§ 10. Управление импульсами

Гигантский импульс Хелворта и Мак Кланга

Интенсивность излучения лазера Меймана, как это видно из фиг. 17 и 18, имеет хаотические пульсации. Это обстоятельство препятствует многим применениям лазера, особенно для радиосвязи. В этом случае особенно важен определенный ход сигнала во времени и возможность управления общей интенсивностью.

К счастью, оказалось возможным устранить эту хаотичность и одновременно увеличить максимальную интенсивность, регулируя обратную связь в лазере. Чтобы осуществить это, Хелворт и Мак Кланг [30, 53] заменили отражающие покрытия на торцах рубина внешними зеркалами и поместили высокоскоростной затвор между рубином и одним из зеркал. При закрытом затворе уровень возбуждения рубина может превышать порог самовозбуждения, который соответствует открытому затвору. До достижения высокого уровня возбуждения затвор остается закрытым; когда он открывается, излучение быстро усиливается и весь избыток возбуждения высвечивается за очень короткое время. Принцип действия легче всего понять на примере механического затвора, который полностью не пропускает свет в закрытом состоянии. Для достижения необходимой скорости и удобства Хелворт и Мак Кланг применили более удобный для работы затвор, в котором используются электрооптические свойства веществ. В первоначальных экспериментах они применяли затвор, который в закрытом состоянии не полностью устраняет обратную связь, а только сильно уменьшает ее. В этом затворе используется ячейка Керра, вращающая плоскость естественной поляризации вынужденного излучения рубина, которая наблюдается в случае, если оптическая ось не совпадает с осью рубинового стержня (см. § 9). Схема эксперимента Хелворта и Мак Кланга показана на фиг. 20. Ячейка Керра, содержащая нитробензол, располагалась между одним из зеркал и рубиновым стержнем так, что вектор электрического поля, приложенного к ячейке, был направлен под углом 45° к плоскости, проходящей через ось с и ось рубинового стержня. Когда включено электрическое поле, величина напряженности которого соответствует появлению двойного лучепреломления, так что разность хода составляет четверть длины волны, плоскость поляризации света, проходящего через ячейку дважды, изменяется на 90° относительно первоначального направления. В этом случае величина обратной связи недостаточна для генерации до тех пор, пока не будет достигнут значительно более высокий уровень возбуждения, чем тот, который необходим для генерации при отсутствии ячейки Керра.

Фиг. 20. Схема импульсного лазера. 1 - зеркало; 2 - рубин; 3 - ячейка Керра; 4 - электрическое поле

Чтобы получить отдельный мощный импульс, на ячейку Керра подается напряжение, затем включается импульсная лампа и спустя 0,5 мсек напряжение быстро (за 0,02 мксек) снимается с ячейки. Форма и длительность возникающего импульса воспроизводимы. Зависимость мощности от времени, полученная с помощью осциллографа, показана на фиг. 21. В первых экспериментах Хелворта и Мак Кланга с кристаллом рубина длиной 3 см и диаметром 0,9 см максимальная мощность составляла 600 квт. Эта величина сильно превышает максимальную мощность, полученную обычным методом на образцах того же размера, равную 6 квт. Чрезвычайно большая величина мощности, полученной этим методом, оправдывает выражение "гигантский импульс".

Фиг. 21. Осциллограмма излучения, выходящего из лазера. Маленький импульс перед фронтом импульса излучения показывает момент открытия затвора

Для ячейки Керра требуется постоянное напряжение около 10 кв при почти полном отсутствии тока. С целью обеспечения быстрого включения режим выбирается таким, что затвор закрыт, когда к ячейке приложено напряжение, и открыт, когда пластины ячейки замкнуты накоротко.

Предполагая, что затвор открывается мгновенно, Хелворт рассчитал постоянную времени нарастания гигантского импульса, которая приблизительно определяется соотношением

(10.1)

где t - время прохождения света между отражающими пластинами, а другие величины имеют тот же смысл, что и в (6.10). (Здесь, конечно, α сильно превосходит пороговое значение γ/L.) Значение τ порядка 0,04 мксек вполне согласуется с соотношением (10.1). Из фиг. 21 видно, что импульс излучения начинается спустя примерно 0,2 мксек после открытия затвора. Это запаздывание связано с величиной τ и может быть приближенно рассчитано.

