2.7.3. Пассивная синхронизация мод
Весьма эффективным методом генерации ультракоротких импульсов является так называемая пассивная синхронизация мод, при которой в лазерный резонатор дополнительно к остальным лазерным элементам вводится насыщающийся поглотитель. Это вещество, имеющее в спектре поглощения переход на частоте лазера, причем поперечное сечение поглощения должно быть по возможности большим. Для этих целей особенно подходят органические красители. При попадании импульса излучения лазера на такой поглотитель его молекулы возбуждаются, а поле падающего излучения поглощается. Рассмотрим, например, изменение населенности двухуровневой системы под влиянием поля излучения. В соответствии с (1.22) и (1.23) получим для разности населенностей 
в стационарных условиях 
соотношение
где 
есть интенсивность насыщения для данного поглотителя. Видно, что с возрастанием интенсивности уменьшается разность населенностей 
которая, согласно (1.21), ответственна за поглощение излучения. Если интенсивность превышает интенсивность насыщения 
поглотителя, то любое поглощение становится невозможным — поглотитель насыщен, и поле излучения больше не ослабляется вследствие поглощения.
Аналогичное явление возникает также в нестационарных условиях, при которых не следует пренебрегать производными по
времени в уравнениях (1.22), (1.23). Рассмотрим, например, такой экстремально нестационарный случай, когда время релаксации 
велико по сравнению с длительностью импульса 
тогда из (1.22), 1.23) следует соотношение
В этом случае поглощение уменьшается с возрастанием энергии импульса, вследствие чего возникает асимметрия во временном поведении. Передний фронт импульса будет, значительно ослабленным, так как при этих временах энергия импульса еще мала и поэтому поглощение не достигло насыщения. После более длительного времени 
наступает насыщение поглощения, и задние фронты проходят через поглотитель почти без ослабления.
В различных применениях особенно пригодными для осуществления пассивной синхронизации мод оказались твердотельные лазеры и лазеры на красителях. Но они существенно различаются между собой не только по параметрам генерируемых импульсов, но и по самому механизму процесса генерации. Пассивная синхронизация мод в лазере на красителе характеризуется тем, что время релаксации лазерного красителя имеет тот же порядок величины, что и время прохода через резонатор; вместе с тем оно велико по сравнению с длительностью импульса в установившемся состоянии лазера с непрерывной накачкой точно так же, как и время релаксации красителя, служащего поглотителем. Это условие приводит к тому, что снижение усиления играет важную роль в формировании импульса. Благодаря комбинированному действию насыщающегося поглотителя (ослабляющего передний фронт импульса) и усилителя (ослабляющего задний фронт импульса) становится возможным такой режим лазера, при котором образуется ультракороткий импульс. В отличие от лазера на красителе синхронизация мод в твердотельном лазере характеризуется тем, что время релаксации усилителя очень велико по сравнению с временем прохода в резонаторе. При этом условии основой формирования ультракороткого импульса служит следующий механизм. Быстро релаксирующий насыщающийся поглотитель выделяет один-единственный интенсивный флуктуационный максимум из флуктуирующего шумового фона. Далее этот пик интенсивности
еще более усиливается усилителем, так что в конце концов все остальные флуктуационные пики подавляются и остается только один импульс.
