2. Методыселекциипродольныхмод

Процедура уменьшения числа продольных мод, или выделенияединственной моды, называется их селекцией. Существует многообразие эф-фективныхметодов селекции, которые в различной степениобеспечиваютснижение числа одновременно генерируемых лазеромпродольных мод. Рас-смотрим некоторые из них. В соответствии с (5.4) сокращение числа про-дольных мод может быть достигнуто двумя способами: либо увеличениеммежмодового интервала Δν_q, либо уменьшениемширины зоны генерацииΔν_ген.

1. Метод прореживания спектра частот собственных колебаний ОР.Метод основан на увеличении межмодового интервала Δν_q=c/2nLзa счетуменьшениядлиныоптическогорезонаторалазераотначальнойLдозна-

ченияL^'<L(рис.5.3).Витогесокращаетсячислопродольныхмодлазера

N=Δν_{ген/Δνq=}Δν_генnL/с.

Усиление

Усиление

^νq– 1

^{νq ν}q+1 ^ν

Рис.5.3.Сокращениечислапродольных модвкороткомрезонаторе

УменьшаяL, можно повысить Δν_qдо величины, сравнимой с ширинойзоныгенерации, идостаточно простореализовать одночастотный режим.НоодновременносуменьшениемLснижаетсякоэффициентусиленияза

один проходG₁= exp (χ_ус– χ_п)Lи, как негативное следствие, падает гене-рируемая лазером мощность. Естественно, что применение метода прорежи-ванияспектра планируетсяеще наэтапе разработкилазера.

2. Методы уменьшения зоны генерации.Сокращать∆ν_генможно за счетпонижения температуры активной среды и уменьшения превышения усиле-ниянадпотерями.

   1. Температурное сжатие зоны генерации. Метод основан на темпе-ратурной зависимостиширины контура усиления АС ∆ν_АС=f(T). При по-нижениитемпературысокращается∆ν_АС,стремяськестественнойширине

линии ∆ν_е(рис. 5.4,а), и, соответственно, уменьшаетсяширина зоны генера-циипрификсированном уровнепотерь(рис.5.4,б).

^Δν_АС Усиление

Δν_АС

Δν_е

T₁ Т₂ Т

^νq –1^νq ^νq +1

а б

Рис.5.4.Температурноесжатие:а–контураусиления;б–зоныгенерации

При пониженной температуреТ₁<Т₂усиление для продольных мод синдексами (q– 1) и(q+ 1) окажется меньше уровня потерь и они будут по-давлены.Температурныйметодселекциивнешнепрост,нодаетэффектлишь

при охлаждении АС до криогенных значенийТ₁, что крайне затрудняет тех-ническуюреализацию.

2. Сжатиезоныгенерацииприсниженииусиления.Уменьшаяусиле-

ниеАС за счет снижения мощности накачкидо значенияР_нак2<Р_нак1принеизменном уровне потерь УП1, можно сократить зону генерациии пода-витьнежелательныемоды.Вслучае,изображенномнарис.5.5,усиление

превышает потери только на частоте ν_q,и в спектре лазера будет присут-ствоватьодна продольная мода.

Усиление

^νq–2^νq–1 ^νq ^νq+1 ^νq+2 ^ν

Рис.5.5.Сжатиезоныгенерации приснижениипревышения усилениянадпотерями

Прииспользованииданногометодаселекцииприходитсямиритьсясозначительнымуменьшениемвыходноймощностиизлучениялазера.

3. Сжатиезоныгенерацииприувеличенииуровняпотерь.Повыше-ниеуровняпотерьотзначенияУП1доУП2(рис.5.5)принеизменноймощ-

ности накачкиР_нак1сопровождается значительным сокращением ширинызоны генерации. В результате подавления слабых мод, для которых коэффи-циентпревышенияменьшеединицы,лазерперейдетводночастотныйрежим

генерации на частоте ν_q. Принудительный рост потерь сокращает число мод,для которых выполняется условие генерации, и тем самым увеличивает сте-пень монохроматичностиизлучения. Но, как и в предыдущем случае, вслед-ствие уменьшения превышения падает и уровень мощности лазерного излу-чения. Возрастание потерь при фиксированном уровне потребляемой мощно-сти дополнительно приведет к уменьшениюКПД лазера. Рассматриваемыйметод является экономически невыгодным, но используется на практике всилу простоты реализации, например, путем разъюстировки зеркал оптиче-ского резонатора.

3. Методы внутрирезонаторной селекции.Существуетнесколько ме-тодов получения одночастотного режима, базирующихся на использованиивнутрирезонаторных селективныхэлементов.

   1. Метод селективно поглощающей ячейки. Поглощающая ячейка свеществом, имеющим узкую линию пропускания в пределах контура усиле-ния используемой АС, помещается в ОР. При этом длину ОР необходимоподстроить так, чтобы одна из частот генерации лазера совпадала с линиейпропускания ячейки. Уровень потерь для селектируемой моды окажется ми-нимальным,чтообеспечитодночастотныйрежимгенерации.

