РОЗДІЛ 2
ОДНОЧАСТОТНІ ЛАЗЕРИ З ЛАМПОВИМ ПОМПУВАННЯМ
2.1. Шуми лазерів на твердому тілі
Флюктуації лазерної генерації можуть бути викликані технічними і фізичними причинами. Технічні флуктуації пов'язані з нестабільностями резонатора та параметрів помпування, тобто, із зовнішніми факторами. Природні флуктуації обумовлені атомною структурою підсилюючого середовища та квантовою природою випромінювання. Вони є внутрішніми, тобто, органічно притаманними квантовому генераторові. Крім того, лазерній системі, при певних співвідношеннях внутрішніх характерних часових параметрів з частотою періодичної зовнішньої модуляції властивий перехід у режим хаотичних пульсацій [41].
Природні флюктуації визначають мінімальну, гранично можливу ширину спектра та його структуру. В огляді [42] дається грунтовний аналіз прояву природних флуктуацій з урахуванням особливостей режимів роботи лазера: стоячої хвилі, двох біжучих хвиль у кільцевому резонаторі та однонаправленої біжучої хвилі. Розглянуто суттєво відмінні співвідношення часу реляксації поляризації активного середовища та часу реляксації поля в резонаторі, а саме, випадки газового лазера та лазера на твердому тілі. В загальному випадку спектр випромінювання може бути представлений двома лініями. Одна з них вузька та інтенсивна з шириною порядку 10?3- 10?? Гц, друга широка і слабка з шириною 105 - 107 Гц. Перша з'являється завдяки девіяціям частоти, друга - внаслідок флюктуації амплітуди. Технічні флюктуації спричиняють модуляцію спектру з шириною до 103 - 104 Гц.
Перша теоретична оцінка ширини лінії випромінювання ??out була зроблена Шавловим і Таунсом в роботі [43], де, до речі, й було запропоновано сам лазер.
??out ? 2?2h?(??c)2/Pout (2.1)
де Pout - вихідна потужність, ??c=?с/2?L - ширина моди при довжині резонатора L та втратах ?, ? - частота променювання генерації, с - швидкість світла.
Для лазера на твердому тілі (YAG:Nd) неперервної дії (? ?10??, ? ?3?1014Гц) при вихідній потужності 1 Вт ширина лінії повинна скласти 3?10?4Гц. В той же час відносні зміни довжини резонатора призводять до еквівалентних змін частотного положення моди резонатора ? L/L = ??/?. При значенні коефіцієнта лінійного розширення для більшості матеріялів на рівні 10?5/К і вище коливання температури в діяпазоні 0.1К призводять до дрейфу частоти 108 - 109 Гц. Приблизно до такої ж величини флюктуацій оптичної довжини резонатору призводять флюктуації густини повітря і, відповідно, показника заломлення. Механічні коливання мають меншу ширину спектру, ніж спричинені термооптичними змінами. При лазерних елементах звичайних розмірів механічні коливання можуть досягати 104 Гц. При коливаннях струму ламп помпування і, відповідно, їх світлового потоку та його спектрального складу виникає відповідна модуляція рефракційної сили термічної сочки в активному елементові. В результаті навіть положення оптичної вісі резонатора флюктуює з частотами 1 - 10 Гц [44]. Крім того модуляційні ефекти є джерелом виникнення власних реляксаційних коливань, які виникають внаслідок суттєво відмінного часу життя фотонів в резонаторі та часу життя активних центрів у збудженому стані. Глибина шумової модуляції може досягти 30% інтенсивності променювання, в той же час викликані ними реляксаційні коливання можуть розгойдувати пульсації інтенсивності до 80% глибини модуляції [45]. Зрозуміло, що найбільш чутливою до зовнішних збурень та нестабільною є генерація поблизу виконання порогових умов генерації. З іншого боку, при великій потужності випромінювання взаємодія поля з протяжним активним середовищем призводить до нестабільності параметрів генерації [46].
Застосування систем зворотнього зв?язку та механічних демпфуючих систем дозволяє суттєво зменшити амплітуду коливань інтенсивності [47, 48].
Найбільш суттєвими за результатами впливу на режим неперервної генерації є механічні та термічні збурення резонатора, які є резонансними до власних реляксаційних коливань, характерних для певного набору лазерних елементів та параметрів цих елементів, а саме: типу матриці активного середовища та йонів активатора, механічної конструкції освітлювача, способу та потужності помпування, оптичної та механічної якості резонатора. Таким чином, розгойдуючи, чи демпфуючи ці коливання, можна природним шляхом або отримати генерацію з модуляцією, або неперервну і, в ідеалі, одночастотну генерацію без застосування зовнішних електронних пристроїв, які штучно підтримують такі режими, вносять додаткові втрати, а отже, знижують ефективність генерації і суттєво збільшують імовірність виходу з ладу всієї лазерної системи. Проаналізуємо спочатку умови виникнення квазістаціонарної одночастотної генерації та способи її підтримання при ламповому імпульсному помпуванні.
2.2. Одночастотна квазiстацiонарна генерацiя
Всі активні середовища мають частотну дисперсію коефіцієнту підсилення. Тому, в принципі, при імпульсному помпуванні порогові умови спочатку виконуються для однієї центральної моди. Тому у процесi розвитку генерацiї має мiсце звуження спектру випромiнювання [49]. Якщо процес триває досить довго, то, в принципi, можливо досягти одночастотного режиму. При імпульсній роботі лазера з ламповим помпуванням загальна тривалість iмпульсу генерацiї обмежена максимальним енергетичним навантаженням на помпуючу лампу. Оскільки початкова фаза генерації зайнята перехідним процесом з глибокою періодичною модуляцією інтенсивності, то квазiстацiонарна одночастотна дiлянка буде тим довшою, чим швидше закiнчиться перехiдний процес.
Головною фiзичною причиною спалахового режиму в імпульсному лазері є перехiдний коливальний процес, пов?язаний з порушенням рiвноваги мiж iнверсiєю заселеності та полем внаслiдок великої рiзницi мiж часом життя активних йонiв у збудженому станi (T1 ?10?4 с) та часом життя фотонiв у резонаторi (ТP ~ 10?7 - 10?8 с) [41]. Тому в процесі лiнiйного розвитку генерацiї пiсля виконання поро