§ 24. ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАЦИИ

Динамические режимы работы лазеров.

По временным характеристикам работа любого лазера может быть отнесена к одному из четырех видов: непрерывная генерация, импульсная свободная генерация, генерация коротких (наносекунд-ных) импульсов излучения в режиме модулированной добротности и генерация сверхкоротких (пикосекундных) импульсов в режиме синхронизации мод.

Из всех типов оптических квантовых генераторов только на газовых лазерах была получена непрерывная генерация сразу же в момент их создания. Генерация всех других лазеров получалась вначале только в импульсном режиме. Твердотельные лазеры средней мощности без принудительного охлаждения работают в режиме одиночных импульсов. При оптической накачке большая часть энергии возбуждающего света превращается в тепло. Температура рабочего стержня повышается, он становится оптически неоднородным, а порог генерации резко растет. Поэтому после каждой вспышки лазер необходимо охлаждать в течение нескольких минут, чтобы вернуть его в рабочее состояние. Водяное охлаждение стержня позволило создать частотные лазеры, дающие десятки или сотни импульсов в секунду. Маломощные твердотельные лазеры с низким порогом генерации и малым объемом активного вещества работают в непрерывном режиме

Непрерывная генерация инжекционных гомолазеров была получена вначале при температуре жидкого гелия и только спустя несколько лет при температуре жидкого азота.

Комнатные температуры оказались для них непреодолимым барьером. Ни уменьшение ширины активного слоя, ни всевозможные улучшения теплоотвода и качества диодов не дали желаемого результата. При комнатной и более высоких температурах лазеры на -переходах работают только в импульсном режиме. И только с созданием инжекционных лазеров на гетеропереходах (§ 20) этот барьер был преодолен.

Непрерывная генерация может быть стационарной и нестационарной. Опыты показывают, что стационарно генерирует, как правило, одна мода. В этом случае интенсивность лазерного луча и его частота практически постоянны во времени и лишь незначительно колеблются около своих средних значений.

Если одновременно генерирует несколько мод, то в результате конкуренции между ними характеристики лазерного луча становятся нестационарными. Скоростная временная развертка показывает, что излучение состоит из коротких, чаще всего хаотических импульсов, каждый из которых имеет еще более тонкую временную структуру. Мгновенный спектр излучения изменяется во времени и отличается от спектра, усредненного за большой промежуток времени. Поэтому и для описания непрерывной генерации необходимо привлекать такие временные характеристики, как ширина пичков, средняя частота их повторения, амплитудная и частотная автомодуляция. Набор таких параметров увеличивается при описании генерации, модулированной внешними силами.

При импульсном возбуждении генерации весь интервал времени от начала подачи возбуждающего импульса до конца генерации можно разбить на четыре участка. На первом участке, называемом временем задержки, активное вещество возбуждается, а генерация отсутствует. Второй участок — это переходный период. Уровень инверсной населенности вещества и интенсивность генерации релаксируют и выходят на режим непрерывной генерации. После этого и до конца импульса накачки генерация характеризуется такими же параметрами, как в непрерывном режиме работы лазера. Это третий период, которого не будет, если длительность импульса возбуждения меньше переходного периода. В четвертом периоде мощность генерации без накачки релаксирует к нулю.

Как только появились оптические квантовые генераторы, сразу же наметились две противоположные тенденции в работах, направленных на изменение временных характеристик лазерного излучения. Одна тенденция связана со стремлением получить либо непрерывную генерацию, либо как можно больше увеличить частоту повторения импульсов излучения.

В работах другого направления, наоборот, предпринимаются всевозможные попытки, чтобы уменьшить длительность импульса генерации.

Большим достижением на пути сокращения длительности генерируемого излучения стало создание резонаторов с модулированной добротностью. Модуляция добротности может быть активной и пассивной. В первом случае одно из зеркал резонатора, а чаще всего призма быстро вращается вокруг оси, перпендикулярной к оси резонатора. Резонатор оказывается настроенным только в периодически повторяющиеся небольшие промежутки времени (как -функция), когда вращающееся зеркало или соответствующая грань призмы параллельны неподвижному зеркалу. В этот промежуток времени и происходит генерация. Для активной модуляции применяются также различные оптические затворы, вводимые в резонатор.

Пассивная модуляция добротности осуществляется с помощью просветляющихся фильтров (§ 17). В невозбужденном состоянии такой фильтр характеризуется малой величиной оптического пропускания на частоте генерации. Это соответствует большому коэффициенту потерь резонатора. При возбуждении активного вещества оно начинает сильно люминесцировать и может возникнуть генерация в низко добротном резонаторе, образованном естественными гранями самого вещества, а не выносными зеркалами. Усиленная люминесценция или генерация быстро просветляет пассивный затвор, добротность резонатора резко возрастает, и развивается наносекундный (в твердотельных лазерах — гигантский) импульс излучения.

В инжекционных лазерах модуляция добротности может происходить непроизвольно из-за оптической неоднородности или неоднородного возбуждения активной области.

При определенных условиях короткие импульсы генерации имеют регулярную временную структуру: они состоят из серии сверхкоротких импульсов, возникающих в результате сложения нескольких близких типов колебаний. Такие импульсы излучения открывают новые возможности для исследования быстропротекающих процессов. В настоящем параграфе кратко рассматриваются лишь основные временные характеристики лазерного излучения.