3.1. Общие сведения о режимах работы лазеров
Реализуемые на практике режимы генерации лазеров являются, как правило, импульсными, их описание принципиально невозможно без рассмотрения динамики процессов. Однако и в случае непрерывной генерации вопросы динамики играют важную роль. Строго говоря, лазерная генерация практически всегда является нестационарной. Стационарная генерация есть по сути дела не более как идеализация, пригодная для описания отдельных реальных ситуаций лишь в некотором приближении.
Причины нестационарности лазерной генерации.
Очевидной причиной нестационарности генерации является часто применяемая на практике нестационарная накачка, например накачка излучением импульсных ламп или импульсным электрическим разрядом. Не менее очевидной
причиной является целенаправленное изменение во времени величины вредных потерь (активная модуляция добротности резонатора) либо полезных потерь (модуляция нагрузки). Нестационарности генерации может способствовать внесение в резонатор нелинейных элементов, например насыщающегося резонансного поглотителя (просветляющегося фильтра).
Отмеченные причины нестационарности генерации связаны с целенаправленным «вмешательством» в процесс генерации. Вместе с тем существуют факторы, действующие в известном смысле помимо нашей воли. Эти факторы могут иметь как техническую, так и физическую природу
Говоря о факторах, имеющих техническое происхождение, отметим нестабильность параметров резонатора, активной среды, системы накачки (например, неравномерность нагрева активного элемента в процессе импульсной накачки, вибрации зеркал резонатора). Исследования выявили важную роль нестабильностей технического происхождения; была обнаружена высокая чувствительность лазера к различного рода возмущениям его параметров (см. [9,10], а также [4]).
Обращаясь к факторам физической природы, отметим прежде всего многомодовость излучения лазера, имеющую место в большинстве реализуемых на практике случаев. Разным модам отвечает разная структура поля в резонаторе, разная величина коэффициентов усиления и потерь. Характер режима генерации зависит от количества одновременно возбуждаемых мод; вхождение в генерацию каждой новой моды сопровождается, вообще говоря, нарушением стабильности кинетики генерации [11]. В разные моменты времени энергия излучения может по-разному распределяться между модами — сначала могут реализоваться более выгодные условия для генерации одних мод, а затем для других (см., например, [12]).
Далее отметим, что отнесенные к единице времени вероятности переходов между уровнями активных центров имеют конечную величину. Это означает, что процессы заселения и релаксации рабочих уровней характеризуются некоторой
инерционностью. Она приводит к тому, что обусловленное накачкой возрастание инверсной заселенности уровней не прекращается по достижении порогового значения инверсной заселенности; возникающее в процессе генерации излучение снижает затем инверсную заселенность до величины, которая оказывается ниже порогового значения. В результате наблюдаются периодические изменения во времени величины инверсной заселенности около ее порогового значения, что приводит к пульсациям мощности излучения [2].
Необходимо также иметь в виду, что лазерное излучение возникает в результате избирательного усиления первичной люминесценции. Иначе говоря, первоосновой служат случайные процессы спонтанного испускания. Определяемая этими процессами нерегулярная во времени и пространстве картина упорядочивается при переходе лазера в режим генерации, однако это упорядочение не является полным. Заметим, что помещенный в резонатор просветляющийся фильтр, характеризующийся достаточно малым временем релаксации, обнаруживает тенденцию подчеркивать (выделять, усиливать) наиболее интенсивные флуктуации в начальном распределении поля излучения (см., например, [13, 14]).
