Генерация пикосекундных импульсов излучения в режиме самосинхронизации мод.

Еще в 1964 г. было замечено [736], что кроме свободной генерации и работы лазеров в режиме модулированной добротности возможен еще один качественно отличный режим генерации, когда испускается серия ультракоротких импульсов излучения (УКИ). В отличие от

релаксационных колебаний, период которых, согласно (24.26), уменьшается с увеличением уровня возбуждения, период повторения УКИ не зависит от накачки и определяется формулой

где по-прежнему I — длина резонатора; с — скорость света. Длительность импульса генерации обратно пропорциональна числу генерирующих мод

Период повторения УКИ соответствует периоду межмодовых биений для аксиальных типов колебаний. Это означает, что УКИ возникают в результате самосогласованной генерации и интерференции нескольких аксиальных типов колебаний. В литературе рассматривается несколько механизмов генерации в режиме самосогласования мод [737, 738]. Остановимся только на флуктуационном механизме возникновения УКИ, для реализации которого в полупроводниковых лазерах имеются благоприятные условия.

В соответствии с флуктуационным механизмом процесс возникновения УКИ можно представить так. В резонаторе наряду с активной средой имеется просветляющийся фильтр.

Сразу же после преодоления порога начинается генерация многих аксиальных мод. В результате интерференции мод с беспорядочным распределением фаз возникают хаотичные, но с самого начала ультракороткие пички генерации. Это

Рис. 131. Ультракороткие импульсы генерации в режиме синхронизации мод: а — в лазере на неодимовом стекле [738]; б - в лазерном диоде с внешним зеркалом резонатора при см

линейная сгадия генерации, поскольку ее характеристики не связаны с наличием нелинейного поглотителя. На нелинейной стадии генерации происходит резкое усиление наиболее интенсивных пичков и подавление всех остальных флуктуаций интенсивности. Возрастание интенсивности пичков сопровождается уменьшением их длительности. В этом процессе решающую роль играют нелинейные оптические свойства активной среды и просветляющегося фильтра. Временная развертка генерации лазера на неодимовом стекле [738] позволяет проследить, как из совокупности беспорядочных пичков возникает серия ультракоротких импульсов, показанная на рис. 131, а.

У полупроводниковых лазеров с длиной резонатора, составляющей обычно сотые доли сантиметра, период генерации УКИ, согласно (24.28), по порядку величины равен сек. Получить осциллограмму таких импульсов, по-видимому, невозможно. Поэтому применяются косвенные методы изучения временной структуры генерации, в частности интерферометрический метод [739],

Генерацию полупроводниковых лазеров в режиме синхронизации мод сравнительно легко наблюдать, если увеличить период УКИ путем увеличения длины резонатора с помощью выносных зеркал. На рис. 131, б показана осциллограмма излучения инжекционного лазера с внешним зеркалом и длиной резонатора 1—75 см [740]. Как видно из рисунка, на фоне релаксационных колебаний имеется серия УКИ с периодом, равным нсек.

В лазерах с пассивным затвором возникает автосинхронизация мод. Для активной синхронизации мод модулируют либо накачку, либо добротность резонатора с частотой, равной разности частот аксиальных типов колебаний.

Применение пикосекундных импульсов света открывает новые возможности для научных исследований и практических приложений. Они позволили, в частности, измерить время жизни фононов (см. § 7, горячая люминесценция).