Машцштшйсн поглотитель

Насыщающийся поглотитель

\

непосредственно прилегающую к одному из зеркал резонатора (рис. 5.44, а). Если моды вначале не синхронизованы, то интен­сивности каждой из двух распространяющихся в резонаторе волн представляют собой случайные последовательности свето­вых всплесков (на рис, 5.44, а указаны цифрами 1, 2 и 3; см. также рис. 5.40). Вследствие насыщения поглотителя наиболее интенсивный импульс, помеченный на рисунке цифрой 1, испы­тает наименьшее ослабле-

1

⁵ _(I ^В

_I

_I

_i

зеркало резонатора

зерна пи резо/шош/т а

HHe*> в поглотителе. Этот импульс будет нарастать быстрее других, а после многих проходов резона­тора в конечном счете установится картина, изо­браженная на рис. 5.44,

Рис. 5.44. Временное представление процес­са пассивной синхронизации мод.

когда останется один мощный импульс, В дей­ствительности насыщаю -

щийся поглотитель дей­ствует так, как мы описали выше, только если его время релак­сации меньше промежутка времени между двумя последователь­ными шумовыми импульсами на рис. 5.44, а или по крайней мере сравнимо с ним (обычно около нескольких десятков пикосекунд). В случае медленного поглотителя (т. е. когда х имеет порядок нескольких наносекунд) насыщение поглотителя, вызванное, на­пример, импульсом 1 на рис. 5.44, а, не успеет заметно релакси-ровать к моменту прихода импульса 3 и выделения наиболее ин­тенсивного импульса не будет происходить.

Хотя во многих лазерах с пассивной синхронизацией мод применяются быстрые насыщающиеся поглотители, в некоторых условиях синхронизацию мод могут обеспечить также медлен­ные насыщающиеся поглотители. Это возможно, когда энергия насыщения усиливающей среды сравнима с энергией насыщения поглотителя, хотя и несколько превышает ее. К синхронизации мод в этом случае приводят весьма тонкие физические явления [28], которые мы опишем с помощью рис. 5.45. Для простоты предположим, что как насыщающийся поглотитель, так и актив­ная среда помещены вместе в одну и ту же кювету на одном из концов лазерного резонатора. Будем считать, что до появления импульса потери преобладают над усилением, поэтому участок переднего фронта импульса испытывает ослабление. С некото­рого момента времени в течение переднего фронта импульса, когда накопленная плотность энергии импульса станет сравни-

Относительное ослабление. — Прим. перев.

мой с плотностью энергии насыщения поглотителя, поглотитель начнет насыщаться. Потери в поглотителе могут таким образом оказаться меньше, чем усиление, и, если энергия импульса до­статочно велика, это произойдет в некий момент времени на пе­реднем фронте импульса (точки t_x и t[ на рис. 5.45). Начиная

с этого времени импульс будет не ослабляться, а усиливаться. Однако, если плотность энергии насыщения усиливающей среды лишь ненамного выше, чем у насыщающегося поглотителя, то

_т¹ _\

Нсссыщающеес* усиление д (i)

I

Рис. 5.45. Непрерывная синхронизация мод с помощью медленно насыщаю­щегося поглотителя. Заметим, что на рисунке не соблюдается масштаб, по­скольку длительность синхронизованного импульса обычно меньше 1 пс, тогда как интервал времени между двумя последовательными импульсами т_Р, т. е. время обхода резонатора, равно обычно нескольким наносекундам.

насыщение усиления тоже произойдет несколько позже на вре­менной шкале импульса. Следовательно, в некоторый момент времени на заднем фронте импульса (точки t₂ и t'₂ на рис. 5.45)

усиление может стать меньше потерь. При указанных выше ус­ловиях импульс будет испытывать усиление в своей центральной части (т. е. при t\ < t < fe) и ослабление на краях (т. е. при t < t_x и t > t₂). Таким образом, при прохождении через кювету импульс будет сужаться и усиливаться. Этот процесс сужения и усиления прекратится тогда, когда длительность импульса ста­нет сравнимой с обратной шириной полосы усиления Av₀. Сле­довательно, в этом случае длительность импульса Ах_р должна быть примерно равна 1/Avq. Заметим, наконец, что после прохо­ждения импульса в режиме синхронизации мод и до появления следующего насыщающиеся потери восстанавливаются до сво­его исходного уровня посредством спонтанной (излучательной и безызлучательной) релаксации. В течение того же самого ин­тервала времени в процессе накачки восстанавливается началь­ное значение насыщающегося усиления. Чтобы это происходило, необходимо, чтобы время восстановления усиливающей среды (т. е. время жизни ее верхнего уровня) было сравнимо с вре­менем полного прохода резонатора. Поэтому данный тип син­хронизации мод можно реализовать на короткоживущих (по­рядка нескольких наносекунд) усиливающих средах, таких» как красители или полупроводники, но его нельзя осуществить на долгоживущих (порядка 1 мс) усиливающих средах, вроде Nd; YAG или С0₂. Однако если выполнить весьма тонкие усло­вия, необходимые для данного метода синхронизации мод, то можно получать очень короткие световые импульсы длитель­ностью вплоть до обратной ширины линии лазера. Действитель­но, таким способом в лазере на красителе с непрерывной на­качкой и пассивной синхронизацией мод были получены самые короткие импульсы (~ 25 фс в лазере на родамине 6G с синхро­низацией мод на насыщающемся поглотителе DODCI).