения, под ред. С. А. Анисимова, М., 1983.
   
3. 
   Лазерная техника, под ред. В. В. Воробьева, М., 2000.
   
4. 
   В.В. Волков, В.И. Григорьев, В.А. Зубов. Лазеры. - М.: Физматлит, 2009.
   
5. 
   С.Г. Кац, В.С. Рябенко. Основы лазерной физики. - М.: Физматлит, 2007.
   
6. 
   В.Г. Шкловский. Физика лазеров. - М.: Наука, 2005.