Lazerio kokybės moduliavimo veika

Lazerio kokybės moduliavimo veika – tai milžiniškųjų impulsų generavimas keičiant rezonatoriaus naudinguosius nuostolius, naudojant tam tikrus moduliatorius (užtūras), kurių pagalbą yra sukūriamą milžiniška "elektronų griūtis" sukurianti Gauso tipo impulsą.

Lazerio kokybės moduliavimo veika (Milžiniškųjų impulsų generavimas) 

Lazerio kokybės moduliavimo veikai būdingas milžiniškųjų impulsų generavimas. Šios metodikos dėka pavyksta generuoti didelės galios, daug kartų viršijančios to paties lazerio generuojamą galią nuostovia veika, šviesos impulsus. Kokybės moduliavimo esmę sudaro (rezonatoriaus) kokybės moduliatorius, kuris per įmanomai trumpa laiką pakeičia rezonatoriaus kokybę. Tarkime, kad toks moduliatorius (užtūra) patalpintas rezonatoriuje, kuris esant kaupinimui yra „uždarytas“, t. y. rezonatoriuje palaikoma žema kokybė (dideli nuostoliai). Nesant generavimo,   sukuriama didelė inversija (užpildos apgrąža), kuri daug kartų viršija slenkstinę užpildos apgrąžos vertę. Suprantama, kad užpildos apgrąža, net ir nesant generavimo, apibrėžtu laiko momentu pasiekia sotį dėl savaiminio spinduliavimo ir kitų nuostolių rezonatoriuje. Jei šituo momentu sumodeliuojama rezonatoriaus kokybė (pagerinama), tai, stiprinimo koeficientui viršijus slenkstinę vertę, reikalingą generacijai pasiekti, spinduliuojamas šviesos lauko intensyvumas sparčiai auga,,,šluodamas“ užpildos apgrąžą. Taigi didžioji dalis energijos, sukauptos rezonatoriuje, bus spinduliuojama per labai trumpą laiką vadinamojo milžiniškojo impulso pavidalu.

Kokybės moduliavimo metodai  
Kokybės moduliavimo metodai skirstomi į pasyviuosius, valdomus paties lauko spinduliuotės, ir aktyviuosius, kai rezonatoriaus kokybė keičiama pagal tam tikrą dėsnį ar nustatytu laiko momentu. Kokybės moduliatorius gali būti mechaninis prietaisas (pvz. užtūros), akustooptiniai arba elektrooptiniai moduliatoriai, pagaliau ir įsisotinantys sugėrikliai. Paprasčiausių (mechaninių-optinių) moduliatorių perjungimo sparta yra 10-6-10-7. Tačiau, įvertinę fotono gyvavimo trukmę realiame  rezonatoriuje, randame τc~10–100 ns, t. y. tokia moduliatorių perjungimo sparta yra per lėta. Elektrooptiniai ir akustooptoniai moduluatoriai yra kur kas spartesni.

Mechaniniai moduliatoriai 
Pirmą kartą lazerio kokybės moduliavimo veika buvo gauta rezonatoriaus kokybės perjungimui panaudojus besisukančius veidrodžius. Tuo tikslu heksagoninė veidrodžių sistema buvo pastatyta taip, kad sukant ją apie savo ašį, po kiekvieno šeštadalio apsisukimo vienas veidrodžių tapdavo lygiagretus su išvadiniu rezonatoriaus veidrodžiu.Tačiau naudojant plokščius veidrodžius tokią mechaninę užtūrą realizuoti yra sunku, nes besisukančio veidrodžio sukimosi ašis turi būti orentuota lygiagrečiai su išvadiniu veidrodžiu didesniu nei dalys miliradijano tikslumu. Dideliu greičiu sukant masyvią mechaninę sistemą, sunku suvaldyti kylančią vibraciją, tuo pačiu ir užtikrinti rezonatoriaus veidrodžių lygiagretumą. Be to, šios sistemos generuojamų impulsų energijai stabilizuoti reikia papildomos kaupinimo blykstės sinchronizacijos su veidrodžio sukimusi. Dėl minėtų priežasčių ir dėl sistemoje naudojamų guolių trumpo darbo laiko bei jų keliamo triukšmo tokios sistemos dabartiniu metu praktiškai nenaudojamos.

