Синхронизация продольных мод (генерация сверхкоротких световых импульсов)

Режим синхронизация продольных мод лазера позволяет получать импульсы длительностью с пиковой мощностью до Вт. Это — сверхкороткие импульсы, которые имеют протяженность по пространству порядка долей микрометра и реализуются за два-три прохода света вдоль резонатора. Идею синхронизации продольных мод, которая начала развиваться с 1966 г (Де Мария, Стетцер и Хенау), можно объяснить следующими рассуждениями. Пусть в резонаторе возбуждаются продольных мод, частоты которых отличаются на одна от другой и разность фаз каждых двух соседних мод постоянна и равна. Пусть и характеризуют центральную моду, а амплитуды полей у всех мод, пусть (для простоты рассмотрения) будут одинаковы и равны. Тогда круговая частота и фаза произвольно выбранной k-ой моды будут причем меняется от до. (При этом пусть — нечетное число). Тогда суммарное поле всех мод в резонаторе в какой-то момент времени будет.

(64).

где функция есть сумма членов геометрической прогрессии со знаменателем и первым членом. Так как сумма членов геометрической прогрессии:

(65).

причем при переходе к последней записи поменяли начало отсчета времени, заменив на. Из выражения (64) следует, что функция есть огибающая амплитуды поля с несущей частотой .

Рис. 12.

То есть поле в резонаторе, составленное из синхронизированных по фазе продольных мод, оказывается промодулированным по амплитуде функцией, определяемой выражением (65). Вид этой функции для и для показан на рис. 12, из которого видно, что с ростом функция все больше приобретает форму, отвечающую последовательности расположенных на расстоянии узких световых импульсов, каждый из которых имеет длительность порядка, где — ширина линии усиления, — длина резонатора, — скорость света в среде. Чем больше, тем выше и короче импульс. Поэтому реально можно добиться сверхкоротких импульсов только в лазерах с широкой линией излучения. Наилучшие результаты получены в лазерах на растворах органических красителей, в которых возможно генерировать излучение в широком интервале (порядка сотен ангстрем) длин волн на большом числе (= 103 …104) мод. Если бы моды не были синхронизированы, максимальная мощность излучения была бы равна:

где — характеристическое сопротивление несинхронизированной среды, в которой бежит волна поля, а при синхронизации мод как следует из (64) и (65).

.

т.е. при синхронизации пиковая мощность возрастает в раз. До сих пор брали случай одинаковых амплитуд у всех мод, но если эти амплитуда не одинаковы, что имеет место на практике, то характер процессов не изменится, а форма импульса будет несколько иной.

Таким образом, за счет интерференции m продольных мод, эквидистантных по частоте и синхронизированных по фазе, лазерное излучение приобретает характер последовательности сверхкоротких импульсов, следующих друг за другом через промежуток времени с длительностью, примерно равной.

Существует два метода синхронизации мод.

• 1. Активная синхронизация мод с помощью модулятора, управляемого внешним сигналом. Этот метод может быть реализован двумя способами:
• 1) Амплитудно-модуляционная синхронизация мод. При этом внутрь резонатора помещен управляемый внешним сигналом модулятор амплитуды лазерного .луча. Этот модулятор обычно представляет собой ячейки Керра, Покельса или Фарадея, управляемые модулирующим сигналом, причем перед ячейкой стоит поляризатор луча, либо акустооптический модулятор, в котором реализуются стоячие акустические волны, частота или амплитуда которых меняется с частотой модуляции. Модулятор действует как синусоидальные во времени потери, причем частота модуляции равна межмодовой частоте, где — полное время обхода лазерным лучом резонатора. Так как при амплитудной модуляции света частоты внешней частотой появляются в сигнале боковые составляющие и, совпадающие с соседними модами, и т.к. такой модуляции подвергаются все вообще моды, генерируемые лазером, то все моды в результате такого, внешнего воздействия оказываются связанными друг с другом и с внешним сигналом, т. е. синхронизированы этим сигналом;
• 2) Частотно-модуляционная синхронизация мод. При этом внешний модулятор меняет с той же межмодовой частотой длину резонатора, т. е. его резонансные частоты. При этом оказывается, что все моды и в этом случае будут иметь одинаковый сдвиг по фазе друг с другом, т. е. будут взаимно синхронизированы.
• 2. Пассивная синхронизация мод с помощью помещенной в резонаторе лазера нелинейной оптической среды. Попадая в эту среду, каждая мода взаимодействует с соседней, давая, как в случае любого нелинейного смесителя частоты, промежуточную частоту, равную межмодовой, а также гармоники этой частоты, а эти новые частоты, в свою очередь, взаимодействуя с модами, дают соседние моды, и таким образом все моды оказываются частично или полностью синхронизированы. Данный метод часто называют методом самосинхронизации мод. Для достижения предельно малых длительностей импульса часто используют комбинацию активного и пассивного методов или очень малую по длительности накачку, получаемую также методом синхронизации мод. Например, аргоновый лазер с акустическим модулятором обеспечивает генерацию сверхкоротких импульсов, а эти импульсы служат накачкой лазера на красителе, в котором также стоит модулятор в виде нелинейной поглощающей ячейки.

Наблюдать такие сверхкороткие импульсы (10−11 …10−14 с) непросто. Прямые метода, использующие фотоэлектронные регистраторы, основанные на применении электронно-оптических преобразователей, были созданы в 1970;72 гг. Получил также распространение косвенный метод, основанный на двухфотонном поглощении света люминофором соответствующего состава (например родамин 6G).

Суть метода состоит в следующем (см. рис.13). От лазера 1, импульсы излучения которого измеряются, свет попадает на светоделительную пластину 2 (полупрозрачное зеркало), и затем, отразившись от зеркал 3, импульсы идут навстречу один другому и встречаются в кювете 4 с раствором люминофора, который люминесцирует за счет 2-фотонного поглощения. Такая люминесценция пропорциональна четвертой степени амплитуды поля волны и поэтому будет происходить лишь на длине, гдескорость света в люминофоре, — длительность импульса, из-за того, что только на этом участке длиной амплитуда суммарного поля будет достаточно велика для этой люминесценции. Измерив, находят .

Рис 13.