Эталон Фабри-flepo

Поляризатор

Глухое

зернила 200мм

i ii Лазерный I Понкельса пучон б,53мнм

500мм

{удвоитель частоты)

Рис. 16.7. Возможная схема лазерного передатчика, использующего иеодимовый источник излучения с внешним модулятором

ночная продольная мода, при этом частота стабилизируется и легко перестраивается путем вращения эталона. Если далее в резонатор ввести материал с нелинейными оптическими свойствами, то может быть получено удвоение частоты с относительно малыми потерями общего КПД - приблизительно в 2 раза. Возможное устройство удвоения частоты также показано на рис. 16.7. Подходящим материалом оказался ниобат бария. Если все эти элементы собрать вместе, окажется вполне возможным получить приблизительно 1 Вт одномодового лазерного излучения на длине волны 0,53 мкм, используя для иакачки воль-фрамо-галоидную лампу мощностью около 1 кВт.

Модулировать частоту лазерного излучения в принципе возможно путем перестройки резонатора, однако на практике используется более простая внешняя модуляция интенсивности. Реализовать прямые методы модуляции интенсивности лазерного излучения не представляется возможным, во-первых, вследствие трудностей модуляции мощности оптической накачки и, во-вторых, из-за большого радиационного времени жизни верхних лазерных уровней. В схеме, изображенной на рис. 16.7, лазерные стержни срезаны под углом Брюстера, благодаря чему лазерное излучение становится линейно поляризованным: колебания будут поляризованы в основном в плоскости, перпендикулярной плоскости конца стержня,.так как только это излучение не испытывает потерь при oтpaжeниRнa границе раздела воздух - стержень. Будучи внешним по отношению к резонатору, излучение проходит вначале через ячейку Поккельса, с помощью которой плоскость поляризации может вращаться при приложении электрического напряжения к электрооптическому кристаллу из такого материала, как ниобат лития, а затем через поляризатор. В результате интенсивность излучения, выходящего из поляризатора, будет изменяться от О до 100 % в зависимости от напряжения, приложенного к ячейке Поккельса. Может быть использована как цифровая, так и аналоговая модуляция интенсивности излучения при частотах модуляции до 1 ГГц.

Заметим, что миниатюрный иеодимовый лазер можно сделать из короткого (длиной 1-2 см) оптического волокна, сердцевина которого

легирована неодимом. Такое волокно можно накачивать с торца с помощью светоднода большой мощности. Этот лазер рассматривают как возможный источник излучения для волоконно-оптических систем связи, работающих в области 1,06 мкм.

Во многих случаях удобно иметь лазер, генерирующий непрерывный поток импульсов большой мощности, который пропускается или не пропускается ячейкой Поккельса. Таким образом, пиковая мощность импульса может быть увеличена в 10 ... 100 раз относительно уровня средней мощности и может иметь место режим передачи с пассивной паузой.

Существуют три способа получения периодически повторяющихся импульсов лазерного излучения: активная модуляция добротности, пассивная модуляция добротности и синхронизация мод.

Активная модуляция добротности может быть использована для получения импульсов длительностью несколько микросекунд при частоте повторения в несколько килогерц. Для получения больиюй инверсии населенности при выключенном оптическом резонаторе используется оптическая накачка. Например, одно из зеркал может вращаться таким образом, что резонатор образуется только когда два зеркала параллельны и имеет место многократное отражение. Это должно происходить при пике инверсии населенности, когда энергия, запасенная в активной среде, быстро разряжается и формируется короткий импульс излучения.

