§ 2. СИНХРОНИЗАЦИЯ МОД ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ

Первые эксперименты по синхронизации мод рубинового лазера выполнили в 1963 г. Гюрс и Мюллер [4], а затем Дойч [5]. Дойч осуществил синхронизацию мод в пределах одного лазерного импульса длительностью 1 мкс. Поскольку удалось синхронизовать небольшое число мод, самые короткие импульсы из серии имели длительность около 1 не. Ди-Доменико и др. [6] получили импульсы длительностью при синхронизации мод лазера на YAG : Nd3+. Работы Ди-Доменико и др., а затем Де Марии и др. [7, 8] ознаменовали собой начало нового этапа в исследованиях по получению коротких импульсов света, поэтому мы рассмотрим указанные работы несколько подробнее.

На рис. 27.3 показана лазерная система для генерации пикосекундных импульсов света [61. Непрерывная оптическая накачка активного элемента лазера на YAG : Nd3+ осуществлялась с помощью вольфрамоиодных ламп накаливания. Для уменьшения расходимости пучка из-за тепловых эффектов в активном элементе одно из зеркал резонатора было сделано вогнутым. С помощью подвижного зеркала длина резонатора подбиралась так, чтобы разность частот между двумя соседними продольными модами была точно равна частоте модуляции. Как видно из рис. 27.3, система не содержит локальных резонаторов, поэтому число одновременно генерируемых мод может быть очень велико. Ультразвуковой модулятор из плавленого кварца играл роль дифракционной решетки. Пьезоэлектрическое возбуждение осуществлялось на пятнадцатой гармонике основного колебания кварца (около 10 МГц).

Рис. 27.3. Схема установки для получения и исследования пикосекундных импульсов (пичков) света [6]: 1 — диэлектрическое зеркало, мкм; 2 — ультразвуковой модулятор, 3 — пьезоэлектрический преобразователь, 4 — подвижное зеркало, 5 — фотодиод, 6 — стробирующий осциллоскоп, 7 — спектроанализатор, 8 — интерферометр Фабри — Перо, 9 — фотоумножитель, 10 — осциллограф, 11 — фильтр на длину волны 0,5 мкм, 12 — фотоумножитель, 13 — вольтметр.

Таким образом, потери в резонаторе были промодулированы с частотой 300 МГц. Сигналы лазера анализировались с помощью осциллографов и спектроанализаторов. Часть лучистой энергии направлялась также на нелинейный кристалл в котором происходило возбуждение второй гармоники света.

Лазер работал на одной поперечной моде, в полосе которой помещалось несколько десятков продольных мод. На рис. 27.4 представлены результаты спектрального анализа излучения лазера, работающего: а) в условиях свободной генерации, б) в режиме полной синхронизации мод (при длине резонатора ). Кроме продольных мод, отстоящих друг от друга на 300 МГц, зарегистрировано несколько значительно более интенсивных мод, разность частот между которыми составляла Факт увеличения мощности этих мод трудно объяснить. В режиме синхронизации мод амплитуды отдельных мод в спектральном интервале около заметно выровнялись. С помощью стробирующего осциллоскопа исследовано развитие лазерного излучения

Рис. 27.4. Спектры излучения лазера на полученные с помощью регистрирующего интерферометра Фабри — Перо 16]: а — в условиях свободной генерации, б - в режиме синхронизации мод.

во времени. Излучение представляло собой цуг импульсов с интервалом не между ними.

В начале 1966 г. еще не существовало методов измерения длительности пикосекундных световых импульсов. Поэтому авторы [6] оценили длительность полученных импульсов как величину, обратную ширине спектра: Косвенным образом длительность одиночного светового импульса можно оценить по возбуждению второй гармоники света, поскольку этот процесс зависит от фаз отдельных мод. С помощью этого метода в [6] было получено значение что очень хорошо согласуется с оценкой, приведенной выше.

В последующие годы методы синхронизации мод в лазере на YAG : Nd3+ были усовершенствованы. Басс и Вудворд [9] наблюдали самосинхронизацию мод лазера этого типа, работавшего в режиме гигантских импульсов. Наносекундные импульсы длительностью 40 не получались с помощью электрооптической ячейки Поккельса. Чтобы обеспечить возбуждение возможно большего числа мод, на все поверхности оптических элементов резонатора были нанесены противоотражательные покрытия, что уменьшало отражательную способность этих поверхностей на длине волны

1,06 мкм до 2%. Излучение лазера представляло собой цуг импульсов длительностью с интервалом между ними Эмиссионная линия YAG : Nd3+ в отличие от линии для неодимового стекла однородно уширена, поэтому число одновременно возбуждающихся мод в лазере на YAG : Nd3+ много меньше, чем в неодимовом лазере.