Хелворт и Мак Кланг заменили два серебряных зеркала полностью непоглощающими многослойными диэлектрическими зеркалами, имеющими для излучения рубина коэффициенты отражения 0,75 и пропускания 0,25. Такая установка была выбрана с целью симметризации потока излучения, так как при этом обеспечивается выход когерентного излучения с обоих концов. Однако нет непосредственной необходимости следовать этому методу; один из концов может быть полностью непрозрачным.

Следует еще раз подчеркнуть, что здесь затвор не является "абсолютным" затвором, который устраняет режим генерации безотносительно к степени возбуждения. Этот затвор лишь увеличивает порог самовозбуждения лазера, и при достаточном уровне возбуждения усиление, необходимое для генерации, будет иметь место для любой поляризации. Однако после открытия затвора в этом случае генерация возникает при более высоком уровне возбуждения, чем в обычном лазере без затвора, и избыточное число возбужденных частиц быстро переходит на нижний энергетический уровень. Затвор, в котором между кристаллом и ячейкой Керра помещена призма Глена - Томсона, будет полностью непрозрачным для света в закрытом состоянии. Такой затвор, как и механический, позволяет увеличивать степень возбуждения по сравнению с затвором, в котором используется преимущественная естественная поляризация излучения рубина^*.

^* (Относительно действия механического затвора см. работу [94].- Прим. перев.)

Призма Глена - Томсона представляет собой усовершенствованный вариант классического поляризатора Николя. Она полностью пропускает свет, поляризованный в определенном направлении, и отклоняет свет, поляризованный в перпендикулярном направлении, который затем может быть поглощен. Механический затвор может состоять из вращающегося зеркала, принимающего необходимое для возникновения обратной связи положение только на короткое время. Его движение должно быть синхронизовано с началом вспышки так, чтобы открытие затвора происходило в момент высокого уровня возбуждения.

С призмой Глена - Томсона в качестве элемента, затвора на установке, описанной выше, Мак Кланг получил на рубине гигантские импульсы максимальной мощности 10 Мвт^*. Очевидно, что если затвор остается открытым после гигантского импульса и источник возбуждения продолжает работать в течение времени, достаточного для достижения нового порога самовозбуждения, то лазер будет давать обычные импульсы излучения, такие же, как и при отсутствии затвора. Следовательно, если необходимо, чтобы излучался только один импульс, затвор должен быть снова закрыт. К счастью, нет необходимости закрывать затвор очень быстро, поскольку после гигантского импульса время, в течение которого достигается новый порог самовозбуждения, составляет по крайней мере 10 мксек, что вполне достаточно для закрытия электрооптического затвора. Время достижения порога самовозбуждения после гигантского импульса зависит от энергии импульса; чем меньше энергия - тем пропорционально меньше требуется времени.

^* (В работе [100] сообщается, что получена мощность 15 Мвт при длительности импульса τ = 2*10^-8 сек.- Прим. ред.)

Для периодического изменения величины обратной связи генератора де Мария и Гагос [21] применили ультразвуковую ячейку, расположенную между рубиновым стержнем и одним из внешних зеркал. Попеременное сжатие и разрежение обусловливают периодическую структуру вещества ячейки. В результате этого происходит периодическое изменение показателя преломления вещества и возникает рассеяние света на ультразвуковых волнах, подобно рассеянию на оптических решетках. При этом степень рассеяния света изменяется в соответствии с изменениями коэффициента преломления в ультразвуковой волне. Обратная связь генератора максимальна, когда рассеяние равно нулю, и, следовательно, если порог самовозбуждения может достигаться за время, меньшее периода ультразвукового колебания, частота импульсов лазера должна превышать вдвое частоту ультразвуковой волны. Ультразвуковая ячейка, примененная де Мария, содержала в одном случае спирт, в другом - керосин. Возбуждение проводилось на частотах соответственно 122 и 158 кгц. Интенсивность выходящего излучения имеет удовлетворительную периодичность. В случае ячейки со спиртом, работающей на частоте 122 кгц, импульсы наблюдались с частотой, вдвое большей ультразвуковой частоты. В случае ячейки с керосином частота импульсов равна ультразвуковой частоте, т. е. 158 кгц.

