5. ЛАЗЕРЫ С СИНХРОННОЙ НАКАЧКОЙ

5.1. Принцип действия

Вместо рассмотренной в предыдущем разделе синхронизации мод при модуляции внутренних потерь или оптической длины резонатора синхронизация мод может осуществляться путем модуляции усиления. Для этого в резонатор лазера вводится накачка в виде непрерывной последовательности импульсов, генерируемых другим лазером с синхронизацией мод (см. рис. 5.8). Если длина резонатора лазера достаточно близка к длине резонатора лазера накачки или кратна ей, то при определенных условиях усиление оказывается модулированным с периодом, равным времени полного прохода резонатора. Как и при модуляции потерь, короткий импульс в этом случае формируется за промежуток времени, соответствующий максимальному усилению. Длительность этого импульса при оптимальных условиях может быть на два-три порядка короче длительности импульса накачки. Наибольший практический интерес представляет применение метода синхронной накачки в лазерах на красителях, так как в лазерах этого типа используется преимущественно оптическая накачка, а их линии усиления весьма широки (величина лежит в пределах от до Гц). Лазеры на красителях допускают в определенном диапазоне плавную перестройку частоты в области максимума спектра излучения. Это достигается введением в резонатор частотно-селективного оптического фильтра, в качестве которого могут быть использованы, например, эталон Фабри—Перо, фильтр Лио или призма. Ширина спектра пропускания этих фильтров, однако, не должна быть слишком мала, так как ее сужение может вызвать существенное увеличение длительности импульсов. По указанным причинам значение лазеров на красителях с синхронной накачкой в технике генерации пикосекундных и субпикосекундных импульсов в последние годы все больше возрастает. По сравнению с лазерами на красителях с пассивной синхронизацией мод, которым посвящена следующая глава, синхронно накачиваемые лазеры имеют следующее преимущество: для перестройки частоты их излучения может быть использована полная спектральная ширина лазерного перехода, тогда как при пассивной синхронизации полоса перестройки дополнительно ограничивается спектром линии поглощения насыщающегося поглотителя.

Синхронизация мод лазеров на красителях посредством синхронной накачки применялась относительно давно. Лазер на красителе накачивался последовательностью импульсов, генерируемых рубиновым лазером с синхронизацией мод [5.1] или второй гармоникой излучения лазера на стекле с неодимом [5.2, 5.3]. Достигнутая в этих экспериментах длительность импульсов, однако, не отличалась по порядку величины от длительности импульсов накачки.

Лишь после применения в качестве источника накачки аргонового или криптонового лазера с активной синхронизацией мод удалось в стационарном режиме опеспечить более точное выполнение требуемых экспериментальных условий [5.4-5.7].

Рис. 5.1. Изменение во времени результирующего усиления и интенсивности импульсов накачки и лазерного при синхронной накачке лазера на красителе. 1 — импульс лазера на красителе; 2 — импульс -лазера.

В результате перспективный метод синхронной накачки лазеров на красителях получил дальнейшее развитие, и его применение позволило осуществить генерацию ультракоротких импульсов длительностью менее 5.10].

Для более детального пояснения механизма модуляции усиления обратимся к графикам на рис. 5.1. Пусть лазер на красителе накачивается непрерывной последовательностью импульсов, излучаемых лазером с активной синхронизацией мод. Длительность этих импульсов, например, при использовании аргонового лазера с активной синхронизацией мод составляет от 100 до Время релаксации электронов с верхнего уровня лазерного перехода которое для примененного лазера на красителе лежит в наносекундном диапазоне (например, для родамина ), велико по сравнению с длительностью импульсов накачки и генерируемых импульсов, но меньше времени прохода резонатора

При выполнении этого условия инверсная населенность активной среды зависит лишь от вложенной до рассматриваемого момента времени энергии накачки. Как показано на рис. 5.1, под действием накачки коэффициент усиления постепенно возрастает до тех пор, пока не превысит потери, т. е. до достижения порога генерации лазера. С этого момента начинается

излучение, затем энергия лазерного импульса быстро возрастает и после прекращения процесса роста усиления достигает значения «энергии насыщения» активной среды. Вследствие этого инверсная населенность красителя снимается самим вынужденным излучением, в результате чего усиление быстро снижается до значений ниже уровня потерь.

Таким образом, условие положительности результирующего усиления выполняется лишь в течение интервала времени, составляющего малую часть длительности импульса накачки, так что излучение лазера концентрируется именно в этом интервале времени. Уменьшение усиления, вызываемое самим генерируемым импульсом, является важным обстоятельством, способствующим синхронизации мод, так как оно приводит к укорочению заднего фронта импульса. При этом важно, чтобы лазерный импульс в непрерывном режиме проходил через активную среду синхронно с импульсом накачки. Это требует относительно высокой точности взаимной настройки резонаторов обоих лазеров. Длина резонаторов должна быть подобрана с точностью до нескольких микронов. Как и при активной синхронизации мод, существенную роль играет эффективное ограничение ширины спектра излучения лазера, поскольку оно определяет предельно достижимые минимальные значения длительности импульсов.

Как и в лазерах на красителях, синхронная накачка может применяться в лазерах на центрах окраски. Различные центры окраски в щелочных и щелочноземельных кристаллах обладают широкой линией люминесценции, лежащей в диапазоне длин волн мкм. Такие кристаллы позволяют в этом спектральном интервале генерировать весьма короткие импульсы с высокой частотой следования. В качестве источников накачки здесь применяют лазеры на ионах инертных газов, лазеры на красителях или непрерывно накачиваемые лазеры на АИГ :Nd (см., например, [2.14, 4.13]). Механизм образования импульсов в лазерах на центрах окраски и в лазерах на красителях одинаков. Поэтому все выводы, сделанные в последующих разделах для лазеров на красителях, справедливы и для лазеров на центрах окраски.

Метод синхронной накачки может применяться и в полупроводниковых лазерах, где он представляет особый интерес. Здесь возможна не только синхронная оптическая накачка (например, при помощи лазеров на красителях), но и синхронная неоптическая накачка путем модуляции инжекционного тока [18].