Амплитудная и частотная автомодуляция излучения.

Из решения кинетических уравнений типа (24.1), (24,2) для однородного активного слоя следует, что после переходного режима релаксационных колебаний должен наступить стационарный режим излучения, если только накачка не изменяется во времени. На опыте действительно наблюдалась стационарная генерация в одномодовом [713, 714] и двухмодовом режимах [715]. В то же время многомодовая геиерацйя всегда нестационарна. Несмотря на постоянное возбуждение, генерация имеет характер незатухающих регулярных или чаще всего нерегулярных пульсаций (пичков). Во всех типах лазеров происходит внутренняя автомодуляция излучения. Иногда она наблюдается и в одномодовом режиме работы ОКГ [716].

На рис. 128 показаны срисованные осциллограммы излучения инжекционного лазера с выносным резонатором [717]. Если превышает порог на 8%, то автомодуляция излучения незначительна. При появляются отчетливые пички. С увеличением частота следования их растет, пички становятся более регулярными. Когда превышает порог на 20% (рис. 128, г), колебания интенсивности лазерного луча становятся хаотическими как по форме, так и по интенсивности. Тем не менее средний период повторения пичков задается периодом релаксационных колебаний интенсивности Тк на переходном режиме [711]. Каждому пичку присущ свой модовый состав излучения [718, 719]. В одном пичке возбуждается одновременно от одной до шести мод, а наиболее часто три-четыре типа колебаний. Очередность появления мод от пичка к пичку схематически показана на рис. 129, а.

Рис. 128. Амплитудная автомодуляция световых импульсов инжекционного лазера с выносным зеркалом при токах, превышающих порог на

Мгновенный спектр генерации непрерывно изменяется и отличается от спектра усредненного по времени (рис. 129, б). Центр тяжести мгновенного спектра (наиболее интенсивная мода) совершает нерегулярные колебания вдоль оси длин волн.

Для получения регулярных колебаний интенсивности модулируется, в частности, инжекционный ток. Если частота колебаний переменной составляющей тока не сильно отличается от средней частоты пульсаций свободной генерации, то удается полностью и весьма эффективно синхронизировать пички излучения. Синхронизация пичков носит резонансный характер и наблюдалась в диапазоне частот от 0,4 до

Рис. 129. Схема появления отдельных типов колебаний в пичках излучения инжекциониого лазера с одним гетеропереходом в системе GaAs-AlAs (а) и усредненный по времени спектр генерации (б) при Темные кружки — наиболее интенсивные моды [718]

Наряду с автомодуляцией интенсивности излучения происходит и автомодуляция длины волны каждой моды в отдельности, что указывает на изменение оптической длины резонатора Частотная автомодуляция также может быть синхронизирована током инжекции [721] и в конечном итоге приводит к увеличению ширины спектральной линии генерации.

Амплитудная и частотная автомодуляция лазерного излучения при постоянном во времени возбуждении свидетельствует о том, что либо энергетическое, либо интерференционное условие генерации, либо оба условия одновременно изменяются во времени. Иными словами, коэффициент потерь, коэффициент усиления и оптическая длина резонатора являются функциями плотности генерируемого излучения в резонаторе а через нее и функциями времени:

Каковы бы ни были физические причины, условий (24.27), если хотя бы одно из них использовать в теории, то для определенного соотиошеия параметров получается нестационарный режим генерации.

Пусть, например, в оптический резонатор помещен простветляющийся фильтр (§ 17). До начала генерации его коэффициент поглощения на частоте достаточно большой, что обеспечивает большое значение порога. С появлением генерации фильтр просветляется, а мощность генерации резко возрастает. Это приводит к понижению уровня инверсной населенности за счет вынужденных переходов. Мощность генерации падает, а фильтр затемняется. Порог вновь возрастает, что дополнительно снижает мощность генерации. Когда минимально, наиболее быстро возрастает уровень инверсной населенности и создаются предпосылки для генерации нового импульса излучения. Так устанавливается автоколебательный режим генерации.

В лазерах с пространственно неоднородным возбуждением, в частности в лазерных диодах [722—726], роль просветляющегося фильтра играют менее возбужденные участки активной среды.

Так как для создания необходимого значения коэффициента усиления всегда требуется некоторое конечное время и величины скоростей спонтанных и стимулированных переходов тоже конечны, то и уменьшение, и увеличение коэффициента потерь с ростом может привести к пичковому режиму генерации.

В работах [727, 728] развита теория нестационарной генерации в предположении, что показатель преломления кристалла нелинейно зависит от интенсивности света. Поэтому появление генерируемого излучения в активном слое диода уменьшает величину скачка диэлектрической проницаемости на границах активного, слоя и пассивных областей. Волноводные свойства активного слоя ухудшаются, генерируемая волна глубже проникает в пассивные области и больше шоглощается. Короче говоря, коэффициент внутренних оптических потерь входящий как слагаемое в коэффициент потерь, возрастает с увеличением плотности генерируемого излучения. Этого предположения достаточно, чтобы получить режим незатухающих автоколебаний.

Причины нестационарности коэффициента усиления такие же, как и причины многомодового режима генерации (§ 23). Важнейшая из них — это несовпадение пространственной локализации различных типов колебаний в активной среде. С другой стороны, нестационарный режим генерации создает благоприятные предпосылки для многомодовой генерации [714, 729]. Если изменения оптической длины резонатора меньше то возможна стационарная одномодовая генерация, сопровождающаяся частотной модуляцией излучения [714].