2.5. Модуляция добротности

До сих пор мы описывали только процессы в лазерах, которые носят стационарный характер и при описании которых, следовательно, можно было пренебречь производными по времени в основных уравнениях. Ниже мы обсудим важнейший принцип генерации ультракоротких импульсов, а именно синхронизацию мод. Но предварительно в данном разделе остановимся на другом нестационарном режиме лазера — модуляции добротности.

Прежде всего следует констатировать, что нестационарные явления в лазере могут возникать без дополнительного вмешательства. При вычислении мощности излучения по уравнению (2.15) мы с самого начала пренебрегали всеми производными по времени. Естественно, однако, что это возможно только после того, как пройдет некоторое время с момента включения излучения накачки, так как при отбрасывании производных не учитываются процессы установления в лазерной среде до достижения некоторого стационарного состояния. Если же в основных уравнениях сохранить производные по времени, то можно показать, что процессы включения в случае одной моды нельзя описать как монотонно протекающие с течением времени. Они носят характер затухающих со временем негармонических колебаний поля излучения и инверсии населенностей, которые в конце концов по истечении некоторого времени стремятся к стационарному состоянию. Эти затухающие колебания называют релаксационными колебаниями лазера в одномодовом режиме. При рассмотрении многомодового режима ситуация еще более усложняется. В результате пространственной и временной интерференции мод, нерегулярного срыва и возникновения осцилляций выходное излучение лазера приобретает форму нерегулярных во времени импульсов со стохастически флуктуирующей амплитудой. Существенно, что при этом излучение, вообще говоря, не переходит в стационарный режим и продолжает носить нестационарный характер по истечении длительного времени.

Нестационарный режим работы лазера, осуществляемый в отличие от чаще всего нежелательного режима релаксационных колебаний целенаправленно, достигается путем возможно более быстрого изменения добротности резонатора лазера (т. е. потерь) или усиления. Принцип модуляции добротности заключается в следующем. Внутри лазерного резонатора в качестве дополнительного элемента помещается оптический затвор. При закрытом затворе генерация не может начаться, и под действием накачки активной среды возрастает инверсия населенностей, значительно превышая порог генерации лазера без введения дополнительных потерь в резонатор. Если затвор

открывается на некоторое время, малое по сравнению с характерным временем затухания поля в холодном резонаторе то усиление активной среды лазера значительно превышает потери, запасенная, энергия излучается в форме короткого интенсивного импульса. Сущность процесса модуляции добротности резонатора можно пояснить, например, временными зависимостями, показанными на рис. 2.22. На этом рисунке графически представлено численное решение скоростных уравнений для изменения во времени разности населенностей и плотности потока фотонов например, [2.13]). Как видно, плотность потока фотонов быстро возрастает после открытия затвора. Вследствие возрастания интенсивности излучения в резонаторе одновременно уменьшается разность населенностей благодаря насыщению активной среды. Таким образом, плотность потока фотонов достигает своего максимального значения и затем быстро спадает вследствие убывания разности населенностей Следовательно, в результате быстрого открывания затвора происходит быстрое возрастание мощности излучения, которая затем опять быстро убывает вследствие снижения усиления. Это и означает, что излучение имеет форму короткого и интенсивного импульса. Длительность этого импульса больше характерного времени резонатора равного по меньшей мере нескольким временам полного обхода резонатора. Следовательно, минимальные длительности импульса составляют, например, в твердотельных лазерах с модуляцией добротности и с обычной длиной резонатора несколько десятков наносекунд.

Рис. 2.22. Типичное поведение во времени разности населенностей А и плотности потока фотонов для лазеров с модулированной добротностью (по Лендьелу [2.17]).

В качестве оптических затворов могут применяться различные системы. Очень быстрые затворы с электронным управлением могут быть реализованы, например, с помощью электрооптических и акустооптических модуляторов, принцип действия которых обсуждается в (более подробно см., например, [4]). Затвор может быть реализован и чисто механическим способом с помощью вращающихся зеркал или призм. В этом случае при обычных длинах резонатора частота вращения должна составлять несколько сотен герц. Наряду с модуляцией добротности с тем же эффектом может быть использована модуляция усиления. Последний способ особенно пригоден для полупроводниковых лазеров. Вследствие модуляции тока инжекции созданное электрическим способом усиление претерпевает при этом быстрые временные изменения (см. разд. 7.4).