2. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ПИКОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРОВ

В следующих главах будет проведено детальное рассмотрение методов генерации ультракоротких световых импульсов. Но предварительно в данной главе мы дадим в качестве необходимой основы описание общего принципа действия лазера, оптической накачки лазеров, свойств лазерных резонаторов, важных активных материалов и типов лазеров. В конце главы кратко рассматриваются принцип синхронизации мод (взаимодействие мод, захват мод) и основные методы ее реализации.

2.1. Принцип действия лазера

Как было отмечено в гл. 1, при резонансном взаимодействии электромагнитного поля со средой имеют место процессы испускания и поглощения. Изменение плотности потока фотонов обусловленное индуцированным испусканием и поглощением, определяется в соответствии с (1.21) формулой

Как следует из (2.1), волна ослабляется, если тогда как при она усиливается. При термодинамическом равновесии населенности двух уровней атомной системы, как известно, определяются распределением Больцмана

Следовательно, при термодинамическом равновесии всегда т. е. среда поглощает излучение на частоте поскольку поглощение превышает испускание. Если же, однако, удастся изменить населенности таким образом, чтобы в более высоком возбужденном состоянии находилось больше атомов, чем в нижнем состоянии, то такая среда будет действовать как усилитель. Среду, в которой осуществлена так называемая инверсия населенностей, называют активной средой. В настоящее время известно много методов, с помощью которых можно достичь инверсии населенностей. Среди них оптическая накачка, ударное возбуждение, возбуждение

путем пропускания электрического тока и химические процессы. В дальнейшем мы уделим наибольшее ванимание оптической накачке, поскольку она используется в важнейших пикосекундных лазерах.

Аналогично усилителю с обратной связью в радиотехнике можно, используя принцип обратной связи, добиться того, чтобы оптическая среда с инверсией населенностей действовала как самостоятельно излучающий источник света со стабильной амплитудой.

Рис. 2.1. Схема лазерного резонатора. М — активная среда; — зеркала.

В оптической области длин волн такая обратная связь реализуется с помощью двух зеркал и обладающих высокой отражательной способностью и расположенных параллельно друг другу, так что они образуют резонатор Фабри—Перо; между зеркалами вдоль оси резонатора помещается лазерная среда М (рис. 2.1). В этом случае начинается своего рода лавинный процесс, приводящий к самовозбуждению системы. Этот процесс обусловлен тем, что в соответствии с (2.1) изменение плотности потока фотонов пропорционально уже имеющейся в результате плотности потока фотонов. Затравкой для начала процесса самовозбуждения служит спонтанное излучение, создающее шумовое поле. Вследствие отражения излучения от зеркал и многократного прохождения через активную среду интенсивность этих шумов непрерывно усиливается, так как через зеркало коэффициент отражения которого меньше проходит лишь часть излучения.

Совместное действие резонатора и активной среды является решающим фактором, обеспечивающим такие типичные свойства лазерного излучения, как монохроматичность, узкая направленность и высокая спектральная плотность энергии. Направленность излучения достигается благодаря тому, что большое усиление имеет место лишь для волн, направление распространения которых достаточно мало отклоняется от оси резонатора. Волны, не удовлетворяющие этому условию, после многих отражений на зеркалах покидают лазерный резонатор и больше не участвуют в процессе усиления.

Обсудим кратко условия, при которых возможно самовозбуждение лазера. Генерация в лазере может начаться лишь при условии, что усиление активной средой компенсирует потери на зеркалах В начале процесса генерации интенсивность излучения еще мала, так что зависимостью разности населенностей

от интенсивности можно пренебречь. В соответствии с (2.1) усиление излучения при прохождении пути в активной среде определяется соотношением

Усиление точно компенсирует потери на зеркале, когда между значением и интенсивностью после двойного прохода через активную среду устанавливается соотношение вида

Здесь — коэффициенты отражения зеркал. Следовательно, коэффициент усиления должен превзойти некоторое пороговое значение, которое, как это следует из (2.3) и (2.4), задается формулой

Здесь было учтено, что кроме потерь на зеркалах имеют место и другие линейные потери, причиной которых может быть, например, рассеяние на неоднородностях, дифракция или нерезонансное поглощение. Влияние этих потерь описывается дополнительным членом в (2.5). Мы рассмотрим потери на зеркалах и другие линейные потери вместе взятые как обобщенное линейное поглощение, которое будем описывать линейным коэффициентом потерь