Fizika | Lézerek » Veszteségek a rezonátorban

Veszteségek a rezonátorban Ahogyan a Fabry-Perot rezonátornál is láttuk, a rezonátorban számos veszteségforrás van, amelyek a rezonátorban tárolt intenzitást csökkentik. Stabil rezonátorban, amelyben a sugarak végtelen hosszú ideig bent maradnak, ideálisan végtelen hosszú ideig konzerválódik az energia. A gyakorlatban azonban az energia eltávozik, fokozatosan A kiürülés időállandóját hívjuk a rezonátor élettartamnak, τc, és azzal az időtartammal egyezik meg, amely alatt a rezonátorban tárolt energia e-ad részére csökken:  τ  I (τ ) = I 0 exp −   τc  A veszteségforrások között minden mechanizmus szerepel, amely energiát von el a rezonátorból: - a tükrök nem 100% reflexiója - a tükröző rétegek, tükör-szubsztrát és egyéb rezonátor-elemek abszorpciója - a diffrakciós veszteségek (ezekre még külön rezonátor feltételt is felírtunk) - szóródási veszteségek Fabry Perot rezonátor esetén

láttuk, hogy az egyes módusok kiszélesedése gyakorlatilag a veszteségek következménye volt, bár idealizált példánkban csak a tükrök nem 100% reflexióját vettük figyelembe, és ezekből számoltuk ∆ν1/2 értékét. Az élettartam és a félértékszélesség közötti összefüggés: 1 ≅ 2π ⋅ ∆ν 1 / 2 . τc Ugyanakkor a rezonátor-élettartam az az idő, amely alatt az elektromágneses tér a rezonátorban fölépül, ha az eredetileg üres volt. Egy konstans fénnyel megvilágítva ennyi az időállandója az exponenciális fölépülési folyamatnak, amely után az egyensúly beáll. Egy másik globális, a rezonátorra jellemző paraméterben a Q paraméterben, vagy jósági tényezőben szokták még összefoglalni a veszteségi folyamatok nagyságrendjét. A jósági tényező Q = 2*πteljes tárolt energia/egy ciklusban elveszített energia. A Q jósági tényező gyakorlatilag az egyes módusokhoz kötődik, minden egyes módusra más és más. A

módusfrekvencia függvényében: ν0 Q(ν 0 ) = , ahol a megfelelő módushoz tartozó félértékszélességgel kell osztani, bár ez ∆ν 1 / 2 alapesetben a frekvenciától nem függ. Ha az összes abszorpciós, diffrakciós és szóródásos rezonátor veszteséget besűrítjük egy αs paraméterbe, és az R1 és R2 tükrök reflexiós veszteségeit egy αr-be, amelyet egyenletesen osztunk el a rezonátor mentén, akkor a tárolt intenzitás egy ciklus alatt a következőképpen változik: I ciklus = I 0 ⋅ R1 R2 ⋅ e −α s 2 d = I 0 e − (α r +α s ) 2 d Kis veszteségek esetén a rezonátor Finesse-e π exp((α r + α s )d / 2) π ℑ= ≅ , 1 − exp(−(α r + α s )d ) (α r + α s )d a frekvenciákkal kifejezve ℑ= ∆ν szabad ∆ν szabad 2π ⋅ ν 0 , azaz ℑ = Q . Így Q a rezonátor veszteségekkel Q = . ∆ν 1 / 2 ν0 c(α r + α s ) 1 A spektrális szabad úthossz és a rezonancia-frekvencia abszolút-értékének aránya általában nagyon kicsi,

így a Q jósági tényező értéke nagyságrendekkel nagyobb a Finesse értékénél. Q=10^6 egy tipikus érték. Q kapcsolás Lézerek impulzusüzemű működésének egy tipikus esete a rezonátor jósági tényezőjének kapcsolása. Ezt általában egy kívülről, aktívan vezérelt kapcsolóval érjük el (aktív Qkapcsolás), de előfordulhat spontán is nemlineáris folyamatok következtében, vagy nemlineáris elem rezonátorba építésével (passzív Q kapcsolás). A Q kapcsolás mint aktív lézerműködési mód célja nagy energiájú rövid impulzusok, „óriás” lézerimpulzusok kinyerése a rezonátorból. Stacionárius működés során a veszteségek és erősítés egyensúlyban van a lézerben, így pontosan annyi energia távozik a kicsatoló tükrön keresztül, amely a rezonátoron belül az állandó teljesítményszint fenntartásához szükséges. Ha ez a rezonátor nagy veszteségei következtében egy alacsony energiaszinten áll be, a kilépő

teljesítmény is kicsi, és a pumpálás eredményeként a közeg erősítése nő, amelyet az alacsony teljesítményszintre beálló elektromágneses tér nem tud kiüríteni. Ha ilyen esetben hirtelen megszűntetjük a rezonátor veszteségeit, akkor egy megnövekedett teljesítményszinten áll be az egyensúly, és a hirtelen megnövekedő teljesítmény kiüríti az erősítő közegben felhalmozott erősítési tartalékot, és a megnövekedett teljesítmény megfelelő része a kicsatoló tükrön keresztül hagyja el a rezonátort egy nagyenergiájú impulzus formájában. Az impulzus hosszát az határozza meg, hogy mennyi erősítés, mekkora populáció inverzió volt felhalmozva a kapcsolás előtt, és mekkora volt a kapcsolás előtti és utáni jósági tényező különbség. Akkor eredményes a működés, ha a kapcsolás előtt akkora a veszteség, hogy be sem tud indulni a lézerműködés, így a populáció inverzió akadálytalanul akkumulálódhat a folyamatos

pumpálás hatására. A Q kapcsolóval gyakorlatilag mesterséges veszteséget viszünk be a rezonátorba (alacsony Q állapot), amellyel megakadályozzuk az erősítés kiürítését és a lézertér felépülését. Ez lehet abszorpciós veszteség (telítődő abszorbensek) vagy indukált diffrakciós veszteség (elektro, akusztooptikai Q-kapcsolók) vagy egyéb mechanizmus. A magas Q-jú állapotot a veszteség gyors kikapcsolásával vagy passzív esetben a nemlineáris küszöb hirtelen átlépésével érjük el. 2