Akustooptinės moduliatoriai 

Dažniausiai naudojami kvarco kristalai. Prie kristalo prijungiamas pjezoelektrinis keitiklis, verčiantis elektrinius svyravimus akustiniais. Keitiklio įtampa palaikoma, kol aktyvus elementas (lazerinis stiprintuvas) yra kaupinamas. Todėl lazerio spindulys efektyviai sklaidomas dėl Brego difrakcijos ant kuriamos kristale akustinės bangos. Nuėmus įtampą, difrakcija išnyksta ir, rezonatoriaus kokybei pagerėjus, generuojamas milžiniškais impulsas. Paprastai naudojama tokia lazerio schema, kad akustooptinis moduliatorius yra talpinamas lazerio pluošto sąsmaukoje, kur pluošto diametras yra mažiausias. Pasiekiama perjungimo trukmę tp ≈ 300 ns  .

Dažnai pasitaikantis moduliatoriai:

Lydytas kvarcas (SiO2)
Telūro dioksidas (TeO2)
 Ličio niobatas (LiNbO3)

Elektrooptinis moduliatorius  
Toks moduliatorius (valdoma užtūra) realizuojamas elektriniu lauku indukuojant kristale dvejopą lūžį. Užtūros veikimas pagrįstas elektromagnetinio lauko poliarizacijos sukimu, todėl rezonatoriuje turi būti patalpintas poliarizuojantis elementas, kuriuo gali būti Briusterio kampu nupjauti stiprinimo elemento kraštai. Pradiniu momentu prijungus įtampą, moduliatoriuje poliarizaciją galima pasukti taip, kad atsispindėjusios nuo veidrodžio spinduliuotės poliarizatorius nepraleistų. Iš tiesų, jei įtampą parinkta tokią, kad sukuriamas lauko fazės poslinkis būtų π/4, tai du kartus per moduliatorių perėjusios spinduliuotės poliarizacija pasikeis iš lygiagrečios į statmeną ir laukas būtų slopinamas. Tokiu būdu pasiekiama žema rezonatoriaus kokybė pradiniu momentu, kol energija kaupiama aktyviame elemente. Įtampą išjungius, poliarizacijos sukimo, tuo pačiu ir spinduliuotės nuostolių, nėra. Todėl, pagerėjus rezonatoriaus kokybei, spinduliuojamas milžiniškas impulsas. Moduliatoriaus perjungimo sparta gali siekti tp≈ 10–9 s

Naudojami kristalai, kaip elektrooptinės užtūros:

 LiNbO3 
 LiTaO3
 GaAs
 KD2PO4

Pasyvūs moduliatoriai 

Pasyviam kokybės modeliavimui naudojamos šviesą sugeriančios medžiagos, kurioms būdinga sugerties sotis, t. y. esant apibrėžtam rezonatoriuje pasiekiamam intensyvumui, jų sugertis, veikiant lazerio spinduliuotei, sumažėja arba išnyksta. Taigi, pradiniu laiko momentu, kol kaupiama energija, dėl vyraujančios sugerties rezonatoriaus kokybė yra žema. Tačiau, sukaupus čia pakankamą fotonų kiekį, sugeriklis praskaidrėja ir rezonatoriaus kokybė staiga pagerėja. Pasyviuosiuose moduliatoriuose sugėrimo skerspjūvis turi būti didesnis už aktyvios aplinkos stiprinimo skerspjūvį. Priešingu atveju visa spinduliuotė sugeriama ir skaidrėjimas nepasireiškia. Be to, pasyvaus moduliatoriaus relaksacijos trukmė turi būti trumpesnė, nei užpildos apgrąžos gyvavimo trukmė. Lazeriuose generuojančiuose 690-1320 nm srityje, kaip pasyvūs moduliatoriai yra naudojami organiniai dažalai, spalviniai centrai, spalvoti stiklai, IAG ar GSGG kristalai su keturvalenčiu chromu (Cr+4). IAG:Er lazerio moduliavimui 2900 nm diapazone buvo panaudotas vanduo, turintis toje srityje virpėjimo sugerties juostą.  

Dažnai Naudojami kristalai:

 LiF
 NaF
 CaF2–Na

Šaltiniai