научная статья по теме О КОМБИНИРОВАННОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ПАССИВНЫМ МОДУЛЯТОРОМ В РЕЗОНАТОРЕ Физика

Текст научной статьи на тему «О КОМБИНИРОВАННОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ПАССИВНЫМ МОДУЛЯТОРОМ В РЕЗОНАТОРЕ»

ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2009, том 107, № 2, с. 334-337

ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

УДК 535.8:621.373.8

О КОМБИНИРОВАННОМ ДИОДНОИ НАКАЧКЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ПАССИВНЫМ МОДУЛЯТОРОМ В РЕЗОНАТОРЕ

© 2009 г. А. Ф. Шаталов*, Ф. А. Шаталов**

* Московский государственный горный университет, 119991 Москва, Россия ** Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический

университет), 117495 Москва, Россия E-mail: afshatalov@yahoo.co.uk Поступила в редакцию 13.02.2009 г.

Исследованы особенности комбинированной диодной накачки твердотельного лазера с пассивным модулятором в резонаторе, состоящей из постоянной и импульсной составляющих. Сформулированы необходимые требования к параметрам накачки при импульсной генерации лазера. Исследованы оптическая энергия запуска генерации импульсом накачки и постоянная времени накачки лазера.

PACS: 42.55.Rz, 42.55.Xi, 42.60.Gd

ВВЕДЕНИЕ

Перспективность применения импульсных твердотельных лазеров (ТТЛ) с диодной накачкой и пассивным модулятором (ПМ) в резонаторе в различных областях техники обусловлена их надежностью, а также простотой устройства и эксплуатации. Характеристики и вопросы оптимизации таких лазеров хорошо изучены при работе последних в импульсном автоколебательном режиме с постоянной диодной накачкой [1—3]. При использовании ТТЛ с ПМ в резонаторе для нелинейных преобразований, в задающих генераторах и усилителях мощности, когерентных оптических радарах и дистанционных датчиках используется комбинированная диодная накачка, состоящая из постоянной Р0 и импульсной Рр (длительностью тр) составляющих [4, 5]. Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование особенностей такой накачки, связанных с требованиями к ее параметрам, энергии запуска генерации лазера и постоянной времени т его накачки.

ТЕОРИЯ

Плотность ф фотонов в резонаторе и плотность п инверсной населенности в активном элементе (АЭ) лазера описываются уравнениями [1, 2]

dt

2аnd - 2asnsds - 2aesnesds - ln( 1) - L

dn n , ,

t-- = np---фас Фп,

dt т

,(1)

(2)

где п5 — плотность населенности нижнего уровня (3А2 для УАО:Сг4+) ПМ, пе8 — плотность населенности возбужденного уровня (3Т2) ПМ, а — эффективное сечение индуцированных переходов АЭ, а5 — сечение поглощения нижнего уровня ПМ, ае5 — сечение поглощения возбужденного уровня ПМ, d — толщина АЭ, ds — толщина ПМ, Я — отражательная способность зеркал резонатора, Ь — пассивные потери при полном проходе светом длины резонатора (исключая потери в ПМ), у — коэффициент вырождения инверсии в АЭ, пр — скорость накачки, tr = 21 '/с — время полного прохода светом длины резонатора, с = 3 х х 108 м/с — скорость света в вакууме, I' — оптическая длина резонатора лазера.

Так как перед началом генерации dф/dt = 0, а уровень 3Т1 ПМ практически полностью пустой, то из (1), опуская член с ае, можно получить пороговую плотность п1 инверсной населенности в АЭ

2 а snsids + ln (|J + L

n =

2 ad

которая равна плотности инверсной населенности в АЭ в момент начала генерации лазера, где п^ — плотность населенности нижнего уровня ПМ в момент начала генерации. Тогда решение уравнения (2) в отсутствие генерации (ф = 0) можно записать в виде

n (t) = npт - (npT - nf e

—t/т

(3)

r

О КОМБИНИРОВАННОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА 335

Р

Р = Р

+ Рр

о

t, отн. ед.

