«ГИГАНТСКИЕ» ИМПУЛЬСЫ

С понятием «гигантский импульс» мы уже знакомили читателя; так называют лазерный импульс длительностью порядка 10“8 с и мощностью до 108 Вт. Теперь расскажем, как получают такие импульсы.
Для этого внутрь резонатора лазера помещают оптический затвор-специальное устройство, которое по сигналу может переходить из «закрытого» состояния в «открытое» и наоборот.

В открытом состоянии затвор пропускает сквозь себя лазерное излучение. В закрытом он либо поглощает излучение, либо отклоняет его в сторону. Впрочем, здесь необходимо уточнение. Дело в том, что фраза о поглощении или отклонении излучения закрытым затвором, строго го
воря, некорректна, так как предполагает наличие излучения (которое поглощают или отклоняют). Именно так и действовал бы закрытый затвор, если бы он находился вне лазерного резонатора. Однако в рассматриваемом случае затвор находится внутри резонатора; поэтому, когда его переключают в закрытое состояние, то тем самым резко повышают потери в резонаторе, в результате чего генерация срывается. А коль скоро генерации нет, то нет и излучения, которое закрытый затвор поглощал бы или отклонял. Итак, когда затвор открыт, потери в резонаторе малы и генерация идет; при этом генерируемое излучение довольно свободно проходит сквозь затвор. Когда же поглощающий или отклоняющий затвор закрыт, потери велики и поэтому генерации нет.
Сама по себе идея получения гигантских импульсов при использовании оптического затвора довольно проста. Сначала, еще до того, как возник импульс излучения накачки, затвор переводится в закрытое состояние. Начинается высвечивание энергии, содержащейся в импульсе накачки. По мере поглощения этой энергии активные центры в массовом порядке переходят на метастабильный верхний рабочий уровень. Генерация же в лазере пока не начинается, ведь затвор закрыт. В результате на верхнем рабочем уровне накапливается чрезвычайно большое число активных центров-создается очень сильная инверсная населенность рабочих уровней. И вот тут-то затвор быстро переключают в открытое состояние. В каком-то смысле это аналогично тому, как если бы высокая плотина, создававшая огромный перепад уровней воды, вдруг мгновенно исчезла. Происходит дружное и очень бурное высвечивание возбужденных активных центров, в результате чего и рождается короткий и мощный импульс излучения-так называемый гигантский импульс.
Все описанные события совершаются в течение очень малого времени. Длительность вспышки лампы-осветителя порядка 10-3 с. Затвор открывают, когда примерно половина энергии вспышки уже высветилась, причем время переключения затвора из закрытого состояния в открытое должно быть не более примерно 10“7 с. К следующему импульсу накачки затвор должен снова оказаться в закрытом состоянии.

На практике вначале применялись вращающиеся оптико-механические затворы. Принцип их работы очень прост. Пусть одно из зеркал резонатора быстро вращается вокруг оси, перпендикулярной оси резонатора. Такое зеркало работает как зеркало резонатора лишь в те короткие промежутки времени, когда его отражающая поверхность оказывается точно или почти перпендикулярной оси резонатора. Только в эти промежутки времени потери в резонаторе будут малыми. В остальное же время потери будут огромными, как если бы отражающее зеркало вообще отсутствовало. Чтобы переключение потерь происходило достаточно быстро, надо очень быстро вращать зеркало. Оно должно совершать до тысячи оборотов секунд. Легко представить, что наличие в приборе быстро вращающихся деталей создает технические неудобства. Поэтому в современной лазерной технике вращающиеся затворы применяются редко; как правило, используют оптические затворы, где никакого вращения не требуется. Мы имеем в виду электро- и акустооптические затворы.
В основе работы электрооптического затвора лежит быстрое и обратимое изменение преломляющих свойств кристаллов под действием внешнего электрического поля-электрооптический эффект Поккельса. Затвор состоит из поляризатора света, ячейки Поккельса и второго поляризатора. При подаче напряже-

Так выглядит лазер с электрооптическим затвором: 1 — активный элемент, 2 — кристалл, используемый в ячейке Поккельса, 3 — электроды ячейки, на которые подается напряжение, обеспечивающее поворот плоскости поляризации света на 90°, 4 — поляризаторы, 5 — полностью отражающее зеркало резонатора, 6 — выходное зеркало

ния на ячейку Поккельса происходит поворот на 90° плоскости поляризации проходящего через ячейку излучения.

