2015-05-14
500
В рамках численного решения задачи рассматривается временной ход генерации света в режиме модулированной добротности резонатора. Лазеры отличаются по типу рабочих сред - этим различается схема их устройства и назначение во всевозможных практических применениях. Излучение в режиме модулированной добротности резонатора, как и свободное свечение, по характеру протекания и основным характеристикам (пиковой мощности и длительности импульсов) может сильно отличаться в силу различия сред, диапазона излучаемых частот и рабочих схем лазеров. Набору технических параметров лазерной схемы (достижимому усилению активного элемента, уровню мощности накачки, начальному пропусканию затвора, длине резонатора, прозрачности зеркал) соответствуют сочетания значений таких коэффициентов модели (1) как t, t 1, a и k). Исследуемый процесс представляет собой формирование интенсивности лазерного излучения в виде отдельного короткого светового импульса в случае, если усиливающим элементом является люминесцентный кристалл (рубин или алюмо-иттриевый гранат). В последнем случае инверсия формируется по четырёхуровневой схеме, поэтому достижимое в гранате усиление значительно выше. Соответственно такой лазер излучает более интенсивные и короткие импульсы. В инжекционном лазере модуляция потерь за счёт тонкой просветляющейся пленки на торце лазерного диода определяет развитие процесса автоколебаний интенсивности. С ростом уровня модуляции (увеличением k) зависимость в виде затухающих осцилляций сменяется серией контрастных регулярных импульсов.
|
|
|
Основным заданием, выполняемым в ходе работы, являются расчет зависимости I (t) для разных типов лазеров с помощью прикладной компьютерной программы PrSelf_2. В начале расчётов в ячейках для переменных начало отрезка, еps, Y 0 следует установить такие значения, как на рисунке 6, а и не изменять их. Далее для каждого из трёх вариантов в ячейках - конец отрезка, аlpha, tau1/tau, sigma, r l надо ycтановить значения из таблицы 1 (значение tau1/tau вычисляется по заданным t, t 1). После этого проводится последовательный расчёт зависимости I (t) для нарастающего ряда величин показателя k в ячейке kappa (всего ¾ 7-8 значений в пределах указанного в таблице 1 диапазона), при этом также требуется в той же пропорции увеличивать значения параметра начальной инверсии в ячейке y 0 (в случае невозможности реализации расчёта и получения предупреждения – поступить так, как указано в правилах обращения с программой, изменив содержимое ячейки количество точек).
Таблица 1 – Значения параметров лазеров (для разных активных сред)
| активная среда | рубин | алюмо-иттриевый гранат | GaAs |
| длина волны, м | 6.94×10-7 | 1.06×10-6 | 8.50×10-7 |
| параметр t, c | 1×10-9 | 2×10-9 | 5×10-12 |
| параметр t1, c | 1×10-4 | 1×10-5 | 1×10-9 |
| скорость накачки a | 1.20 | 1.10 | 1.32 |
| параметр s | |||
| параметр rl | 0.2 | 1.5 | 3.2 |
| диапазон k | 0.2 … 3.7 | 3.5 … 7.0 | 0.11…0.18 |
| диапазон у 0 | 0.8 … 3.6 | 3.4 … 9.0 | 0.05 |
| конец отрезка | 0.0008 | 0.001 | 20.0 |
| точность (не менее) |
Для каждого из вариантов, соответствующих лазерам на кристаллах, по графику c точностью до двух значащих цифр надо измерить и занести в таблицу 2 величину пиковой интенсивности I max и длительность импульса D t 1/2. На рисунке 7, а указано, как определяются на зависимости I (t) их значения.
|
|
|
Рисунок 7 а) - Типичный ход зависимости I (t) в режиме излучения моноимпульса: I max- пиковая интенсивность, D t 1/2- длительность импульса по уровню 1/2 пиковой интенсивности;
б) - Затухающая серия импульсов, излучаемых инжекционным лазером;
в) - Серия импульсов инжекционного лазера, переходящая в режим автоколебаний: I r - пиковая интенсивность регулярных импульсов
|
| Таблица 2 – Расчётные данные | |||||||
| Лазер на рубине | Nd:YAG - лазер | GaAs | |||||
| k | I max | D t 1/2 | k | I max | D t 1/2 | k | I r |
| k 1 | k 1 | k 1 | |||||
| k 2 | k 2 | k 2 | |||||
| … | … | … | … | … | … | … | … |
По данным таблицы 2 для этих двух типов лазера строится график зависимости пиковой мощности I max и полуширины импульса D t 1/2 от уровня модуляции добротности резонатора, т.е., от величины показателя начального поглощения k в веществе пассивного затвора. Для инжекционного лазера следует приближённо установить пороговое значение k, начиная с которого генерация лазера из свободного режима, подобного тому, что изображён на рис. 7, б, переходит в режим автоколебаний интенсивности (рис. 7, в), отметив это в таблице 2. Далее по данным таблицы 2 необходимо построить график зависимости пиковой интенсивности импульсов I r после их регуляризации (рис. 7, в) от показателя поглощения k. Убедиться в том, что с увеличением уровня модуляции добротности резонатора возрастает пиковая мощность лазерных импульсов и снижается их длительность.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
1 Назвать и пояснить назначение основных элементов устройства лазера.
2 Почему в двухуровневой энергетической схеме активной среды невозможно создание инверсной заселённости?
3 Пояснить различия в формировании инверсии в условиях трёхуровневой и четырёхуровневой энергетической схемы.
4 Объяснить роль открытого резонатора в схеме лазера.
5 Каковы основные условия старта генерации лазера? Что понимают под пороговым уровнем усиления?
6 Указать основное отличие в процессах вынужденного излучения в люминесцентных кристаллах и полупроводниках.
7 Что представляет собой усиливающий элемент в инжекционном полупроводниковом лазере?
8 В чём состоит различие режимов свободной генерации и модулированной добротности резонатора лазера?
9 Пояснить принцип действия и назначение просветляющегося затвора.
10 Как изменяются характеристики лазерного излучения с изменением начального показателя поглощения в затворе.
11 Указать основные свойства лазерного излучения.