Рис. 1. Зависимости мощности Рп (а) оптической накачки и плотности п (б) инверсной населенности ЛЭ от времени.

где пу — начальная плотность инверсной населенности в АЭ. На рис. 1 показаны зависимости мощности Рп (а) оптической накачки и плотности п (б) инверсной населенности в АЭ от времени, где Р0 — постоянная, а Рр — импульсная (длительностью тр) составляющие оптической мощности накачки, Р = Р0 + Рр, Т — период следования импульсов накачки, ¥ = 1/Т — частота их следования, Т0 — время задержки начала генерации лазера относительно переднего фронта импульса накачки, а п — конечная плотность инверсной населенности в АЭ.

Используя (3), получим следующее выражение для задержки Т0:

То = т 1п , (4)

Хр - 1

где хр = прт/п, х0 = п0у/п. Полученное выражение (4) для задержки То включает как частный случай импульсный автоколебательный режим работы лазера при постоянной накачке [6, 7], выражение для периода автоколебаний которого получено в работе [2]. Из (4) следует, что постоянную времени диодной накачки т лазера можно измерять по задержке Т0, которая зависит от параметров хр и х0 диодной накачки ТТЛ.

Оптическую энергию Ер запуска генерации ТТЛ импульсом накачки тр (см. рис. 1) можно представить в виде

Ер = РрТо = (Р- Ро) То = кщтур(ХрХо), (5)

где Р0 = кп0у, Р = кпрт, к — коэффициент пропорциональности, а

Ур (Хр, Хо) = (Хр - Хо) 1п--- . (6)

Хр - 1

На рис. 2 показаны зависимости коэффициента ур от хр (а) и от х0 (б). Из полученных результатов следует, что коэффициент ур(хр, х0) при увеличении хр уменьшается и стремится к своему предельному значению ур = 1 — х0, которое соответствует разности энергий, накопленных в резонаторе лазера при плотностях п1 и п0у инверсной населенности. При хр > 2 и 0 < х0 < 0.95 коэффициент ур(хр, х0), так же как и энергия Ер запуска генерации ТТЛ, превышают свои предельные значения не более чем на 40%.

Учитывая рассмотренные особенности коэффициента ур при больших хр и используя (5) и (6), можно показать, что параметры Р0, Рр и тр оптической накачки при импульсной генерации ТТЛ должны с необходимостью удовлетворять требованию

РрТр >т(Р, - Ро), (7)

где Р, — пороговая оптическая мощность накачки, которой соответствует инверсная плотность п (Р, = кп (). Требование (7) облегчает на практике получение нужного режима генерации импульсного ТТЛ с пассивным модулятором в резонаторе.

А. Ф. ШАТАЛОВ, Ф. А. ШАТАЛОВ

336

Рис. 2. Зависимости коэффициента ур от хр (а) и от хо (б). а - х0 = 0 (1), 0.2 (2), 0.5 (3), 0.9 (4), 0.95 (5); б -хр = 1.05 (1), 1.1 (2), 1.3 (3), 1.5 (4), 2 (5), 3 (б).

ЭКСПЕРИМЕНТ

Схема экспериментальной установки для исследования генерации ТТЛ с ПМ в резонаторе при комбинированной диодной накачке показана на

