Самопульсация

Самопульсация — переходное явление в лазерах непрерывного действия . имеет место самопульсация В начале лазерного воздействия . При включении накачки коэффициент усиления в активной среде возрастает и превышает установившееся значение. Число фотонов в резонаторе увеличивается, уменьшая коэффициент усиления ниже установившегося значения и так далее. Лазер пульсирует; выходная мощность в пиках может быть на порядки больше, чем между импульсами. После нескольких сильных пиков амплитуда пульсаций уменьшается и система ведет себя как линейный осциллятор с затуханием. Затем пульсация затухает; это начало непрерывного режима работы .

Уравнения

Простая модель автопульсации имеет дело с числом $X$ фотонов в резонаторе лазера и число $~Y~$ возбуждений в усиливающей среде . Эволюцию можно описать уравнениями:

$~{\begin{aligned}{{\rm {d}}X}/{{\rm {d}}t}&=KXY-UX\\{{\rm {d}}Y}/{{\rm {d}}t}&=-KXY-VY+W\end{aligned}}$

где $~K=\sigma /(st_{\rm {r}})~$ – константа связи,
$~U=\theta L~$ – скорость релаксации фотонов в резонаторе лазера ,
$~V=1/\tau ~$ – скорость релаксации возбуждения усиливающей среды ,
$~W=P_{\rm {p}}/({\hbar \omega _{\rm {p}}})~$ – скорость откачки ;
$~t_{\rm {r}}~$ — время прохождения света в резонаторе лазера туда и обратно ,
$~s~$ – площадь области накачки хорошее согласование мод ); ( предполагается
$~\sigma ~$ — сечение излучения на частоте сигнала $~\omega _{\rm {s}}~$.
$~\theta ~$ — коэффициент передачи выходного ответвителя .
$~\tau ~$ – время жизни возбуждения усиливающей среды .
$P_{\rm {p}}$ – мощность накачки, поглощаемая в усиливающей среде (которая предполагается постоянной).

В аналогичном виде (с различными обозначениями переменных) такие уравнения встречаются в учебниках по лазерной физике , например, в монографии А.Зигмана.

Стационарное решение

${\begin{aligned}X_{0}&={\frac {W}{U}}-{\frac {V}{K}}\\Y_{0}&={\frac {U}{K}}\end{aligned}}$

Слабая пульсация

Затухание малой пульсации происходит со скоростью

${\begin{aligned}\Gamma &=KW/(2U)\\\Omega &={\sqrt {w^{2}-\Gamma ^{2}}}\end{aligned}}$

где

$w={\sqrt {KW-UV}}$

Практически эта скорость может быть на порядки меньше частоты повторения импульсов. В этом случае затухание автопульсации в реальных лазерах определяется другими физическими процессами, не учтенными исходными уравнениями, приведенными выше.

Сильная пульсация

Переходный режим может быть важен для квазинепрерывных лазеров, которым необходимо работать в импульсном режиме, например, во избежание перегрева.

Считалось, что существуют единственные численные решения для сильной пульсации, всплесков . Сильный всплеск возможен, когда $U/V\ll 1$, т. е. время жизни возбуждений в активной среде велико по сравнению со временем жизни фотонов внутри резонатора. Всплеск возможен при низком сбросе самопульсации, при соответствующих обоих параметрах. $u$ и $~v^{}~$ должно быть небольшим.

Суть реализации генератора Тода на оптической стенде показана на рис.4. Цветные кривые представляют собой осциллограммы двух импульсов квазинепрерывного микрочипового твердотельного лазера с диодной накачкой на керамике Yb:YAG , описанного автором. Толстая черная кривая представляет собой аппроксимацию простой модели с осциллятором Тода . Имеет место только качественное согласие.

Все осцилляторы

Изменение переменных

${\begin{aligned}X&=X_{0}\exp(x)\\Y&=Y_{0}+X_{0}y\\t&=z/w\end{aligned}}$

привести к уравнению для генератора Тоды . При слабом затухании автопульсации (даже в случае сильного всплеска) решение соответствующего уравнения можно аппроксимировать элементарной функцией. Погрешность такой аппроксимации решения исходных уравнений мала по сравнению с точностью модели.

Пульсация реальной мощности реальных лазеров в переходном режиме обычно демонстрирует значительные отклонения от простой модели, приведенной выше, хотя модель дает хорошее качественное описание явление автопульсации.

См. также

• Твердотельные лазеры
• Дисковый лазер

Ссылки

• Кехнер, Уильям. Твердотельная лазерная техника , 2-е изд. Спрингер-Верлаг (1988).

Внешние ссылки

• https://web.archive.org/web/20070514062058/http://www.tcd.ie/Physics/Optoelectronics/research/self_pulse.php (самопульсация в полупроводниковых лазерах)