Насыщение усиления при однородном и неоднородном уширении линий; эффект «выгорания дыр».

Ранее отмечалось, что по мере возрастания плотности светового потока, распространяющегося в инвертированной активной среде, происходит постепенное уменьшение коэффициента усиления х от его начального значения до значения

где — линейный коэффициент суммарных потерь. В результате устанавливается стационарный процесс, характеризующийся насыщенным коэффициентом усиления хнас и насыщенной плотностью светового потока определяемой из (2.1.1) при использовании (2.12.3).

Рис. 2.80

Примем во внимание зависимость коэффициента усиления от частоты и рассмотрим случаи, когда соответствует однородному и неоднородному уширению. Будем полагать при этом, что уровень потерь настолько высок, что осуществляется селекция нейтральной продольной моды.

При неоднородном уширении линии в рабочих переходах будут участвовать лишь те активные центры, которые вносят вклад в пределах частотного интервала вблизи отвечающего центральной продольной моде. В результате будет происходить селективное (избирательное) снятие инверсии активной среды в пределах указанного частотного интервала; в этом случае на прэфиле кривой, описывающей частотную зависимость коэффициента усиления, появится провал (как говорят, «выгорит дыра»). Сказанное поясняет рис. 2.80, а, на котором штриховой линией показана неоднородно уширенная линия а непрерывной кривой — линия хнас Согласно (2.12.3)

что и определяет глубину выгоревшей дыры. Ширина дыры соответствует ширине линии отдельного активного центра, т. е. лоренцевой ширине которая в данном случае существенно меньше ширины линии

Если ширина дыры меньше межмодового частотного расстояния

то при снижении уровня потерь будет наблюдаться выгорание дополнительных дыр, отвечающих различным продольным

модам (рис. 2.80, б). Подчеркнем, что генерация разных продольных мод осуществляется в данном случае за счет высвечивания разных групп активных центров. Это означает, что лазер может генерировать одновременно и притом независимо на нескольких модах.

Если условие (2.12.5) не выполняется, происходит взаимное перекрывание выгоревших дыр. В результате возможно выгорание фактически всего профиля линии усиления (рис. 2.80, в).

При однородном уширении линии эффект выгорания дыр не наблюдается. Предположим, что при достаточно высоких потерях лазер генерирует лишь центральную продольную моду. Поскольку вклад в излучение этой моды вносят в данном случае все активные центры, то в результате происходит глобальное изменение профиля линии (рис. 2.81). Таким образом, возбуждение одной (центральной) моды приводит к глобальному обеднению инверсии активной среды, что, в свою очередь, препятствует возбуждению других мод.

Рисунки 2.80 и 2.81 хорошо иллюстрируют качественное различие между случаями неоднородного и однородного уширения. В случае неоднородного уширения при генерации одной моды используется лишь часть энергии, запасенной в инвертированной активной среде; поэтому интенсивность генерируемой моды для неоднородно уширенной линии перехода заметно меньше, чем для однородно уширенной. Кроме того, следует помнить, что при однородном уширении эффект насыщения усиления препятствует возбуждению дополнительных продольных мод.