рис. 3. Источник тока 1 модулировал выходную мощность излучения (длина волны Хр = 805 нм) лазерного диода 2 накачки, имеющего выход излучения через оптическое волокно 3 ^А = = 0.22, dc = 100 мкм). Ширина спектра излучения накачки на полувысоте составляла 2 нм. Микрообъектив 4 фокусировал излучение из выходного торца волокна 3 на АЭ 5 в пятно диаметром 90 мкм. АЭ был выполнен на кристалле кальций-галлий-германиевого граната Са30а20е3012:№3+, с концентрацией ионов неодима 2.0 х 1020 см-3. Толщина АЭ равнялась 1.5 мм. За один проход в этом АЭ поглощалось 80% излучения накачки. Передняя грань (на рис. 3 зачернена) — входное зеркало АЭ вместе со сферическим зеркалом 7, имеющим коэффициент пропускания Т= 0.01 и радиус Я = 5 см, образуют резонатор лазера. В резонатор лазера помещался ПМ б, выполненный на кристалле УАО^г4*, просветленный на длине волны 1.06 мкм и имеющий коэффициент пропускания Т = 0.9 при малых интенсивностях падающего на него излучения. Толщина ПМ б равнялась 1 мм. Форма, временные параметры, энергия и мощность лазерных импульсов измерялись с помощью фотоприемника 8, осциллографа 9 и измерителя мощности 10.

Величины постоянной 10 и импульсной 1р составляющих (действующее значение) тока диода накачки определялись за вычетом порогового тока диода накачки. Крутизна ватт-амперной характеристики диода равнялась 0.96 Вт/А. Так как соответствующие 10 и 1р постоянная Р0 и импульсная Рр составляющие мощности излучения диода накачки пропорциональны им (так же как и пороговая оптическая мощность пропорциональна пороговому току I накачки лазера), то требование (7) можно записать и для параметров 10,1р и тр

1ртр >т(I, -10). (8)

Пороговый ток I накачки ТТЛ был равен 0.774 А, а соответствующая ему пороговая оптическая мощность накачки составляла 0.74 Вт. Энергия и длительность импульсов генерации ТТЛ — 3.5 мкДж и 11 нс соответственно.

2 3 ,

\

1

4 5 б

ПИ

10

9

Рис. 3. Схема экспериментальной установки. 1 — источник тока, 2 — лазерный диод, 3 — оптическое волокно, 4 — микрообъектив, 5—АЭ, б — ПМ, 7 — выходное сферическое зеркало, 8 — фотоприемник, 9 — осциллограф, 10 — измеритель мощности.

О КОМБИНИРОВАННОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА

ЗЗ7

TG, мкс 120

В0

40-

1п(хр -х0)/(хр -1)

Рис. 4. Зависимость времени Т0 задержки импульса генерации лазера относительно переднего фронта

импульса Tp накачки от ln( ——- J. х = tga = 114 мкс.

На рис. 4 показана зависимость времени Т0 задержки импульса генерации лазера относительно переднего фронта импульса тр накачки от

ln

xp ~xc Xp - 1

Тангенс угла наклона прямой, ап-

проксимирующей экспериментальные точки, равен постоянной времени т диодной накачки ТТЛ. Полученное из данных рис. 4 значение т составляет 114 мкс, что меньше радиационного времени (т = 220 мкс [8]) жизни верхнего лазерного уровня для АЭ на кристалле Са30а20е3012^ё3+. Меньшее значение постоянной времени диодной накачки по сравнению с радиационным временем жизни верхнего лазерного уровня АЭ обусловлено усилением резонатором ТТЛ спонтанного излучения [9]. Полученный результат показывает на необходимость учета различий этих времен при оптимизации параметров ТТЛ.

Для самой нижней экспериментальной точки рис. 4 (Т0 = 15 мкс) оптическая энергия Ep запуска генерации ТТЛ импульсом накачки составляла 6.3 мкДж, превышая свое предельное значение E0 = 3.0 мкДж в 2.1 раза. Отношение энергии

= 3.5 мкДж генерируемого ТТЛ импульса к

энергии Ep для этого случая равнялось 0.56, а отношение пиковой мощности импульса генерации к мощности Pp импульса накачки составляло В x 102.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе теоретически и экспериментально исследованы особенности комбинированной диодной накачки ТТЛ пассивным модулятором в резонаторе, состоящей из постоянной и импульсной составляющих. Сформулированы необходимые требования (7) и (В) к параметрам накачки при импульсной генерации лазера. Показано, что постоянная т времени диодной накачки лазера меньше радиационного времени жизни верхнего лазерного уровня акт

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком