6.3.3. Результаты экспериментальных исследований

Первые экспериментальные исследования работы лазеров на красителях с пассивной синхронизацией мод имели целью прежде всего определение условия синхронизации мод, регистрацию пикосекундных импульсов и измерение их длительности, а также выяснение физического механизма образования

импульсов. Длительность импульсов измерялась методами двухфотонной люминесценции и генерации второй гармоники (см. гл. 3). Измеренные в первых работах длительности импульсов лежали в пределах от 1 до Упомянутые методы, основанные на корреляционных измерениях, не потеряли своего значения и в последующее время, а в субпикосекундном диапазоне представляют единственную возможность измерений. В то же время развитие измерительных методов с прямым временным разрешением, например использующих сверхскоростной фоторегистратор представило новые возможности для исследования временной структуры лазерного излучения с синхронизацией мод. Применение сверхскоростного фоторегистратора имело особое значение при более подробном изучении развития излучения с синхронизацией мод из шумового излучения Такие исследования представляли особый интерес для выяснения механизма образования импульсов в лазерах на красителях с синхронизацией мод, который существенно отличается от механизма образования импульсов в твердотельных лазерах с пассивной синхронизацией мод. Длительность импульсов, генерируемых лазером на красителе с пассивной синхронизацией мод, оказалась в несколько сот раз короче времени релаксации энергии в красителях, применяемых в качестве насыщающихся поглотителей. Этот кажущийся парадокс, не укладывавшийся в модельное представление о твердотельных лазерах с пассивной синхронизацией мод, удалось разъяснить с помощью основанных на временном разрешении исследований в совокупности с подходящей теоретической моделью [6.9]. Вследствие комбинированного действия насыщающегося поглощения и снижения усиления протекает быстрый процесс укорочения импульса, скорость которого не ограничивается временем релаксации в поглотителе. На рис. 6.13 показан пример исследования с временным разрешением процесса развития из шума ультракороткого импульса в лазере на родамине Несмотря на то что лазер при этом исследовании накачивался импульсной лампой, результаты исследования приложимы к лазеру с непрерывной накачкой, так как за время вспышки достигался стационарный режим. В качестве насыщающегося поглотителя при этих исследованиях использовался краситель DODCI. Настройкой задавалась длина волны, равная 605 нм. Согласно записи скоростного фоторегистратора, в резонаторе после небольшого числа проходов (около 20 не) с начала лазерной генерации уже существует флуктуационная группа длительностью около которая превышает все остальные флуктуации поля излучения. После примерно 25 проходов (120 не) эта группа оказывается существенно сжатой. В дальнейшем развивается быстрый процесс укорочения импульса на фронтах, так что после примерно 35 проходов образуется одиночный импульс

длительностью . С помощью линии задержки при этих исследованиях удалось записать два импульса, отстоящих друг от друга на два прохода (рис. 6.14).

Рис. 6.13. Микроденситограмма, полученная с помощью элсктрооптической камеры при исследовании процесса формирования ультракороткого импульса в лазере на родамине поглотителем на DODCI. а — флуктуации в начале процесса формирования импульса; — огибающая селектированных флуктуационных групп длительностью после 30 проходов; в — отдельный импульс после 35 проходов. Каждая запись дважды показывает временную зависимость интенсивности. Повторная запись обусловлена оптической задержкой и использовалась для калибровки по времени. (По [6.18 или 16].)

Рис. 6.14. Микроденситограмма двух одновременно зарегистрированных импульсов. Число проходов отсчитывается от начала Образования цуга импульсов. (По [6.18].)

Запись отчетливо показывает селекцию отдельного флуктуационного выброса за два прохода. В частности, здесь демонстрируется важная роль уменьшения усиления, так как подавляется передний и задний фронты импульса.

Дальнейшие экспериментальные исследования имели целью, с одной стороны, улучшение и упрощение экспериментальной техники генерации пикосекундных импульсов в лазерах на красителях, нахождение новых лазерных красителей и соответствующих им поглотителей для расширения диапазона длин волн (особенно плавно перестраиваемого диапазона), а с другой — главным образом укорочение длительности импульсов. На этом пути удалось продвинуться в область сотен фемтосекунд.

