Режим модулированной добротности

Для ряда применений важно сократить длительность импульса, т.к. при заданной энергии импульса пиковая мощность Л. возрастает с уменьшением его длительности. С этой целью разработан метод модулированной добротности (модулируется добротность резонатора), состоящий в следующем: предварительно производят оптическую накачку, искусственно препятствуя возникновению генерации. Это осуществляют, например, помещая внутри резонатора оптический затвор. При закрытом затворе генерация невозможна, и энергия накапливается в резонаторе в виде нарастающего количества возбуждённых атомов. Если затем быстро открыть затвор, то вся запасённая энергия возбуждения, или большая её часть высвечивается в виде короткого светового импульса. Длительность такого лазерного импульса определяется или скоростью открывания затвора или, если эта скорость достаточно велика, временем установления электромагнитного поля в резонаторе.

Допустим, что накачка осуществляется при низкой добротности резонатора (высоких потерях), так что генерация возникнуть не может. Тогда может быть достигнута максимальная для данной скорости накачки F₂ разность населенностей Δn₀ и в единице объема вещества запасена энергия ΔU₀ = hν₀Δn₀ ≈ hν₀F₂τ₂. Отметим, что при стационарном резонаторе с низкими потерями это значение Δn₀ достигнуто быть не может, поскольку по достижении порога и возникновении генерации инверсия больше не растет, так как накачка, превышающая пороговую, уходит в лазерное излучение. Если эту запасенную энергию высветить в импульсе длительностью τ_h, то получается удельная мощность P_h = hν₀F₂τ₂/2τ_h = P₁ τ₂/2τ_h поскольку P₁ = hν₀F₂τ₂ есть максимальная (с единицы объема) мощность в непрерывном режиме. При τ_h << τ₂ можно получить существенный выигрыш в мощности.

Режим модулированной добротности осуществляется следующим образом: по достижении максимальной инверсии добротность резонатора быстро увеличивается, потери уменьшаются и начинает развиваться генерация, проходя сперва линейный этап развития из спонтанного излучения, а затем быстрый нелинейный этап, за время которого запасенная в рабочем веществе энергия выплескивается в виде короткого (на практике до 3-10 нс) и мощного импульса. Типичные значения достигаемых мощностей соответствуют 10⁷ - 10⁸ Вт, рекордные - 10¹³-10¹⁵ Вт. Например, для рубинового лазера, дающего в режиме свободных колебаний Р = 10³ Вт, в режиме модулированной добротности P = 10⁸ Вт, то есть возрастает на 5 порядков.

В этом режиме применяются различные типы оптических затворов: механически вращающиеся зеркала и призмы, ячейки Керра и Поккельса , управляемые электрическим сигналом, и т.п. С помощью оптических затворов обычно получают импульсы длительностью 10^-7 - 10^-8 сек. Полная энергия импульса в режиме модулированной добротности оказывается меньшей, нежели в режиме свободной генерации. Тем не менее, выигрыш в мощности за счёт уменьшения длительности импульса достигает нескольких порядков.

Режим модуляции добротности нашёл множество применений: локация, лидары, научный эксперимент, лазерная технология тонколистовых материалов.