Пассивная модуляция добротности позволяет гюлучить гораздо более короткие импульсы, чем активная модуляция добротности, обычно длительностью около 100 не, обеспечивая при это.м частоту повторения импульсов примерно 1 МГц. Здесь во время накачки выходное зеркало делается гюлностью отражающим, в результате чего энергия накачки запасается в резонаторе в виде излучения. Когда этот процесс достигает максимума, прозрачность выходного зеркала повышается от нуля до максимально возможного значения (в идеале до 100 %). После этого, в течение времени пролета нескольких фотонов, Тр (т,, 2 с, где / - оптическая длина резонатора) излучение испускается в виде одиночного импульса. При это.м вся запасенная в резонаторе энергия излучения «выводится» из него.

Синхронизация мод может исгюль.зоваться для получения субнано-секундных и.мпульсов с частотой повторения до 1 ГГц. Легче всего это достигается путем дополнительного включения в оптический резонанс нелинейного оптического материала вместо эталона. Он представляет собой насыщающийся поглотитель и производит так называемую пассивную синхронизацию мод. Насыщающийся поглотитель - это материал, прозрачность которого увеличивается с ростом интенсивности излучения. Естественно имеют место флуктуации интенсивности и излучение более высокой интенсивности испытывает большее усиление при двукратном прохождении в резонаторе, чем менее интенсивное. В результате энергия излучения образует одиночный импульс большой мощности, который колеблется внутри резонатора, многократно отра-

жаясь от его зеркал. Излучение имеет место во время отражения импульса от частично прозрачного зеркала. Здесь частота повторения импульсов зависит от времени пролета фотона в резонаторе и составляет с/2/. Точно такой же эффектможет быть получен путем модуляции потерь (или усиления) активной среды на частоте 211с. Это можно сделать, например, поместив в резонатор поляризатор и электрооптический кристалл и приложив к кристаллу напряжение этой частоты. Такой процесс называется активной синхронизацией мод. В этом случае длительность импульса т зависит от ширины полосы оптических частот, в пределах которой имеет место лазерная генерация, т. е. от ширины линии излучения лазерного перехода: Д/ = Де/Л. Приближенно т = 1/Д/. При комнатной температуре ширина линии излучения Nd*+ в АИГ составляет 180 ГГц, и хотя невозможно поддерживать оптическое усиление в пределах всей ширины линии, в режиме синхронизации мод можно получить длительность импульса менее 50 пс.

16.3.3. Лазерные источники излучения на углекислом газе

Другим лазерным источником излучения, который легко можно из-говить в виде, пригодном для использования в оптической связи, является четырехуровневый газовый лазер на углекислом газе, работающий на длине волны 10,6 мкм. Как и в большинстве газовых лазеров, верхний лазерный уровень заселяется прямо или косвенно за счет электронного возбуждения в газовом разряде. При низких давлениях, скажем, приблизительно 1/10 атмосферы (или 10*Па), может использоваться либо разряд, возбуждаемый постоянным током, либо радиочастотный тлеющий разряд. Самое важное заключается в том, чтобы получить однородный и непрерывный разряд во всем объеме активной среды. Для получения очень коротких лазерных импульсов (менее 1 не) были разработаны сложные методы накачки, связанные с использованием разрядов высокой мощности, а для получения очень высокой мощности в непрерывном режиме (более 100 кВт) - методы непрерывной накачки газового потока. В качестве источника излучения для целей связи самым подходящим оказалось компактное отпаянное устройство, способное давать от нескольких ватт до нескольких десятков ватт мощности в непрерывном режиме излучения в легко модулируемой форме. С этой целью был специально разработан конкретный тип волноводно-го лазера [16.41. Схематически его конструкция изображена на рис. 16.8. Перед рассмотрением некоторых особенностей этой конструкции остановимся на физических основах работы лазера на углекислом газе.

В большинстве лазеров на СО используется смесь углекислого газа, азота и гелия в пропорции приблизительно 1:2:3 соответственно. Существенную роль, которую играет азот в эффективном возбуждении верхнего лазерного уровня, можно видеть на упрощенной диаграмме электронных энергетических уровней, приведенной на рис. 16.9. Вверху диаграммы показан тип колебаний, связанный с рядом уровней.