27. Получение и измерение сверхкоротких импульсов света

В предыдущей главе мы рассмотрели явление синхронизации мод лазера. Лазерное излучение в режиме синхронизации мод представляет собой цуги сверхкоротких импульсов (пичков), которые следуют друг за другом с интервалом, равным двойному времени пробега света через резонатор. В данной главе рассмотрены важнейшие экспериментальные результаты по синхронизации мод газовых, жидкостных и твердотельных лазеров, а также методы измерения длительности пикосекундных импульсов света.

§ 1. СИНХРОНИЗАЦИЯ МОД ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ, РАБОТАЮЩИХ В НЕПРЕРЫВНОМ РЕЖИМЕ

Синхронизацию мод в Не — Ne-лазере впервые осуществили Харгроув, Форк и Поллак в 1964 г. [1]. Они применили упомянутый в предыдущей главе ультразвуковой модулятор, который изменял добротность резонатора с частотой где — длина резонатора.

Таблица 271. (см. скан) Результаты синхронизации мод в Не — Cd-лазере [2]

Рис. 27.1. (см. скан) Осциллограммы излучения Не — Cd-лазера в режиме синхронизации мод [2].

Разность частот между соседними продольными модами составляла 53 МГц; а изотоп — природный кадмий (преимущественно в — специальная «широкополосная» смесь. Из-за малого разрешения детектора четкость снимка в недостаточна.

При синхронизации мод лазера, работающего в непрерывном режиме, цуг импульсов света, поступающих на детектор, не ограничен во времени. Поскольку ширина линии Не — Ne-лазера, работающего в видимой (красной) области спектра, составляет около то в соответствии с выражением (26.9) полуширина отдельного пичка составляет что хорошо согласуется с результатами работы [1].

Потенциальные возможности синхронизации мод газовых лазеров

Рис. 27.2. Осциллограммы оизлучения Не — Cd-лазера (X—4416 А) в режимах полной (а) и частичной (б) синхронизации мод, а также при свободной генерации (в) [2].

мы обсудим здесь на примере более поздней работы Сильваста и Смита [2], выполненной в 1970 г. Указанные авторы исследовали синхронизацию мод в Не — Cd-лазере, работающем в фиолетовой и ультрафиолетовой областях спектра.

Для модуляции потерь резонатора был применен ультразвуковой модулятор (см. рис. 26.3, б). Поскольку полуширина импульса обратно пропорциональна ширине спектра лазерной генерации, в качестве рабочего вещества была выбрана смесь изотопов, обеспечивающая максимальную ширину спектра.

В табл. 27.1 представлены результаты работы [2]. В зависимости от активного вещества (кадмий природного состава, изотоп или специальная смесь: ширина спектра генерации составляла от 750 до 7600 МГц. Самые короткие импульсы из цуга имели длительность при максимальной мощности 1,6 Вт. Ранее Фокс и др. [3] получили импульсы с минимальной длительностью от Не — Ne-лазера . Импульсы длительностью были получены в результате синхронизации мод аргонового лазера. Особенно удобна смесь Не — Cd, поскольку кадмий имеет шесть стабильных изотопов с четными номерами. В результате изотопического эффекта уширение их эмиссионных полос больше, чем доплеровское уширение. Последнее составляет для линии 4416 А около 1100 МГц, в то время как смесь различных изотопов кадмия может обеспечить ширину спектра генерации до 8000 МГц. Хотя коэффициент усиления света в такой смеси несколько уменьшается (от 15 до 5%), он достаточен для установки

в резонатор модулирующего элемента и получения весьма стабильной синхронизации мод.

Эксперимент проводился с разрядной трубкой длиной 200 см и диаметром 0,35 см (при токе разряда 140 мА). Кварцевый модулирующий элемент был наклонен под углом Брюстера к направлению распространения светового пучка и располагался вблизи одного из зеркал резонатора. Полная длина резонатора составляла 283 см. Кривизна зеркал выбрана такой, чтобы в системе возбуждалась низшая поперечная мода. Частота модуляции кварца была равна 53 МГц, что в точности соответствовало величине, обратной времени прохода света через резонатор. «Расстояния» между соседними пичками составляли 18,8 не. На рис. 27.1 и 27.2 проиллюстрирована работа Не — Cd-лазера в режимах полной и частичной синхронизации, а также в условиях свободной генерации.

Получение импульсов длительностью меньше долй наносекунды с помощью синхронизации мод газовых лазеров невозможно, так как эти лазеры обладают слишком малой шириной спектра генерации.