Иппен и Шенк [6.19] на лазерной установке с двумя свободно протекающими струями красителей в качестве поглотителя и усилителя получили импульсы длительностью около Использованный в этой работе поглотитель состоял из комбинации двух насыщающихся поглотителей. Сам по себе DODCI позволяет генерировать короткие импульсы, однако импульсный режим осуществляется лишь вблизи порога генерации, что требует тщательной юстировки и стабилизации параметров лазера. Добавление в раствор DODCI красителя малахитовый зеленый обеспечивает стабильный импульсный режим также при сильном превышении порога накачки. С другой стороны, малахитовый зеленый сам по себе не позволяет осуществить стабильный импульсный режим. Полученные на этой установке импульсы асимметричны по форме и имеют экспоненциально спадающие фронты. Это подтверждает применимость использованной в разд. 3.2 для решения и соответствующей этой форме подстановки, введенной исключительно на основании анализа структуры основных уравнений. С другой стороны, измеренные в [6.19] импульсы не являлись частотно-ограниченными. Частота излучения за время следования импульса менялась («чирп» — см. разд. 2.5 и 8.3). Компрессия в диспергирующей среде позволила укоротить импульс до В [6.14] сообщалось о непосредственной генерации частотноограниченных импульсов длительностью В этой работе в резонатор лазера в качестве усилителя вводились свободная струя родамина и поглотитель (DODCI), протекавший по узкой кювете, находившейся в контакте с зеркалом. Такое устройство резонатора уже было описано в п. 6.3.2 и схематически показано на рис. 6.12.

Дальнейшего укорочения импульсов до достигли Диле и сотр. [6.5, 6.20]. Они применили резонатор, в котором, как уже описывалось в , поглощающая и активная среды (DODCI или малахитовый зеленый и родамин смешивались в единой струе. Это позволило уменьшить число элементов резонатора с семи в [6.19] и восьми в [6.14] до четырех (два фокусирующих зеркала и плоское выходное зеркало). Более короткие импульсы образуются в такой установке благодаря тому, что исключается или сильно ослабляется

сужение частотного диапазона дисперсными элементами и полностью используется ширина полосы лазерного перехода. Однако при этом теряется возможность перестройки частоты лазерного излучения.

Еще более короткие импульсы длительностью были получены Моро и Зицером [6.30, 6.31] в лазере с синхронной накачкой и двойной синхронизацией мод (п. 6.3.5), а также Форком, Грином и Шенком [6.6] в режиме сталкивающихся импульсов в кольцевом резонаторе. Такие лазеры будут рассмотрены ниже. Наконец, Дителю, Фонтэйну и Дилсу [6.38] удалось посредством компенсации «чирпа» в СРМ-лазере получить наиболее короткие из наблюдаемых внутри резонатора лазера к настоящему времени импульсы длительностью Вне резонатора Шенк, Форк и Йен [6.32] посредством компрессии получили импульсы длительностью а в дальнейшем Фудзимото, Вайнер и Иппен [8.42] — импульсы длительностью Халбот и Гришковский Шенк и др.

В настоящее время в литературе отсутствует достаточно полное описание систематических исследований зависимости параметров импульсов от различных параметров лазера. Поэтому сравнение теоретических выводов разд. 6.2 с экспериментальными результатами может быть проведено лишь качественно. Во многих работах (например, в [6.14, 6.20]) наиболее короткие импульсы были получены вблизи пороговой накачки. С ростом интенсивности накачки импульсы расширялись. Это согласуется с расчетной зависимостью длительности импульсов от интенсивности накачки, показанной для больших потерь на рис. 6.6, а (кривые 1 и 2), и противоречит сильно упрощенной теории Хауса [6.10], в которой предсказывается уменьшение длительности импульсов с увеличением усиления.

Сочетая теоретические и экспериментальные результаты, можно сформулировать следующие условия получения возможно более коротких импульсов (эти условия частично противоречат друг другу):

— Ширина спектра лазерного перехода должна быть большой и должна использоваться по возможности полностью. Это значит, что следует уменьшать частотно-селективные эффекты, возникающие из-за наличия призм, эталонов Фабри—Перо и кювет с красителем.

— Следует добиваться возможно большего значения отношения эффективных сечений поглотителя и усилителя Это отношение может быть увеличено телескопом. Аналогичный эффект может возникать в режиме сталкивающихся импульсов, осуществляемом при применении контактирующего с зеркалом узкого поглотителя, или в режиме двух сталкивающихся импульсов, который будет описан в

— Лазер должен работать при возможно больших потерях на поглощение, что требует высокой мощности накачки. Мощность накачки при этом должна лишь немного превышать пороговую, что позволяет получить наиболее короткие импульсы.

Здесь, однако, надо иметь в виду, что при более высоких мощностях накачки возможно возникновение двойных импульсов, которые не были учтены подстановкой (5.19) в разд. 6.2. Так же, как и при методе синхронной накачки, пиковая мощность импульсов может быть существенно повышена при применении режима работы с выводом одного импульса из резонатора. Таким путем была достигнута пиковая мощность порядка нескольких киловатт при частоте следования импульсов 103 Гц. Возможно также усиление импульсов, что позволяет достичь области гигаваттных мощностей [6.12] (см. разд. 5.3).