Исследование усилительных свойств активной среды СО2-лазеров, страница 4

где κус – насыщенный  коэффициент усиления, соответствующий величине ΔN < ΔN₀; κ₀ – ненасыщенный показатель усиления; Iν – спектральная плотность потока когерентных квантов; Is – параметр насыщения, который для СО₂-лазеров составляет порядка 10⁶ Вт/м².

         На практике показатель усиления активной среды определяют путем подачи на вход усилителя слабого оптического сигнала, плотность которого  Iν << Is. Прирост мощности когерентного излучения ΔP, возникающий в активной среде протяженностью L при однократном прохождении потока квантов, определяется коэффициентом усиления за один проход

где Рyc – мощность оптического сигнала на выходе усилителя; Pвх – мощность входного оптического сигнала; κус – показатель усиления активной среды, м^–1; κпогл – показатель поглощения активной среды, который для газов можно считать нулевым. Тогда из (1.1)

         С учетом эффекта насыщения очевидно, что показатель усиления будет уменьшаться по мере распространения излучения вдоль активной среды. Поэтому значение κус, определяемое по экспериментальным данным с помощью выражения (1.2), является усредненным по длине активной среды. Автоматически усреднение происходит и по сечению области взаимодействия потока квантов с активной средой.

         Следует обратить внимание на существенное различие процессов насыщения в оптическом усилителе и в оптическом генераторе (лазере). В усилителе режим насыщения определяется при прочих равных условиях плотностью мощности входного оптического сигнала. В лазере после установления стационарной генерации значение насыщенного показателя усиления однозначно определяется уровнем потерь излучения в оптическом резонаторе. Оно может быть рассчитано из пороговых условий генерации

где ρ1 , ρ2 – коэффициенты отражения зеркал резонатора.

         Описание лабораторной установки. Установка (рис. 1.1) состоит из отпаянного СО₂-лазера с максимальной мощностью излучения 5 Вт, установленного соосно с лазером СО₂-усилителя, блоков питания с регулируемыми выходными напряжениями (до 10 кВ), фотоприемных и регистрирующих устройств, оптических элементов, обеспечивающих пространственное ограничение и регулировку мощности зондирующего лазерного пучка. Разрядная трубка СО₂-усилителя изготовлена на базе активного элемента серийного лазера ЛГН-705. Торцы разрядной трубки усилителя с двух сторон закрыты окнами из арсенида галлия, расположенными под углом Брюстера к оптической оси. Усилитель может заполняться различными активными смесями на основе углекислого газа. Ток Iл СО₂-лазера и ток Iус СО₂-усилителя контролируются с помощью встроенных в блоки питания стрелочных миллиамперметров mА-1 и mА-2. Токи лазера и усилителя регулируются посредством лабораторных автотрансформаторов ЛАТР-1 и ЛАТР-2.

Апертурная диафрагма Д ограничивает диаметр лазерного зондирующего пучка и исключает касание пучком стеклянных стенок разрядной трубки усилителя. Часть мощности лазерного пучка с помощью светоделительной пластины СП из NaCl ответвляется в измерительный канал, содержащий радиационный термоэлемент РТЭ-1. Выходной сигнал РТЭ-1, пропорциональный  мощности излучения лазера Рл, измеряется в относительных единицах цифровым вольтметром ЦВ-1 и самопишущим прибором, снабженным усилителем. Прогрев газоразрядной трубки и оптических элементов после включения СО₂-лазера сопровождается замедляющимся во времени изменением длины резонатора, соответствующим тепловым дрейфом продольных мод в пределах контура усиления, а следовательно, и изменением мощности генерации. Установление теплового равновесия лазера может затягиваться на часы. Поведение мощности Рл = f(t) излучения лазера в переходной период фиксируется на диаграммной ленте самопишущего прибора.