Перевод Ксении Троць
Для получения импульсного режима работы лазера используется техника модуляции добротности (Q-switch, заглавной буквой Q обозначается добротность резонаторов различного типа). Лазер, в котором применяется методика активной или пассивной модуляции добротности, называется лазером с модуляцией добротности.
Типичные области применения таких лазеров, обработка материалов (например, резка, сверление, лазерная маркировка), накачка нелинейных преобразователей частоты, дальномеры и дистанционное зондирование.
Активная среда твердотельного лазера имеет хорошие возможности запасания энергии, и лазеры на объемных кристаллах позволяют получить большую площадь моды (для высокой энергии импульса и пиковой мощности) или лазеры с коротким резонатором (в сравнении с волоконными лазерами). Для длин волн в спектральной области 1 мкм, наиболее распространены импульсные лазеры на основе легированного неодимом лазерного кристалла, такого как Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF. Также могут быть использованы легированные иттербием усиливающие среды.
Есть лазеры с модуляцией добротности и с большей длиной волны излучения, часто используются усиливающие среды легированные эрбием, например как Er:YAG для 1,65 или 2,94 мкм, или кристаллы легированные туллием для ≈ 2 мкм.
Наиболее распространенным типом лазеров с модуляцией добротности является твердотельный лазер с активным затвором. Резонатор лазера содержит активный лазерный затвор - оптический модулятор, чаще всего это акустооптический модулятор.
Небольшой твердотельный лазер с активной модуляцией добротности может излучать 100 мВт средней мощности в импульсах длительностью 10 нс с частотой повторения 1 кГц и 100 мкДж энергии импульса. Достигаемая пиковая мощность ≈ 9 кВт.
Самые большие энергии импульсов и короткие длительности импульсов достигаются при низких частотах повторения импульсов (интервал между импульсами менее времени жизни верхнего уровня). При этом несколько уменьшается средняя выходная мощность. Для Nd:YAG лазера с источником накачки 10 Вт (например, диодная линейка) энергия импульса может достигать нескольких мДж.
Nd:YVO4 эффективен для получения короткой длительности импульсов и высокой частоты повторения импульсов, или для работы с низкой энергией накачки.
Существенно большая энергия в импульсе может быть получена с помощью лазерных систем, построенных по схеме генератор- усилитель (MOPA, т.е. Master Oscillator – Power Amplifier). Для получения высоких средних мощностей в сочетании с умеренными энергиями импульса используются волоконные системы MOPA.
Для получения мощных импульсов с малой частотой повторения ламповая накачка может быть экономически благоприятным вариантом, поскольку газоразрядные лампы намного дешевле, чем лазерные диоды для получения данной пиковой мощности. Однако для получения более высоких частот повторения импульсов, диодная накачка становится более привлекательной из-за снижения тепловых эффектов в лазерном кристалле.
Лазер с пассивной модуляцией добротности содержит насыщающийся поглотитель (пассивный переключатель добротности) вместо модулятора. При непрерывной накачке получаются регулярные импульсы, однако момент излучения импульса как правило, не может быть точно контролируем, а частота следования импульсов увеличивается с ростом мощности накачки.
Наиболее часто используемые насыщающиеся поглотители для лазеров 1-мкм - кристаллы Cr:YAG.
Большое распространение получили лазеры на микрочипе (микрочип-лазеры) с пассивной модуляцией добротности, которые очень надежны и компактны. Такие лазеры обычно излучают импульсы с энергией в пределах от нескольких нДж до мкДж, средние мощности в несколько десятков мВт и частотой повторения от нескольких кГц и нескольких МГц. Как правило, лазеры с пассивной модуляцией добротности имеют меньшую среднюю выходную мощность, чем лазеры с активной добротностью (насыщающийся поглотитель рассеивает часть энергии, так что могут возникнуть ограничивающие термические эффекты). Стоит обратить внимание, что насыщающиеся поглотители обычно имеют некоторые дополнительные тепловые потери, которые превышают теоретический уровень (который в принципе нельзя исключить).
В частности, некоторые из небольших лазеров, а также, некоторые лазеры с более длинными резонатором, содержащим оптический фильтр (например объемная Брэгговская решетка), работают в одномодовом режиме (одна поперечная мода). Это приводит к хорошей форме импульса и небольшой ширине полосы импульса, часто ограниченной длительностью импульса. Другие лазеры осциллируют на нескольких модах резонатора, что приводит к эффекту модовых биений: оптическая мощность модулируется с частотами, которые кратны частоте резонатора.
Волоконные лазеры могут также быть с активной или пассивной добротностью. Тем не менее, полностью волоконные лазеры довольно ограничены с точки зрения параметров. В то время как волоконные лазеры с модуляцией добротности, содержащие объемные оптические элементы (например, акустооптический переключатель добротности (см. рис. 4)) являются менее надежными по конструкции, а также еще менее мощными в сравнении с твердотельными лазерами на объемных кристаллах. Сравнительно небольшой размер моды (даже при использовании большой площади моды волокна) создает проблемы с нелинейностью в волокне и ограничением плотности мощности в волокне, которые ограничивают энергию импульса и пиковую мощность.
Стоит отметить, что, как правило, очень высокий коэффициент усиления волоконного лазера имеет важные последствия для лазерной динамики. В частности, это может привести к образованию сложной временнОй суб-структуры.
С другой стороны, волоконные усилители высокой мощности пригодны для усиления последовательности импульсов с высокой средней мощностью, но с умеренной энергией импульса. Некоторая степень нелинейных искажений импульсов в таком усилителе приемлема.