Работа лазера в режиме синхронизации мод.

Вспомним (1.11), что для самовозбуждения лазера необходимо, чтобы усиление света за счёт вынужденного излучения в инвертируемой среде превышало величину потерь. Т.е. условие возникновения генерации представляется в виде

 

R1R2 exp [2s (N2 — N1)L] = 1        (3.1)

 

Данное условие называется амплитудным условием самовозбуждения лазера.

Другое условие самовозбуждения, называемое фазовым, состоит в том, что на длине резонатора должно укладываться целое число полуволн генерируемого излучения

 

L = nl/2, где n = 1,2,3,…          (3.2)

 

При выполнении этого условия фазовый набег световой волны при двойном проходе резонатора кратен величине 2p, что обеспечивает оптимальное условие для усиления света.

Рассмотрим подробнее спектральные и временные характеристики излучения лазера.

Фазовые условия самовозбуждения лазера (3.2) показывают, что лазерная генерация идёт на дискретных частотах – частотах собственных мод резонатора, которые образуют эквидистантный спектр (рис.3.2.а).

 

 

Рис. 3.2. Спектр излучения многомодового лазера. Частоты собственных мод резонатора (а), спектр генерации лазера (б), интенсивность (с)

 

При этом напряжённость светового поля в некоторой фиксированной точке пространства можно представить в виде

 

     (3.3)

 

При полной синхронизации фазы всех спектральных компонент амплитуда колебаний поля имеет вид

   (3.4)

а вид интенсивности (I = A²) представлен на рис.3.2.с. Видно, что излучение лазера представляет собой последовательность мощных коротких импульсов. Легко определить, что длительность каждого отдельного импульса обратно пропорциональна полной ширине спектра лазера

 

   (3.5)

 

А период следования импульсов можно представить в виде

 

T = 2L/c                       (3.6)

 

Если узкополосный одномодовый лазер генерирует световые колебания синусоидальной формы, то временной ход излучения многомодового лазера может быть разным, и зависит от количества этих мод, их амплитуды и фазы. Это иллюстрирует рис. 3.3, на котором показан временной ход излучения многомодового лазера в двух противоположных предельных случаях – для полность независимых (а) и жёстко синхронизованных (б) колебаний отдельных мод.

 

 

Рис. 3.3. Спектры (слева) и временной ход (справа) излучения лазера с несинхронизированными модами (а) и в режиме синхронизации мод (б)

 

Видно, что в первом случае излучение подобно оптическому шуму, в то время как во втором случае лазер генерирует мощный короткий импульс. Режим генерации коротких импульсов называют режимом синхронизации мод.

Формула (3.6) показывает, что период следования импульсов равен двойному времени пробега света через резонатор. Это позволяет сделать вывод, что в режиме синхронизации мод в резонаторе формируется короткий плотный “сгусток” излучения. При каждом попадании этого сгустка на выходное зеркало резонатора часть излучения выходит наружу, образуя последовательность световых импульсов, следующих с периодом T = 2L/c. В связи с этим становиться ясно, что роль синхронизатора мод может играть насыщающий поглотитель (просветляющийся фильтр), помещённый внутрь лазерного резонатора. Зависимость пропускания такого фильтра от энергии падающего излучения представлена на рисунке 3.4. Препятствуя усилению света слабой постоянной интенсивности, такой элемент становится прозрачным для мощных, коротких импульсов света. Данный способ генерации сверхкоротких лазерных импульсов широко используется на практике и называется способом пассивной синхронизации мод.

 

 

Рис.3.4. Пропускание насыщающего поглотителя в зависимости от падающей на него энергии

 

Принципиальная оптическая схема лазера с пассивной синхронизацией мод показана на рисунке 3.5. В качестве насыщающего поглотителя используют обычно тонкую кювету со специально подобранным органическим красителем.

 

 

Рис. 3.5. Оптическая схема лазера с пассивной синхронизацией мод