6. ПАССИВНАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ МОД В ЛАЗЕРАХ НА КРАСИТЕЛЯХ

6.1. Принцип действия

Синхронизация мод в лазере на красителе с помощью насыщающегося поглотителя была впервые осуществлена Шмидтом и Шефером [6.1]. Они наблюдали возникновение цуга коротких импульсов в лазере на родамине накачиваемом импульсной лампой при помещении в его резонатор кюветы с красителем, игравшим роль насыщающегося поглотителя. Результаты Шмидта и Шёфера были повторены Бредли и О’Нейлом, измерившими длительность импульсов методом двухфотонной люминесценции (см. гл. 3). Она оказалась равной Пример схемы лазера на красителе с пассивной синхронизацией мод показан на рис. 6.1. Накачка кюветы с красителем осуществляется импульсной лампой.

Рис. 6.1. Устройство резонатора лазера на красителе с накачкой от импульсной лампы.

Для предотвращения образования дополнительных резонаторов Фабри—Перо торцы элементов либо скошены под углом Брюстера, либо имеют клиновидные подложки. Для обеспечения перекрытия в кювете насыщающегося поглотителя переднего и заднего фронтов импульса кювета располагается возможно ближе к зеркалу (см. п. 6.2.3). В результате насыщение поглотителя достигается при меньших интенсивностях. По этой причине помещение поглотителя вблизи зеркала способствует процессу синхронизации мод. С помощью частотно-селективного элемента ширина спектра излучения лазера может быть сужена, а максимум спектра излучения может перестраиваться. Это позволяет осуществлять перестройку частоты пикосекундных импульсов, которые могут быть частотно-ограниченными. Так, например, в лазере на

родамине или крезил-виолете с соответствующими насыщающимися поглотителями возможна перестройка в пределах от 580 до 700 нм.

Лазеры на красителях с импульсной накачкой работают в квазинепрерывном режиме, длительность которого ограничивается длительностью вспышки лампы накачки. По-настоящему непрерывный режим (сш-режим) впервые удалось осуществить Иппену и сотр. [6.3], а также О’Нейлу [6.4]. Для непрерывной накачки лазера на родамине они использовали излучение аргонового лазера. Была получена непрерывная последовательность импульсов длительностью В более поздних экспериментах лазер такого типа позволил осуществить генерацию фемтосекундных импульсов [6.5-6.7, 6.30-6.32].

Основой механизма пассивной синхронизации мод, как и активной синхронизации, является временная модуляция потерь в резонаторе. Однако в отличие от активной при пассивной синхронизации система сама определяет моменты времени, соответствующие минимуму потерь. Процесс образования импульсов в лазерах на красителях может быть объяснен следующим образом: после того как излучение накачки обеспечило превышение над порогом генерации лазера, в резонаторе начинается процесс установления вынужденного излучения, затравкой которого является спонтанный шум. В рассматриваемом здесь многомодовом режиме излучение состоит из множества статистически перекрывающихся во времени флуктуационных пиков. Вследствие большого сечения рабочего перехода лазерного красителя интенсивность усиливается вынужденным излучением за 20—30 проходов в такой степени, что начинает играть важную роль насыщение поглотителя. Поглотитель выделяет те флуктуации или группы флуктуационных выбросов, которые обладают максимальной энергией, так как для них потери минимальны. В силу того что средняя длительность флуктуационных выбросов или образующихся в конце концов импульсов существенно меньше постоянных времен релаксации поглотителя и усилителя процессы насыщения обеих сред определяются не интенсивностью, а энергией флуктуационных импульсов. Насыщение поглощения или снижение усиления становится существенным тогда, когда энергия, приходящаяся на единицу поверхности, достигает по порядку величины значения В поглотителях такого типа передний фронт импульса или группы флуктуационных выбросов сокращается до тех пор, пока энергия не достигнет значения, при котором поглощение благодаря насыщению сильно снижается. Задний фронт импульса при этом остается неизменным, тогда как передний становится более крутым (рис. 6.2). Для образования короткого импульса благоприятным было бы сокращение и его

заднего фронта. В лазерах на красителях с пассивной синхронизацией мод это обеспечивается тем, что начиная с определенного значения энергии импульса разность населенностей уменьшается настолько, что усиление падает ниже порогового значения. Это сокращает задний фронт импульса.

Рис. 6.2. Схематическое представление процесса укорочения импульса в лазере на красителе с пассивной синхронизацией мод. Комбинированное действие процессов насыщения усилителя и поглотителя обеспечивает укорочение фронтов импульса и усиление его пика.

В результате совместного влияния процессов насыщения поглотителя и усилителя возникают условия, при которых преимущественно усиливается определенная группа флуктуаций, обладающая максимальной энергией, и передние и задние фронты импульсов постоянно сокращаются, так что в конце концов образуется отдельный ультракороткий импульс. Для этого необходимо, чтобы лечение поглотителя превышало сечение усилителя, так чтобы поглотитель насыщался меньшей энергией, чем усилитель, и как результат эффективное усиление пика импульса превышало усиление его фронтов. Далее необходимо, чтобы инверсия населенностей за время одного прохода не восстанавливалась полностью, так чтобы потери на переднем фронте превышали усиление. Это ограничивает максимальное время полного прохода резонатора при заданной постоянной времени усилителя С другой стороны, резонатор не должен быть слишком коротким, так как необходимо, чтобы время восстановления накачкой инверсии населенностей после прохождения импульса было достаточным. эти обстоятельства налагают определенные условия на выбор параметров лазера и резонатора и определяют границы области синхронизации, внутри которой возможна генерация ультракоротких импульсов. Эти границы будут более точно определены в следующем разделе.

По окончании быстрого процесса усиления и некоторого укорочения импульса важную роль начинает играть действие

оптического фильтра (или при тщательном устранении всех пассивных элементов, ограничивающих спектральную полосу, ширина линии лазерного перехода), вызывающее ограничение спектральной ширины импульса. Так же, как и при других способах синхронизации мод лазера в непрерывном режиме, это обеспечивает образование импульсов стационарной формы, остающейся неизменной при последующих проходах резонатора.