Для модуляции величины обратной связи применялись также вращающиеся диски и зеркала. В этом случае были получены как отдельные импульсы, так и ряд периодических импульсов.

Полная энергия (на единицу объема), которую можно получить за импульс, равна произведению hv на величину изменения N₂, составляющую половину изменения величины N₂ - N₁. Степень возбуждения x можно определить следующим образом:

(10.2)

(В веществах, подобных рубину, можно пренебречь числом ионов в состоянии 3 и записать N₀ = N₁ + N₂.) Интенсивность излучения обычно нарастает до тех пор, пока не исчезнет весь избыток возбужденных частиц N₂ - N₁. Это означает, что вынужденное излучение не прекращается, пока обеспечивается условие самовозбуждения генератора. Таким образом, энергия, излучаемая в гигантском импульсе, равна

(10.3)

где V - объем рубина. Численно N₀hv = 4,65 ^дж/_см³ для 0,05% рубина (розового). Применение затвора не может увеличить энергию излучения лазера. Она ограничена, во-первых, энергией E_i, поглощенной из источника за полный цикл возбуждения, и, во-вторых, тем, что энергия, соответствующая состоянию N₂ = N₁ = N₀/2, не может быть использована в результате индуцированного излучения. Если предположить, что поглощенная энергия делится примерно поровну между полосами 4000 и 5600 Å, то уменьшению энергии при преобразовании в излучение 6943 Å будет соответствовать множитель

Следовательно, энергия излучения лазера за один цикл возбуждения не может превышать 0,675 E_i - 2,325 V, где последний член представляет ту часть, которая не может быть использована.

Следует еще раз отметить, что метод Хелворта и Мак Кланга для получения гигантских импульсов не дает выигрыша в энергии. Действительно, при использовании затвора полная энергия когерентного излучения, которую можно было бы получить с данным источником возбуждения, уменьшается. Однако максимальная мощность может возрасти на три порядка по величине, а длительность и форма импульса становятся вполне определенными^*.

^* (См. примечание ранее.- Прим. ред.)

Стич, Вудбери и Морзе [82] разработали другой метод получения коротких импульсов от рубина, излучаемых в заданный момент времени. В этом случае рубин освещается двумя импульсными лампами, первая из которых используется для возбуждения рубина до уровня, близкого к порогу самовозбуждения. После того как вторая лампа излучает короткий: импульс света, через 1 или 2 мксек рубин дает вынужденное излучение. Поскольку время жизни иона хрома на возбужденном уровне составляет несколько миллисекунд, то вторую лампу, вызывающую режим генерации, можно включать в интервале до 100 мксек после возбуждения системы первой лампой. Этот метод предварительного возбуждения получил название метода мгновенного включения (hair-trigger).

Фиг. 22. Регулярные пульсации излучения рубинового лазера. Временные шкалы: верхняя - 200 мксек/см; нижняя - 5 мксек/см. Шкала мощности - 5 квт/см

Обычно наблюдаемая в рубиновых генераторах хаотичность пульсаций мощности излучения вызвала многочисленные предположения, касающиеся причин их возникновения. Все теоретические работы предсказывают только регулярные пульсации. И действительно, при тщательно контролируемых условиях пульсации становятся регулярными. На фиг. 22 показаны результаты неопубликованного эксперимента Баденхагена и Д'Ханенса с рубиновым кристаллом чрезвычайно высокого качества и с многослойными диэлектрическими зеркалами. При комнатной температуре амплитуда импульса была около 50 квт и частота повторения 200 кгц. При уменьшении температуры амплитуда импульса достигает 100 квт и частота повторения 500 кгц. Осциллограмма, представленная на фиг. 22, была получена с рубином длиной 6,35 см и диаметром 1 см с 80%-ным отражающим покрытием на одном из концов.