Режим синхронизации мод

Рассмотрим идею метода синхронизации мод для генерации сверх коротких световых импульсов. Исключим из рассмотрения в оптической схеме лазера все отражающие поверхности, кроме двух поверхностей зеркал, образующих резонатор. Тогда спектр продольных мод ОР имеет вид, показанный на рис. 2.22 и состоит из равноудаленных монохроматических линий, расположенных на расстоянии ∆ω=πc/L друг от друга.

Рис.2.22.Спектр собственных мод ОР: ω_q-собственная частота,
E_q-амплитуда q-колебания, ∆ω- расстояние между соседними линиями.

Пунктирной линией показана люминесцентная линия активного элемента.

Если в резонаторе возбуждается (N+1) мод, попадающих в полосу усиления люминесцентной линии, то ширина спектра генерации составит:

∆ω_ген=N∙∆ω.

Результирующее колебание в резонаторе можно представить в виде:

(2.5)

где E₀ - амплитуда, -частота, φ_q- фаза q-го колебания.

Рассмотрим два случая:

а) Фазы колебаний отдельных составляющих случайны.

Результатом суммирования (2.5) является простое сложение амплитуд (интенсивностей) отдельных гармонических колебаний: т.е. .

б) Режим синхронизации мод

Под синхронизацией мод понимают процесс, в результате которого разность фаз между соседними типами колебаний (модами) остаются постоянными φ_q+1-φ_q=φ. Выполнение условия синхронизации мод приводит к их взаимной интерференции и результатом сложения является упорядоченная последовательность коротких импульсов (рис.2.23). При этом длительность отдельного импульса Dt обратно пропорциональна ширине спектра генерации, т.е. Dt= , а период следования импульсов равен T=2L/c.

Рис.2.23. Форма колебания E(t) в режиме синхронизации мод.

На рис. 2.24 приведена схема твердотельного лазера в режиме пассивной синхронизации мод. Для устранения селектирующих поверхностей используются клиновидные зеркала, торцы активного элемента отполированы под углом Брюстера, кювета с красителем установлена под некоторым углом к оси лазера.

Рис.2.24. Схема т/т лазера с пассивной синхронизацией мод;

М – модулятор (кювета с просветляющимся раствором красителя),

АЭ- активный элемент, З₁, З₂-клиновидные зеркала.

В такой системе возникает многочастотная генерация со спектральной шириной, близкой к действительной ширине люминесцентной линии данного лазерного перехода.

Таким образом, синхронизация фаз продольных мод позволяет получить в твердотельных лазерах импульсы лазерного излучения длительностью 10^-10.. 10^-12 сек с пиковой мощностью до 10¹² Вт. Такие световые импульсы называются сверхкороткими (или ультракороткими). Разработаны такие методы активной синхронизациимод, при которой потери или усиление лазера модулируются внешним управляющим сигналом.

Рис.2.25. Активная синхронизация с помощью акустооптического

модулятора.

Для этой цели используются акустооптические (рис.2.25) или электрооптические модуляторы, управляемые высокочастотным электрическим сигналом.

Газовые лазеры