26. Синхронизация мод лазера

В условиях свободной генерации световые пучки, создаваемые газовыми, жидкостными и твердотельными лазерами, обычно представляют собой хаотическую смесь различных поперечных и продольных мод. Под хаотичностью здесь имеется в виду отсутствие неизменных во времени фазовых соотношений между модами.

Иногда внутри лазерного резонатора устанавливают специальные селекторы мод (например, узкие диафрагмы, эталоны Фабри—Перо), которые позволяют сосредоточить всю излучаемую лазером энергию в одной моде.

Очень часто случается, что в обычном лазерном резонаторе существуют локальные резонаторы Фабри — Перо. Они препятствуют возбуждению некоторых мод, которые расположены в пределах эмиссионной линии данного перехода и могли бы возбудиться, если бы система не обладала селективными свойствами. Объясним это на примере широко распространенного резонатора рубинового или неодимового лазера. В системе, показанной на рис. 26,1, а, кроме основного резонатора длиной существуют локальные резонаторы, в которых длины оптического пути равны — показатель преломления стекла, n—активного элемента). Добротности локальных резонаторов невелики, так как коэффициенты отражения образующих их поверхностей (или одной из них) малы. Поскольку , а (для рубина), то коэффициенты отражения чистых поверхностей равны соответственно 4 и 8%. Добротности резонаторов между поверхностью одного из зеркал и торцом активного элемента, а также резонатора в выходном зеркале заметно выше, чем у остальных локальных резонаторов. Каждый резонатор обладает определенной полосой пропускания (отражения), поэтому

Рис. 26.1. Три примера лазерных резонаторов, в которых последовательно исключается действие локальных резонаторов. Утолщенными линиями обозначены отражающие или просветляющие диэлектрические покрытия.

совместное действие всех резонаторов может существенно ограничить число мод, возбуждающихся в системе. На рис. 26.1, б показана система, из которой частично исключены локальные резонаторы. На торцы активного элемента нанесены противоотражательные покрытия. Неактивные поверхности зеркал наклонены под углом около 1° к оптической оси системы.

В системе, изображенной на рис. 26.1, в, достигается полное исключение локальных резонаторов. Торцы активного элемента выполнены в виде окон Брюстера. В такой системе возникает многомодовая генерация со спектральной шириной, близкой к действительной ширине эмиссионной линии данного лазерного перехода.

Система, представленная на рис. 26.1, б, наиболее удобна для синхронизации мод (mode-locking), поскольку эффективность решения этой задачи возрастает с увеличением числа генерируемых мод. Под синхронизацией продольных мод лазера будем понимать некоторый модуляционный процесс, происходящий спонтанно (пассивная, или автосинхронизация) или под действием внешней вынуждающей силы (активная синхронизация); в результате этого процесса разности фаз между соседними модами остаются постоянными. Следовательно, разность фаз между произвольными модами также остается постоянной. Ниже мы будем рассматривать только продольные моды.