7. ПАССИВНАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ МОД В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРАХ

7.1. Принцип действия

Первые эксперименты по получению ультракоротких импульсов путем пассивной синхронизации мод твердотельного лазера были выполнены в 1965 г. Мокером и Коллинзом [7.1] на основе рубинового лазера и в 1966 г. Де Мариа и др. [7.2] на основе лазера на стекле с неодимом. В то время как длительности импульсов, генерируемых твердотельными лазерами, в общем случае превышают длительности импульсов лазеров на красителях с пассивной синхронизацией мод (около 15—20 пс в рубиновом лазере и от 2 до в лазере на стекле с неодимом), пиковая интенсивность импульсов твердотельных лазеров существенно выше. Так, например, для рубинового лазера она составляет несколько сот для лазеров на стекле с неодимом — несколько

Летохов [7.3, 7.4] предложил так называемую флуктуационную модель, позволившую количественно описать механизм синхронизации мод в твердотельных лазерах. Основой модели является предположение о том, что в результате нелинейного воздействия поглотителя из большого числа флуктуационных выбросов интенсивности, существующих в резонаторе к началу процесса усиления, выделяется и усиливается самый большой выброс, тогда как остальные подавляются. Аналогичные предположения были независимо сделаны Флеком [7.5], который моделировал процесс усиления в твердотельном лазере при помощи компьютера. Эта модель получила дальнейшее развитие в ряде работ [7.6-7.13, 7.40-7.44]. Следующее ниже, в разд. 7.2, теоретическое описание процесса синхронизации мод в твердотельном лазере главным образом основывается на работах [7.12, 7.13].

Согласно флуктуационной модели, процесс развития импульсов может быть разделен на три фазы (рис. 7.1). Линейная фаза процесса генерации (область I) начинается с некоторого момента времени, при котором после начала процесса накачки начинает превышаться порог генерации лазера и усиление превосходит потери. При этом энергия накачки выбирается таким образом, чтобы лазер работал при малом превышении порога.

Несмотря на это, в лазере из-за большой ширины линии лазерного перехода возбуждается очень большое число продольных мод, которые независимо усиливаются. Взаимодействие различных мод со стохастическим распределением фаз описывается стохастическим гауссовым процессом. Абсолютное число флуктуационных выбросов равно сначала по порядку величины числу мод резонатора, из которых, однако, лишь небольшое число существенно превышает средний уровень интенсивности. Вследствие большего усиления мод, расположенных в центре линии лазерного перехода, спектр излучения в течение линейной фазы сужается, так как боковые моды у края линии перехода усиливаются в недостаточной степени (естественная селекция мод). Во временном представлении это соответствует сглаживанию и расширению флуктуационных выбросов амплитуды. Так, например, стекло с неодимом обладает линией шириной Гц. Соответственно длительность одного флуктуационного выброса в начале линейной фазы с.

Рис. 7.1. Схематическое представление развития во времени усиления потерь на поглощение и пиковой интенсивности импульса (К — число проходов импульса по резонатору.)

При длине резонатора и эффективном усилении, составляющем несколько процентов, длительность линейной фазы соответствует примерно 2000 проходам. За это время за счет селекции мод длительность импульсов возрастает примерно до с.

Нелинейная фаза (область II) начинается тогда, когда наибольший флуктуационный выброс поля излучения достигает интенсивности, при которой начинает проявляться нелинейность поглотителя или усилителя. Насыщение поглощения в очень быстро релаксирующем поглотителе благоприятствует росту максимального выброса по сравнению с другими, так как этот выброс испытывает меньшие потери, чем остальные с меньшей интенсивностью. Выделение максимального выброса из других флуктуаций усиливается еще вследствие того, что при малом уменьшении усиления за счет снятия инверсии населенностей в усилителе менее интенсивные флуктуационные выбросы с большой вероятностью могут оказаться ниже порога возбуждения. Это существенно уменьшает вероятность образования двойных импульсов. Одновременно это требует превышения

энергией накачки так называемого второго порога, так как иначе вследствие уменьшения усиления за время нелинейной фазы баланс усиления может оказаться отрицательным и для максимального импульса. Интенсивность максимального импульса за время нелинейной фазы быстро нарастает и после ста проходов уже превосходит интенсивность насыщения поглотителя, в то время как более слабые по интенсивности флуктуаций подавляются. Импульс одновременно укорачивается за счет большего поглощения в нелинейном поглотителе на его фронтах, чем в максимуме. Это укорочение не компенсирует, однако, увеличения длительности импульса за время линейной фазы.

Нелинейная фаза заканчивается в момент насыщения нелинейного поглотителя. В этот же момент в принципе заканчивается процесс формирования импульса и начинается «фаза насыщения» усилителя (область III). В течение этой фазы инверсия населенностей в усилителе полностью снимается и процесс генерации прекращается. Соответственно этой специфике процесса генерации стационарный режим при пассивной синхронизации мод твердотельного лазера не достигается, а излучается цуг из нескольких импульсов с переменными параметрами. Интервал между импульсами равен времени прохода резонатора (см. рис. 7.6). Параметры цуга, такие, как его средняя продолжительность и интенсивность в максимуме, устанавливаются в области III. За время этой усилительной фазы вследствие большой интенсивности импульсов могут проявляться эффекты, связанные с зависимостью от интенсивности коэффициента преломления, такие, как автомодуляция фазы, что может привести к расширению спектра, положительному сдвигу частоты или расщеплению импульсов на стохастические подымпульсы. Подобные эффекты могут существенно повлиять на свойства импульсов. Их можно, однако, исключить путем ограничения максимальной интенсивности, так как они проявляются лишь после окончания процесса синхронизации мод.