17.3.Методи синхронізації мод.

З попереднього видно до яких наслідків приводить фіксація фаз поздовжніх мод лазера. Синхронізації мод можна досягнути шляхом модуляції втрат ( або підсилення) лазера з частотою яка рівна міжмодовому інтервалу. Щоб отримати правильне представлення про цей процес, розглянемо модуляцію втрат з допомогою тонкого затвору, який поміщено всередину резонатора лазера. Будемо рахувати, що затвор закритий більшу частину часу і відкривається лише на протязі короткого проміжку через кожні

секунд (рис. 17.5).

Рис.17.5. Періодична модуляція втрат, яка здійснюється затвором з метою синхронізацією мод. Періодична зміна втрат приводить до встановлення таких фазових співвідношень, що імпульс проходить затвор в той час, коли він повністю відкритий.

Одномодовий лазер не може генерувати в таких умовах внаслідок високих втрат (допускаємо, що набагато менше часу розвитку генерації). Теж саме відноситься і до багатомодової генерації з довільними фазами мод. Тим не менше існують винятки, коли фази задані, як в (17.3), і поширення енергії всередині резонатора має той же вигляд що і на рис. 17.4, тобто представляє собою вузький біжучий імпульс. Якщо такий пакет попадає на затвор, коли він відкритий, і якщо тривалість імпульсу меньша часу перебування затвору в відкритому стані, тоді імпульс не буде відчувати присутності затвору в резонаторі і, відповідно, не буде послаблюватися ним. Можна зробити висновок, що періодична модуляція втрат викликає синхронізацію мод за допомогою дії свого роду механізму “природного відбору”. Насправді затвор, який працює в періодичному режимі, відсікає “хвости”, які виникають в наслідок відхилення фаз від ідеальних значень. Таким чином, проходить неперервне відновлення фазових співвідношень.

Такий режим досягається введенням в резонатор тонкого затвору, який періодично закривається. В даних випадках затвор управляється зовнішнім сигналом. Режим роботи лазера, який реалізується по цій причині, часто називають ”активною синхронізацією мод”. Періодична модуляція втрат може досягатися внаслідок брегівської дифракції генеруючої світлової хвилі на стоячій ультразвуковій акустичній хвилі. Частота модуляції втрат, пропорційних інтенсивності акустичної хвилі, рівна подвоєній частоті акустичних коливань.

При активній синхронізації мод можуть модулюватися втрати в резонаторі, а також фазова модуляція, яка здійснюється з допомогою електрооптичного кристалу, орієнтованого таким чином, щоб запізнення по фазі в поширювальній хвилі було пропорційно миттєвому значенню напруги, прикладеній до кристалу. Частота модулюючого сигналу, як і у випадку модуляції втрат, рівна оберненій величині часу повного обходу резонатора або, іншими словами, частотному інтервалу між сусідніми повздовжніми модами.

Ефекту періодичного перекриття оптичного шляху можна досягнути також, поміщаючи в середину резонатора поглинач, який насичується. В якості поглиначу звичайно використовують розчини органічних барвників або газоподібні середовища, поглинання яких на довжині хвилі генерації лазера падає з ростом інтенсивності випромінювання. Такий поглинач буде підтримувати імпульсний режим генерації, тому що в такому режимі менші втрати, ніж при неперервній генерації . В лазерах, які містять поглинач, що насичується (середовище, поглинання якого знижується з ростом інтенсивності оптичного випромінювання), синхронізація мод здійснюється без зовнішньої дії. Цей метод синхронізації мод знайшов широке застосування в потужних імпульсних твердотільних лазерах і називається пасивним методом синхронізації мод.

Процес генерації після включення іде так, що найбільш інтенсивний із викидів флуктуаційного поля в резонаторі розвивається значно швидше (експоненціально) від інших. В результаті встановлюються пульсації випромінювання з періодом, який рівний часу повного обходу резонатора Ця пасивна синхронізація мод найчастіше використовується в імпульсних лазерах з тривалістю накачування менше ніж c.

Є також і додатковий аргумент в користь того, що поглинач, який насичується з часом відновлення рівним , приводить до синхронізації мод та генерації імпульсів з тривалістю Він полягає в тому, що повна енергія, яку тратить імпульс заданої енергії, перестає залежати від оскільки барвник не встигає відновитися за час генерації імпульсу. Якщо використати двохрівневу модель поглинача маємо

, (17.10)

де та – густини молекул в основному (поглинаючому) і збудженому станах. Символ означає ймовірність спонтанного переходу молекули з рівня 2 на рівень 1, в той час як – ймовірність індукованого переходу – загальна густина молекул. Уявімо собі прямокутний імпульс випромінювання тривалістю на одиницю поперечного перетину якого в просторі є фотонів. Зменшення потоку фотонів (фотонів/м² с) з віддалю рівне числу молекул, які збудилися за одиницю часу в одиниці об’єму

(17.11)

Тут використано співвідношення , де – переріз резонансного поглинання (м²). Якщо при всі молекули знаходяться в основному стані, , рівняння (17.10) і (17.11) зводяться до такого

(17.12)

Вважаючи, що інтенсивність випромінювання в результаті однократного проходження комірки спадає не дуже сильно (скажемо, ненасичене поглинання за прохід менше 35%), останнє рівняння можна проінтегрувати по всій довжині поглинаючої комірки і підрахувати повне число фотонів на одиницю площі, які поглинулися при проходженні імпульсу через комірку

(17.13)

Як уже говорилося, що тривалість імпульсу, набагато менше часу релаксації, не приводить до помітного зменшення втрат. Ця обставина обмежується тривалістю імпульсу величиною в той час як ширина лінії підсилення Звідси випливає, що всі спектральні компоненти випромінювання підсилюються активним середовищем.

В таблиці 17.1 наведені тривалості імпульсів, які отримані методом синхронізації мод для деяких лазерних середовищ.

Таблиця 17.1.