Одномодовый и многомодовый режимы генерации.

Теория идеальных резонаторов устанавливает, какие типы электромагнитных колебаний в принципе могут существовать в резонаторе. Вопрос о том, какие волны реально будут генерироваться и какое будет соотношение между амплитудами различных типов колебаний, выходит за рамки этой теории. Чтобы определить модовый состав генерируемого излучения, необходимо при решении уравнений Максвелла учесть

нелинейные оптические свойства активной среды (зависимость от ) и выход излучения за пределы резонатора. Задача эта весьма сложная и решается обычно приближенно.

В двух крайне идеализированных случаях картина генерации представляется в следующем виде. Предположим, что генерируемое излучение не оказывает обратного действия на активную среду. Коэффициент усиления полностью определяется спектроскопическими свойствами вещества и накачкой. Тогда генерация мод будет происходить независимо друг от друга. С ростом накачки процесс генерации будет распространяться на все новые и новые моды. Генерировать будут все моды, для которых коэффициент потерь меньше или равен коэффициенту усиления.

В другом крайнем случае после возникновения генерации на одной или нескольких модах вся избыточная над порогом энергия возбуждения трансформируется в энергию излучения этих мод. Генерируемое излучение вызывает интенсивные вынужденные переходы и препятствует увеличению уровня инверсной населенности. После начала генерации коэффициент усиления остается постоянным при всех интенсивностях возбуждения, превышающих порог, а число генерируемых мод не изменяется.

Опыты доказывают, что реальная картина генерации заключена между этими крайними случаями. Действительно, часто генерация возникает на одной моде. С ростом накачки интенсивность этой моды быстро растет. До поры до времени она подавляет генерацию других мод. Однако подавляет не полностью. При дальнейшем увеличении накачки в спектре генерации появляется вторая мода, затем третья

На рис. 117 приведены спектры спонтанного и стимулированного испускания GaAs инжекционных гомолазеров при различных значениях тока инжекции. Если то наблюдается только широкая полоса люминесценции (рис. 117, а). При на фоне этой полосы возникает первый пичок стимулированного испускания (рис. 117, б). С ростом накачки его интенсивность быстро увеличивается. Высота пичка становится на несколько порядков больше максимума полосы люминесценции. Поэтому на рис. 117, в, где масштаб по оси ординат уменьшен во много раз по сравнению с масштабом рис. 117, б, контур полосы люминесценции приближается к оси абсцисс. Когда плотность тока превышает порог в 1,1 раза, спектр генерации состоит уже из двух мод. В дальнейшем генерация становится многомодовой.

Основные причины многомодового характера генерации сводятся к следующему. Во-первых, каждая мода имеет присущие только ей пространственную неоднородность и

специфическую локализацию в активной среде. Ни одна из мод не может снимать энергию со всей активной среды. Даже если какой-либо тип колебаний охватывает всю активную среду, внутри резонатора устанавливаются стоячие волны с узлами и пучностями. Участки активной среды, расположенные в узлах волны, практически не отдают своей энергии генерирующей моде. Уровень инверсной населенности таких участков с ростом накачки повышается. Поэтому создаются благоприятные условия для генерации других типов волн, пучности и узлы которых иначе локализованы в пространстве. В инжекционных лазерах часто генерируют отдельные нити активной среды (см. рис. 110). Ясно, что в этом случае мода, генерирующая в одной нити, не может подавить генерацию мод в других нитях.

Во-вторых, генерирующая мода может хотя бы незначительно «прожечь дырку» в спектре усиления (см. рис. 75), так что коэффициент усиления для соседних в спектре мод станет больше, чем для генерирующей.

В третьих, из-за ряда причин, рассматриваемых в § 24, процесс генерации во времени всегда носит пичковый характер. Даже в условиях непрерывной генерации в целом время генерации отдельной моды сравнительно невелико. Срыв генерации на одной моде способствует появлению генерации на других модах.

Рис. 117. Спектры люминесценции и генерации GaAs лазерного диода, полученные В. А. Самойлюковичем и Г. И. Рябцевым при (длина диода ширина ; в

В предыдущем параграфе было показано, что после преодоления порога мощность люминесценции инжекционных лазеров продолжает расти с увеличением тока инжекции (см. рис. 109). Следовательно, не только одна мода, но даже все генерирующие моды в целом не могут полностью стабилизировать уровень инверсной населенности. Хотя и значительно медленнее, чем до порога генерации, но неуклонно коэффициент усиления активной среды с увеличением накачки продолжает расти, что неизбежно приводит к появлению новых генерирующих мод.