Синхронизация мод в лазере на YAG : Nd3+ становится более эффективной, если ввести внутрь резонатора пассивный элемент (раствор красителя). В эксперименте Клобеса и Бриенцы [10] была осуществлена очень хорошая синхронизация мод в лазере на YAG: Nd3+, работавшем в режиме повторяющихся импульсов. Для возбуждения лазера использовались ксеноновые импульсные лампы (40 Дж, 10 мкс) с частотой вспышек 40 в секунду. Краситель находился в узкой ячейке толщиной 11 мм. Это был ныне хорошо известный краситель № 9740 фирмы «Кодак», растворенный в

хлор-бензоле. Каждая вспышка лазера представляла собой цуг импульсов с полной синхронизацией. Длительность серии составляла от 10 до 80 не, а одного пичка — от 20 до 25 пс.

В 1966 г. Де Мария с сотрудниками [7, 8] разработали очень эффективный способ синхронизации мод импульсного неодимового лазера. Эти работы стимулировали развитие методов синхронизации мод, или, иными словами, методов получения пикосекундных импульсов света. Большая ширина эмиссионной линии неодимового лазера (несколько десятков ангстрем) обеспечивает возможность одновременного возбуждения примерно 104 мод (см. гл. 26). Это создает чрезвычайно выгодные условия для синхронизации мод и уменьшения длительности отдельного импульса примерно до Как мы уже отмечали выше, эмиссионная линия неодимового лазера состоит из ряда однородно уширенных линий, которые дают в сумме широкую, неоднородно уширенную линию. В работе 1966 г. Де Мария и др. [7] применили резонатор с брюстеровским активным элементом и внешнюю модуляцию потерь с помощью ультразвуковой волны, распространяющейся в кварцевом бруске. Точная «настройка» на частоту модуляции осуществлялась с помощью прецизионного перемещения одного из зеркал.

Значительно более простой была система, описанная в следующей работе Де Марии и др. [8]. Вместо внешней, активной модуляции здесь применен пассивный модулятор в виде раствора соответствующего красителя.

В настоящее время усовершенствованный вариант этой системы (рис. 27.5) широко используется для генерации пикосекундных импульсов света. Размещение красителя в непосредственном соседстве с зеркалом обеспечивает наиболее эффективную синхронизацию мод и отсутствие умножения числа импульсов в цуге. Если ячейка с красителем удалена от зеркала резонатора, неизбежно появляется несколько импульсов с временным интервалом между ними (см. работы [16, 17] из списка литературы к гл. 26). В резонаторе,

Рис. 27.5. Схема лазерного резонатора, в котором краситель находится в непосредственном контакте с многослойным диэлектрическим зеркалом Толщина слоя красителя обычно составляет доли миллиметра. Все плоские поверхности (за исключением зеркал) наклонены под некоторым углом к оптической оси системы, чтобы избежать образования локальных резонаторов Фабри — Перо.

Рис. 27.6. Осциллограммы серий пикосекундных световых импульсов (пичков), полученные при синхронизации мод в рубиновом лазере с окнами Брюстера: а — раствор криптоцианина в контакте с выходным зеркалом, временной масштаб — 250 нс на всю шкалу; б - то же, но временной масштаб - 50 пс; в и г - в резонаторе лазера установлена ячейка с , которая благодаря оптическому эффекту Керра обеспечивает связь между продольными модами лазера. Видны результаты хорошей синхронизации мод. Однако за время пички генерируются многократно. Временной масштаб — 500 не на всю шкалу (отдел квантовой электроники Института физики Университета им. Адама Мицкевича.)

изображенном на рис. 27.5, просветление красителя падающим или отраженным импульсом происходит практически в один и тот же момент времени. Установлено, что главную роль в синхронизации мод играет тонкий слой красителя, непосредственно прилегающий к зеркалу. Толщина этого слоя может составлять несколько микрон.

На практике для генерации пикосекундных импульсов света большой мощности, как правило, применяют неодимовый лазер. Рубиновый лазер работает нестабильно из-за относительно малой ширины эмиссионной линии, а длительность одного пичка в цуге равна нескольким десяткам пикосекунд. Для иллюстрации на рис.

27.6 приведены осциллограммы нескольких цугов пикосекундных импульсов, полученных с помощью рубинового лазера.