Насыщающийся поглотитель представляется в виде двухуровневой системы с очень большим сечением поглощения в максимуме лазерного излучения (σ ~ 10–16 см2). Это означает, что интенсивность поглощения (Is ~ 1/σ) сравнительно мала и под воздействием интенсивного лазерного излучения поглотитель становится прозрачным (благодаря насыщению).

Если поместить насыщающийся поглотитель в резонатор лазера, длина волны которого совпадает с максимумом поглощения затвора, то в начальный момент времени происходит линейное поглощение падающего света. Вследствие большого поглощения, лазерная генерация отсутствует, при этом критическая инверсия населенностей оказывается очень высокой. В момент времени, когда интенсивность падающего света становится сравнимой с интенсивностью поглощения Is, происходит насыщение поглотителя и он начинает просветляться. Вследствие этого увеличивается скорость нарастания интенсивности лазерного излучения, что, в свою очередь, приводит к увеличению скорости просветления поглотителя. После просветления инверсия населенностей значительно превышает потери в резонаторе лазера, и как следствие этого, на выходе лазера появляется излучение в виде короткого (~20 нс) и интенсивного (~106 Вт) светового импульса. Следует заметить, что за время достижения падающим светом максимального значения происходит многократное прохождение света внутри резонатора. В результате этого происходит естественная селекция мод. Поэтому использование пассивного модулятора в резонаторе лазера приводит к одномодовой генерации лазера. Для сравнения с активной модуляцией, полное число проходов при пассивной модуляции превышает почти 100 раз.

Пассивная модуляция добротности является самым простым и дешевым способом модуляции добротности. Однако этот способ модуляции имеет ряд недостатков, что ограничивает его широкое применение. Основным недостатком насыщающегося поглотителя является фотохимическая деградация.

4.4. Синхронизация мод

Синхронизация мод – это такой процесс, при котором амплитуды и разности фаз произвольных мод резонатора остаются постоянными, т. е.

67

синхронизованными. Метод синхронизации мод позволяет получить генерацию лазерных импульсов сверхкороткой длительности (~10–14 с) и очень высокой пиковой мощности (~1010 Вт). Синхронизацию мод или режим генерации сверхкоротких импульсов можно осуществить следующими способами: 1) внешний (активный); 2) внутренний (пассивный); 3) суперпозиционный (активно-пассивный).

Активная синхронизация мод достигается введением в резонатор оптического элемента, потери которого модулируются внешним полем. Условием строгой синхронизации является сохранение постоянства разности фаз между синхронизованными модами.

Согласно условию самовозбуждения (на длине резонатора должно укладываться целое число полуволн L = nλ/2), межмодовые частоты зависят только от длины резонатора ∆ν = 1/2L и образуют эквидистатный спектр. Для простоты считаем, что полное число мод в резонаторе равно N с одинаковыми амплитудами. Тогда результирующая напряженность в некоторой фиксированной точке пространства, согласно принципу суперпозиции, можно представить в виде

		E(t) = A(t)cos ωt ,			(4.7)
где ω = ω +	N + 1	Δω и A(t) = A	sin(N Δωt / 2)	.
	2
0		0 sin(Δωt / 2)

Из этих выражений нетрудно определить параметры лазерного импульса. Длительность отдельного импульса обратно пропорциональна полной ширине спектра лазера:

t =	2π	.	(4.8)
	N Δω

Следовательно, последовательность импульсов, возникающую на выходе при синхронизации мод, можно представить как один импульс, распространяющийся в резонаторе между зеркалами попеременно в прямом и обратном направлениях.

Лазер с активной синхронизацией мод содержит амплитудный или фазовый модулятор, размещаемый вблизи одного из зеркал резонатора, при этом частота модуляции соответствует межмодовой частоте.

68

Амплитудная модуляция осуществляется акустооптическим или электрооптическим модуляторами. Изменение во времени коэффициента пропускания амплитудного модулятора возбуждает в каждой моде боковые составляющие ω0 ± ∆ω, совпадающие по частотам с соседними аксиальными модами, которые усиливаются и модулируются внутри резонатора. В результате возникают боковые составляющие частоты ω0 ± 2∆ω. Этот процесс продолжается до тех пор, пока все аксиальные моды не оказываются взаимно связанными, т. е. синхронизованными.

Фазовая модуляция достигается только электрооптическим модулятором. Временная модуляция фазы вызывает появление у каждой моды боковых составляющих, фазы которых взаимно синхронизованы.

Пассивная синхронизация мод осуществляется при помощи насыщающегося поглотителя, который вводится в резонатор вблизи плотного зеркала. Насыщающийся поглотитель должен иметь очень малое (~10–12 с) время релаксации и возможно большее сечение поглощения на резонансной частоте. В момент развития генерации в резонаторе лазерное излучение вызывает насыщение поглощающего фильтра. При генерации на нескольких модах насыщенное поглощение фильтра определяется суммарным полем излучения, содержащим члены, изменяющиеся с частотой межмодовых биений. Таким образом, пропускание фильтра модулируется на частоте межмодовых биений, что и приводит к синхронизации мод.

Случайно возникший из спонтанного излучения короткий световой импульс, достигнув пассивного затвора, просветляет и насыщает его за счет поглощения энергии переднего фронта импульса. Укороченный импульс проходит затвор, отражается от зеркала и без потерь проходит в обратном направлении. Если время обхода резонатора больше времени релаксации, то при новом подходе к затвору импульс взаимодействует с ненасыщенным фильтром и снова укорачивается.

69