Если генерация возникла вначале на частоте то для этой частоты кус Для всех остальных мод с частотами справедливо неравенство

Чем меньше отношение (22.12), тем труднее получить генерацию на второй моде, если первая мода уже генерирует.

В системах с дискретными уровнями энергии (газовых и твердотельных лазерах) коэффициент усиления выражается функцией с достаточно острым максимумом. Поэтому проще осуществить одномодовую генерацию в резонаторе с неселективными потерями, т. е. при практически одинаковом для всех частот в пределах полосы усиления. В лазерах на растворах сложных молекул и в полупроводниковых ОКТ коэффициент усиления выражается плавной функцией. Чтобы отношение (22.12) было значительно меньше единицы, необходимо использовать резонаторы с селективными потерями, т. е. искусственно увеличивать добротность для узкого интервала частот. Это достигается, например, нанесением на зеркала интерференционных отражающих покрытий. Коэффициент отражения таких покрытий на заданной частоте значительно больше, чем на соседних частотах.

Для получения одномодовой генерации широко применяются дифракционные решетки, которые используются в качестве одного из зеркал резонатора. При этом если постоянная решетки равна а нормаль к решетке расположена под углом к оси резонатора, то будет генерировать мода, длина волны которой удовлетворяет условию

Путем изменения угла легко осуществить плавную перестройку частоты генерации.

В лазерах с выносными зеркалами применяется также пространственная селекция мод, когда с помощью узких

диафрагм, ликвидируются боковые лепестки индикатрисы излучения.

Если специально не проводить селекции мод, то в инжекционных лазерах вторая мода часто появляется уже при возбуждающем токе, превышающем порог всего на 5—20%, в редких случаях одна мода генерирует до -кратного превышения порога. Лучшие результаты получаются в лазерах с очень малой (десятки микрон) шириной активной области, в пределах которой генерирует только одна нить (полосковые лазеры).

Путем уменьшения длины резонатора можно увеличить расстояние между модами и создать более благоприятные условия для одномодовой генерации. В лазерах на основе арсенида галлия с четырехсторонним резонатором, где достигается более равномерное распределение излучения в пределах активного слоя, уменьшение площади -перехода до позволило получить одномодовую генерацию при -кратном превышении порога генерации [641]. В лазерах с большей длиной волны излучения одномодовая генерация реализуется при еще большем числе порогов накачки.

Наименьшая ширина линии излучения при одномодовой генерации определяется добротностью резонатора, плотностью генерируемого излучения в резонаторе и флуктуациями фазы и амплитуды волны, т. е. степенью ее когерентности. В работе [642] при мощности генерации мквт лазерного диода на основе получена ширина линии что близко к теоретическому пределу. Методы селекции мод рассмотрены в обзоре [643].

Как было показано ранее (рис. 76, формулы (20.17), (20.38)), с увеличением уровня инверсной населенности максимум коэффициента усиления смещается в спектре в сторону больших частот. Так как частота генерации обычно соответствует максимальному коэффициенту усиления, а порог генерации является функцией коэффициента потерь то частоту генерации можно представить как функцию порога

Функция (22.14) и соответствующие ей графики называются спектрально-пороговой характеристикой лазера. Путем простого изменения неселективного коэффициента потерь удается изменить энергию генерирующих квантов на десятки миллиэлектрон-вольт [613, 644].

Частота генерации полупроводниковых лазеров легко перестраивается не только с помощью селективных элементов, вводимых в резонатор, или изменения добротности резонатора

в целом, но и путем всевозможных внешних воздействий на активную среду (§ 12): гидростатического [645, 646] и одноосного давления [647], магнитного поля [648], изменения температуры и т. п. Смещение линии генерации происходит и при изменении концентрации легирующих примесей [649]. Вариации концентраций компонентов тройных соединений позволяет перекрыть лазерным излучением огромный диапазон частот [650—653]. Это создает благоприятные предпосылки для широкого применения полупроводниковых лазеров в спектроскопии в качестве источников интенсивного монохроматического излучения. Особую ценность они представляют для инфракрасной спектроскопии, где до сих пор отсутствуют мощные источники излучения.