Режим разгрузки резонатора (cavity-dumping).
Этот режим генерации называют также режимом модуляции нагрузки и режимом модуляции полезных потерь. В отличие от режима модуляции добротности резонатора здесь осуществляется управление не вредными, а полезными потерями.
Для реализации режима разгрузки резонатора используют лазер с еысокодобротным резонатором, зеркала которого Имеют коэффициент отражения, близкий к единице. В резонатор помещают управляемый внешним сигналом быстродействующий модулятор (переключатель) полезных потерь, предназначенный для вывода части излучения из резонатора. Применяют модуляторы (переключатели) как акустооптического, так и электрооптического типа. В лазерах, работающих в режиме разгрузки резонатора, используется обычно непрерывная накачка.
Предположим, что модулятор полезных потерь не включен, а накачка действует. В этих условиях при наличии инверсной заселенности рабочих уровней, превышающей относительно невысокий порог генерации высокодобротного резонатора, будет происходить нарастание плотности фотонов внутри резонатора (за счет преобладания индуцированного испускания над резонансным поглощением на рабочем переходе и над потерями). Непрерывно действующая
накачка будет при этом все время поддерживать инверсную заселенность рабочих уровней над порогом генерации. В данном случае генерация фактически уже идет, однако, излучение оказывается запертым внутри резонатора.
Далее предположим, что на короткое время включается модулятор полезных потерь. Это приводит к выводу из резонатора короткого светового импульса — резонатор частично «разгружается» от накопившихся в нем фотонов.
Сравнивая режим разгрузки резонатора с режимом активной модуляции добротности, отметим, что в последнем случае плотность фотонов внутри резонатора в исходном состоянии (когда добротность низка) очень мала; лазер находится ниже соответствующего высоким потерям порога генерации. При включении добротности начинается развитие генерации — одновременно начинает формироваться выходной импульс. Заметим, что его формирование начинается от спонтанного фона (от уровня шумов), что и приводит к существованию относительно длительного этапа линейного развития (см. рис. 3.2).
В отличие от режима модуляции добротности режим разгрузки резонатора характеризуется высокой добротностью в исходном состоянии; лазер находится выше соответствующего низким потерям порога генерации. До того как выходной импульс начнет формироваться, генерация уже идет и резонатор заполнен фотонами. Подчеркнем: если в режиме модуляции добротности генерация начинается после подачи управляющего сигнала на модулятор, то в режиме разгрузки резонатора модулятор включается в уже генерирующем лазере. Это существенно сокращает процесс формирования выходного импульса (в развитии импульса нет длительного линейного этапа). В результате появляется возможность реализации более высоких частот следования световых импульсов.
При выводе фотонов из резонатора лазер должен оставаться выше порога генерации, отвечающего состоянию с высокой добротностью. Это требование ограничивает длительность промежутка времени, на которое можно включать модулятор.
Колебания плотности инверсной заселенности рабочих уровней в режиме разгрузки резонатора являются значительно более слабыми, чем в режиме модуляции добротности. Это связано с тем, что порог генерации в исходном
состоянии, а следовательно, и начальная инверсная заселенность в случае разгрузки резонатора существенно ниже, чем при модуляции добротности.
Если вывод излучения из резонатора осуществляется на длине волны рабочего перехода в активной среде, то говорят о линейной нагрузке. На практике также осуществляют вывод излучения на длине волны второй гармоники. Так как мощность излучения второй гармоники пропорциональна квадрату мощности основного излучения (в приближении заданного поля), то применяется термин квадратичная нагрузка. Это есть частный случай нелинейной нагрузки.
Принципиальная возможность режима разгрузки резонатора при использовании быстродействующего акусто-оптического модулятора обсуждалась в [53]. Этот режим генерации достаточно подробно исследован в непрерывно накачиваемом лазере на гранате с неодимом (см. [54—57]). В 158] рассмотрена разгрузка резонатора в лазере на красителе с импульсной накачкой.
В [55] показано, что разгрузка резонатора в непрерывно накачиваемом лазере на гранате с неодимом позволяет получать среднюю выходную мощность, равную максимальной мощности непрерывной генерации; при этом удается реализовать частоты следования световых импульсов от 100 кГц до десятков мегагерц (при длительности отдельных импульсов порядка 100 нс). Для сравнения укажем, что в режиме активной модуляции добротности при непрерывной накачке максимальная частота следования импульсов составляет приблизительно 50 кГц [59].