   2. Метод поглощающей пленки. Данный метод предполагает исполь-зование тонкой (меньшей, чем λ/100) поглощающей пленки, устанавливае-мой в узел селектируемой моды (рис. 5.6). Поскольку в узле напряженностьэлектрического поля волны равна нулю, потери энергии для выбранной модыбудут минимальны. Для остальных продольных мод, фаза которых в плоско-сти пленки отличается от нуля, условие генерации выполняться не будет из-зарезкоговозрастанияуровняпотерь.Вэтомметодезасчетнарушенияусловий генерации для нежелательных продольных мод возникает перекачкадополнительнойэнергии вселектируемуюмоду.

Рис.5.6.Селекцияспомощьюметаллическойпленки

Техническая реализация методавесьма сложна и требует использова-ния системы обратной связи, основанной на регулировании длины оптиче-скогорезонатора.

3. Метод внутрирезонаторного интерферометра. Суть способа се-лекции заключается в использовании короткого пассивного оптического ре-зонатора – интерферометра Фабри–Перо (ИФП). Простейшим вариантом та-кого ИФП является плоскопараллельная пластина, помещаемая в ОР лазера.ЧастотныйспектрИФПможетбытьрассчитанпо(5.2),(5.3)заменойдлиныLОР лазера на длину интерферометраL_ИФП. ПосколькуL_ИФП<<L, то спектрпропусканияинтерферометра является существенно прореженным по срав-нениюсоспектромизлучениялазера,илегкообеспечиваетсяусловие

∆ν_ИФП> ∆ν_ген. ИФП обладает конечной прозрачностью только для тех частотизлучения лазера, которые совпадают с его собственными резонансными ча-стотами. Если одна из резонансных частот (полос пропускания) ИФП попа-дает в зону генерации и совпадает с какой-либо продольной модой лазера, тореализуется одночастотный режим работы. Иными словами, внутрирезона-торный ИФП представляет собой узкополосный оптический фильтр, которыйиз всего набора генерируемых продольных мод лазера вырезает одну. В об-щем случае интерферометры строятся на основе двух параллельных отража-ющихповерхностей,например,зеркалсконечнымпропусканием.

4. Селекция с помощью сложных резонаторов.Идея методов данноготипа базируется на создании с помощью дополнительных зеркалкороткихоптических резонаторов,сопряженных сосновным резонаторомлазера. Каки в случае использования внутрирезонаторного ИФП, короткие ОР имеютпрореженныеспектры,когдасоседниемодыразнесенынаотносительнобольшие спектральные интервалы. В таком лазере, состоящем из трех резо-нансных систем: активной среды, основного и вспомогательного оптическихрезонаторов,генерациявозможнатольконаобщейчастоте(рис.5.7).

Усиление

Усиление

^νq –2 ^νq –1 ^νq ^νq+1 ^νq +2 ^ν

^ν'q– 1

P

^{ν'q ν'}q+1 ^ν

^νq ν

Рис.5.7.Одночастотныйрежимвсложномрезонаторе

Прецизионной подстройкой длины резонатора можно добиться совпа-дения одной из мод вспомогательного ОР с селектируемойпродольной мо-дой лазера, располагающейся в зоне генерации, и создать условия для воз-никновенияодночастотногорежима генерации.

1. Метод трехзеркального резонатора.Три зеркала образуют два оп-тических резонатора: основной ОР имеет длинуLи включает зеркала З₁и З_2(рис.5.8).Межмодовыйинтервалосновного ОР составляет∆ν_q=c/2L.

Активнаясреда

З_{1 З2}

Рис.5.8.Трехзеркальныйрезонатор

РезонансныечастотывспомогательногокороткогоОР,имеющегодли-нуL^'<<LиобразованногозеркаламиЗ_2иЗ₃,сдвинутыотносительнодруг

друганавеличину

^'

=c/2L^'>>Δ_q(рис.5.7).Лазернаягенерацияпроисхо-

q

q

дитнаобщейчастоте=_q=^'.

2. Метод резонатора Фокса–Смита.Общая идея метода совпадает спредыдущим пунктом, но техническая реализация одночастотного режимасущественно разнится (рис. 5.9). Отличия заключаются в использовании све-тоделителя (СД), помещенного внутрь основного резонатора, и измененииходалучейвовспомогательномОР.Направленияраспространениялучейв

основном резонаторе(З₁, З₂) сохраняются. В короткомрезонаторе (З₂,З₃)лучи изламываютсяподпрямымугломс помощьюСД.

З₃

45°

СД

^З1 Потери ^З2

Рис.5.9.Резонатор Фокса–Смита

Существуют и внерезонаторные методы селекции, основанные на се-лекции выбранной продольной моды из числа уже сформированных спек-тральных составляющих лазерного излучения. С точки зрения КПД внерезо-наторные методы проигрывают внутрирезонаторным, так как в них произво-дится селекция выходного многочастотного излучения лазера, покинувшегооптический резонатор. При реализации же внутрирезонаторных методов всяэнергия возбуждения АС направляется на формирование одной единственноймоды. Чаще всего внерезонаторная селекция осуществляется с помощью ин-терферометраФабри–Перо.

ЕслисеткурезонансныхчастотИФПсмещатьвозвратно-поступательно за счет периодического изменения его длины, то можно осу-ществить контроль спектрального состава излучения лазера и его отображе-ние на экране осциллографа или монитора. Такой ИФП называется сканиру-ющиминтерферометром.