Режим синхронизации продольных мод (режим генерации сверхкоротких световых импульсов).

Создание лазеров с модуляцией добротности явилось крупным шагом в развитии лазерной техники. Следующий крупный шаг связан с созданием лазеров с синхронизацией продольных мод.

Предположим, что лазерное излучение содержит продольных мод, частоты которых располагаются эквидистантно на расстоянии друг от друга (напомним: где — длина резонатора). Ширина линии усиления связана с очевидным соотношением: Предположим далее, что моды синхронизованы по фазе, т. е. разность фаз двух любых соседних мод имеет определенное фиксированное значение. В этом случае будет иметь место взаимная интерференция продольных мод, в результате чего возникает последовательность сверхкоротких световых импульсов. Длительность отдельного импульса определяется шириной линии усиления или, иначе говоря, числом синхронизованных мод

Мощность сверхкороткого импульса оказывается примерно в раз больше средней мощности излучения в отсутствие синхронизации мод. Период следования сверхкоротких импульсов Т выражается через частотный интервал между синхронизованными модами:

Гигантский импульс при наличии синхронизации продольных мод превращается в последовательность сверхкоротких (сверхмощных) импульсов. На рис. 3.5 дано приблизительное сопоставление гигантского импульса и последовательности сверхкоротких импульсов в лазере с импульсной накачкой. Протяженность во времени этой последовательности импульсов примерно равна длительности гигантского импульса таким образом, число сверхкоротких импульсов можно оценить отношением

Для реализации режима генерации сверхкоротких световых импульсов необходимо выполнение двух основных условий. Во-первых, лазер должен генерировать достаточно большое число продольных мод. Во-вторых, эти моды должны быть эквидистантными по частоте и синхронизованными по фазе.

Для выполнения первого условия надо иметь достаточно широкую линию усиления и, кроме того, предусмотреть специальные меры по предотвращению в резонаторе возможной селекции продольных мод (селекция мод является в данном случае нежелательным эффектом). Ширина линии усиления составляет примерно для лазера на рубине, для лазеров с неодимом, для лазеров на органических красителях. Полагая получаем отсюда, что максимально возможное (при условии предотвращения селекции) число продольных мод равно для указанных лазеров соответственно . Казалось бы, при сверхкороткий

световой импульс должен иметь длительность . В действительности, однако, не удается получить импульсы длительностью менее примерно нс, поскольку с возрастанием ширины линии усиления неизбежно нарушается требование эквидистантности частот продольных мод, что, естественно, ухудшает условия синхронизации. Длительность реализуемых на практике сверхкоротких световых импульсов составляет примерно нс; мощность достигает величины Вт.

Для связывания (сцепления) продольных мод по фазе применяют методы как активной, так и пассивной синхронизации. В первом случае применяют принудительную периодическую модуляцию параметров резонатора с частотой, равной или кратной частоте Во втором случае используют внутри резонатора просветляющийся фильтр или нелинейный диэлектрик. При этом существенно, чтобы фильтр имел весьма малое время релаксации; необходимо, чтобы выполнялось условие . При рассмотрении пассивной синхронизации мод часто применяют термин самосинхронизация мод (mode self-locking).

Первые экспериментальные результаты по активной синхронизации продольных мод были получены на гелий-неоновом лазере [33]. В 1966 г. в [34] было показано, что при определенных условиях в лазере с быстро релаксирующим просветляющимся фильтром может осуществляться пассивная синхронизация (самосинхронизация) продольных мод. Вопросы реализации и специфика режимов генерации сверхкоротких световых импульсов на основе активной либо пассивной синхронизации продольных мод рассматриваются, например, в [35—41].

Возможна также самосинхронизация продольных мод в режиме свободной генерации за счет нелинейных свойств активной среды [42—45].