7.3. Экспериментальные установки и результаты

7.3.1. Устройство и особенности твердотельных лазеров с пассивной синхронизацией мод

Типовая схема твердотельного лазера с пассивной синхронизацией мод изображена на рис. 7.5. Наиболее существенными компонентами установки являются оптический резонатор, лазерный стержень и кювета с красителем, содержащая поглотитель.

Рис. 7.5. Схема устройства резонатора твердотельного лазера с пассивной синхронизацией мод. 1 — зеркало со 100 %-ным отображением, контактная кювета с красителем; 2 — фильтр света накачки; 3 — лазерный стержень; 4 — апертурная диафрагма; 5 — выходное зеркало.

Обычно за выходным зеркалом лазера ставится затвор, выделяющий из цуга один импульс (см. п. 7.3.3). Для получения при синхронизации мод повторяющихся цугов импульсов с хорошими параметрами и не содержащих побочных импульсов необходима тщательная оптимизация отдельных компонентов, а именно выбор конфигурации резонатора, типа красителя, его растворителя и подбор концентрации красителя, а также

толщины кюветы с красителем и ее расположения в резонаторе. Однако независимо от этого, как было показано в разд. 7.2, даже при тщательной оптимизации всегда остается некоторая вероятность образования двойных импульсов или установления в лазере режима свободной генерации, что связано с флуктуационной природой возникновения процесса синхронизации мод. Эта вероятность может быть сведена к минимуму лишь путем вариации эффективных сечений поглотителя и усилителя посредством тщательной балансировки действий процессов снятия усиления и насыщения поглотителя.

Важным требованием к системам с синхронизацией мод является полное устранение отражений, которые могут иметь место от оптических компонентов как внутри, так и вне резонатора. Отражение от оптических поверхностей, параллельных плоскостям зеркал резонатора, является причиной образования вторичных резонаторов, которые существенно нарушают процесс синхронизации мод, удлиняют основной импульс и являются причиной появления множества стохастически распределенных импульсов. Такие резонансы могут исключаться скашиванием граней лазерного стержня, расположением граней кюветы с красителем под углом Брюстера к лучу или нанесением просветляющих диэлектрических покрытий.

Другим условием получения хорошо воспроизводимых пикосекундных импульсов является селекция высших поперечных мод. Это достигается применением диафрагмы. Часто для компенсации образующейся в активной среде тепловой линзы применяются дополнительные корректирующие линзы [7.16]. В устройстве, изображенном на рис. 7.5, кроме того, применен фильтр света накачки. Он предохраняет краситель от возможной фотодиссоциации под действием рассеянного света импульсной лампы.

Длина резонатора обычно выбирается порядка 1 м. В этом случае интервал между импульсами составляет 10 не. Свойства красителя, а также расположение кюветы с красителем внутри резонатора являются дальнейшими важными факторами, влияющими на процесс синхронизации мод. Аналогично тому как это имело место при пассивной синхронизации мод в лазерах на красителях, в твердотельных лазерах оптимальные условия синхронизации мод и наиболее короткие импульсы получают при применении насыщающихся поглотителей с тонким слоем, находящихся в контакте с зеркалом резонатора [7.17, 7.18]. В отличие от лазеров на красителях в твердотельных лазерах время релаксации насыщающегося поглотителя, согласно теории, должно быть короче или по крайней мере равно по порядку величины длительности импульса. Полоса частот поглощения поглотителя должна лежать внутри спектра вынужденного излучения лазера. Полуширина этой полосы частот должна

превосходить ширину линии излучения. В качестве насыщающихся поглотителей в лазерах на стекле с неодимом и лазерах на АИГ :Nd можно применять различные полиметиновые красители. Для синхронизации мод рубинового лазера может использоваться, например, криптоцианин (растворенный в ацетоне) или (растворенный в метаноле или этаноле [7.20]). Воспроизводимые и особенно короткие импульсы можно получить, применяя смесь из и родамина растворенных в метаноле [7.21]. Ввиду возможных переходов в долгоживущее триплетное состояние необходимо периодически заменять краситель свежим раствором. Это осуществляется при непрерывном поступлении красителя в кювету из большого резервуара. Такая циркуляция обеспечивает возможность в течение длительного времени поддерживать неизменными состав смеси, ее температуру и концентрацию. Толщина слоя в кювете с красителем выбирается обычно в пределах от 0,02 до 1 см. При оптимальном использовании когерентного эффекта в контактном поглотителе она должна быть меньше оптической длины импульса. Вместо фильтра света накачки для защиты красителя от фотодиссоциации может применяться вставленное в окна кюветы стекло, поглощающее ультрафиолетовое излучение.

Следующим условием осуществления хорошей синхронизации мод является тщательный выбор уровня интенсивности накачки, который должен лишь немного превосходить второй порог лазера. Это условие также непосредственно следует из принципа синхронизации мод в соответствии с теоретическим анализом в разд. 7.2. Более высокая интенсивность накачки является причиной быстрого нарастания вероятности образования импульсов-сателлитов. Коэффициент передачи насыщающегося поглотителя для слабого сигнала должен при этом быть по возможности меньшим (от 50 до 80 %). Во многих случаях для уменьшения вероятности установления режима двойных импульсов целесообразно использовать помещенные в резонатор телескопические расширители пучка, снижающие интенсивность в красителе по сравнению с интенсивностью в усилителе. Это эквивалентно увеличению эффективного отношения поперечных сечений — площади сечения пучков соответственно в усилителе и поглотителе).