Глава 5. Перестройка частоты генерации лазера
Большое разнообразие лазеров связано не только с потребностями рынка, но и с техническими возможностями.
Ширина линии усиления некоторых лазеров является очень большой и может возникнуть необходимость перестройки длины волны выходного излучения в пределах всей доступной ширины линии. В других случаях лазеры усиливают на нескольких переходах.
В обоих этих случаях применяют селективный элемент типа дифракционной решетки или призмы. Для данного угла поворота решетки существует только одна длина волны, которая отражается назад в резонатор. Перестройка осуществляется вращением решетки (или призмы).
Одномодовая и многомодовая генерация.
Лазеры, как правило, генерируют в многомодовом режиме. Это связано с тем, что межмодовое расстояние обычно меньше ширины контура усиления.
Например, при длине лазера 1м, разность между соседними продольными модами будет 150 МГц. Для газового лазера ширина линии составляет примерно 1 ГГц из-за доплеровского уширения, а для твердотельного до 300 ГГц.
Если линия усиления лазера уширена однородно, то лазер должен генерировать на одной моде. Пусть одна из мод совпадает с максимумом контура усиления. Коэффициент усиления лазера определяется выражением
Генерация начнется
на центральной моде, как только инверсия
достигнет крайнего критического значения
NC,
при котором
усиление будет равно потерям в резонаторе. Это условие . Однако, даже если скорость накачки Wp сделать выше порогового значения в стационарных условиях, инверсия зафиксируется при критическом значении. Поэтому максимальное усиление имеет фиксированное значение Pc. Если линия уширена однородно, её форма не изменяется при накачке и усиление для других мод будет меньше чем для центральной линии. Если потери для всех мод одинаковы, то в стационарном случае генерация происходит лишь на центральной моде.
В случае неоднородно уширенной линии на контуре линии могут «выжигаться дырки». Если Wp больше Wcp, то усиление центральной моды равно критическому (Pc), а коэффициенты усиления для других мод (P1, P2) будут продолжать увеличиваться до соответствующих критических значений.
В этом случае при работе лазера с накачкой, превышающей пороговое значение, генерация возможна более чем на одной моде.
В активной среде каждой моде соответствует определенная пространственная картина стоячих волн. При генерации мода 1 достигает порога в точках максимума электрического поля. В точках, в которых
электрическое поле равно нулю инверсия населенностей может достигать значения выше критического. Поэтому генерация может происходить и на 2 моде. Происходит пространственное выжигание дырок, а не частотное, как в контуре неоднородно уширенной линии.
Таким образом, лазер всегда имеет тенденцию работать в многомодовом режиме. При однородном уширении линии усиления это является следствием пространственного выжигания дырок, а в случае чисто неоднородной линии – следствием только спектрального выжигания дырок, поскольку моды взаимодействуют с различными наборами атомов и механизм пространственного выжигания дырок не играет никакой роли.