Оба поляризатора ориентированы одинаковым образом-их плоскости поляризации совпадают. Когда ячейка выключена, потери, вносимые затвором, минимальны - генерация идет, излучение практически свободно проходит сквозь каскад поляризатор - ячейка-поляризатор. Когда ячейка Поккельса включена, потери, вносимые затвором, сразу резко возрастают (из-за поворота плоскости поляризации излучения второй поляризатор теперь не мог бы пропустить излучение, прошедшее через первый поляризатор) - генерация становится невозможной. Время переключения электрооптического затвора из одного состояния в другое может составлять всего 10 ~9 с.
Наряду с электрооптическими в настоящее время широко применяют также акустооптические затворы. Такой затвор состоит из генератора ультразвука и прозрачного тела, внутри которого распространяется ультразвуковая волна. Волна создает в теле систему чередующихся сжатий и разрежений, на которых происходит дифракция светового пучка. Вследствие дифракции часть светового пучка отклоняется в сторону, что соответствует резкому повышению потерь в резонаторе. Когда генератор ультразвука включен, затвор находится в закрытом состоянии; при выключении генератора ультразвука затвор переходит в открытое состояние. Время переключения затвора из одного состояния в другое составляет 10-8-10-7 с.
Рассмотренные оптические затворы действуют по сигналу извне. Их работу необходимо точно согласовывать во времени с импульсами накачки-надо в определенные моменты открывать и своевременно возвращать их в закрытое состояние. От этих забот можно избавиться, если использовать в качестве затвора просветляющийся фильтр. Он представляет собой среду, обычно жидкую, содержащую атомы, которые поглощают лазерное излучение и при этом относительно долго остаются в возбужденном состоянии. По мере поглощения излучения всё больше и больше атомов фильтра переходят с исходного уровня энергии на верхний уровень, соответствующий упомянутому возбужденному состоянию. Когда на обоих уровнях оказывается поровну атомов, фильтр перестает поглощать падающее на него излучение (по той причине,

что процессы поглощения света и вынужденного испускания теперь взаимно компенсируются). Фильтр становится прозрачным, иначе говоря, просветляется.
Поместим такой фильтр в резонатор лазера. В исходном состоянии он непрозрачен-затвор закрыт. Начинается поглощение энергии импульса накачки в активном элементе, активные центры в избытке накапливаются на верхнем рабочем уровне. Генерация пока не идет-ведь на пути излучения находится непрозрачный затвор, поэтому потери в резонаторе высоки. Но хотя генерации и нет, акты спонтанного испускания фотонов активными центрами все же происходят и притом тем чаще, чем больше заселяется верхний рабочий уровень. Фотоны, испущенные спонтанно, попадают в фильтр; они поглощаются атомами фильтра и тем самым начинают его понемногу просветлять. В свою очередь, начавшееся просветление фильтра ускоряет процессы испускания фотонов активными центрами. Вскоре наступает развязка: фильтр быстро просветляется до конца (затвор открывается)-рождается гигантский лазерный импульс. После его высвечивания фильтр за счет спонтанных процессов возвращается в непросветленное состояние.
В данном случае управление потерями в резонаторе осуществляется особенно просто. Надо лишь поместить внутрь резонатора кювету с просветляющейся жидкостью. Все дальнейшее будет совершаться автоматически. Без нашего вмешательства жидкость в кювете просветлится под воздействием импульса накачки на активный элемент, родится гигантский импульс, после чего жидкость сама возвратится в непросветленное состояние, вплоть до очередного импульса накачки.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме «ГИГАНТСКИЕ» ИМПУЛЬСЫ:

- Популярная физика -