Modeling of generation dynamics of passively and actively Q‐switched solid‐state lasers

Abstract

A theoretical model for simulation of generation dynamics of microchip lasers is presented. A number of physical effects influencing generation of microchip lasers that are usually omitted are accounted. Results of theoretical calculations are in good agreement with experimental data.

Kietakūniai lazeriai su pasyvia ir aktyvia kokybes moduliacija naudojami ivairiose mokslo ir technikos srityse. Tarp kietakūniu lazeriu plačiausiai naudojami iki šiol yra lazeriai Nd:YAG pagrindu. Pasyvi kokybes moduliacija yra paprasčiausias kokybes moduliacijos būdas. Todel Cr⁴⁺: YAG ir giminingu kristalu isisotinimo mechanizmai plačiai tyrinejami. Naudojant keturiu lygmenu modeli su greita relaksacija, gautos paprastos analizines išraiškos isisotinančiai sugerčiai. Tačiau toks modelis neleidžia iskaityti skirtumo tarp na‐nosekundiniu ir pikosekundiniu impulsu, naudojamu eksperimentuose, ir gausinio intensyvumo pasiskirstymo pluošto skerspjūvyje. Šiame darbe siūlomas patobulintas modelis Cr⁴⁺: YAG sugerties skerspjūviu nustatymui.

Parodyta, kad turi būti iskaityti šuoliai tarp sužadintu singletinio ir tripletinio lygmenu penkiu lygmenu schemoje, siekiant iskaityti skirtingas žadinančiu impulsu trukmes. Siūlomo modelio lygtyse atsižvelgta i žadinančio pluošto difrakcija, todel tinkamai aprašomas sufokusuoto pluošto sklidimas isisotinančiame sugeriklyje. Skaitmeniniam lygčiu sistemos sprendimui naudotas atskyrimo pagal fizikinius daugiklius būdas. Taikytas atskyrimo būdas tenkina tvermes desnio diferencialiniam uždaviniui baigtiniu skirtumu analoga. Šiame darbe pateiktas sugeriklio modelis igalina detalu impulsu su sudetinga erdvine‐laikine struktūra pralaidumo dinamikos modeliavima.

Neseniai pademonstruoti miniatiūriniai mikrolazeriai Nd pagrindu su pasyvia kokybes moduliacija, kuriu rezonatoriaus ilgiai yra milimetru eiles ir kurie kaupinami lazeriniais diodais. Šie irenginiai generuoja impulsus, kuriu pasikartojimo dažniai kilohercu eiles ir kuriu trukmes siekia 100ps. Ju generacija stabilesne negu daugelio sistemu su modu sinchronizacija. Lazeriu su pasyvia kokybes moduliacija trūkumas yra žymi impulso pasirodymo momentu sklaida, veikiant impulsu serijos generacijos režime. Gerai žinoma, kad lazeriai su kombinuota aktyvia ir pasyvia kokybes moduliacija pasižymi žymiai mažesne laikine sklaida. Šiame darbe siūlomas teorinis modelis kieto kūno mikrolazeriu su kokybes moduliacija ir nuolatiniu diodiniu kaupinimu generacijos modeliavimui, atsižvelgiant i apatinio darbinio lygmens baigtine gyvavimo trukme, sugerti iš sužadintos būsenos isisotinančiame sugeriklyje, savaiminio spinduliavimo ir kaupinimo energijos fluktuacijas, isisotinančio kristalinio sugeriklio kristalografiniu ašiu orientacija spinduliuotes poliarizacijos atžvilgiu ir pan. Parodyta, kad rezultatai, gauti naudojant ši modeli, gerai sutampa su žinomais eksperimentiniais rezultatais.