Режим синхронизации мод.

Для многих применений, в том числе медико-биологических, интересна реализация еще более коротких импульсов, чем обеспечивает режим модуляции добротности. Дело в том, что наносекундные импульсы как раз обозначают временную границу тепловой релаксации при воздействии лазерного излучения. Более короткие импульсы позволяют наблюдать фотобиохимическое действие излучения или осуществлять воздействия на биоткани, заведомо свободные от тепловых релаксационных процессов. Такие длительности не могут быть получены в режиме модуляции добротности из-за недостаточного быстродействия оптических затворов. Для этого применяется режим синхронизации мод.

Представим, что лазер излучает много мод, различающихся частотой (например, лазер с неоднородно уширенной линией усиления). Если эти моды «ничего не знают» друг о друге, то ничего особо интересного такой режим не представляет, т.е. на выходе просто суммируются интенсивности. Но допустим, что фазовые сдвиги между модами постоянны и одинаковы. Это будет означать, что они могут интерферировать между собой. Результат интерференции, ввиду того, что частоты мод не совпадают, будет представлять собой «прыгающую» интерференционную картину (флуктуации интенсивности во времени дают короткие импульсы). Для того, чтобы выделить этот эффект, положим, что все амплитуды мод одинаковы и равны Е₀, общее число мод 2М+1 (одна на центре линии, остальные симметрично по М штук по обе стороны от центра, разность фаз Фк – Фк – 1= = const. Результирующее поле тогда имеет вид:

E(t)= E_o exp (i [( 0 + l )t + l ]) (12.33)

где ₀ — центральная частота, = = — межмодовое расстояние резонатора, выраженное в циклических частотах. Считаем фазу центральной моды равной нулю. В результате суммирования (12.33) дает:

E(t)= A(t) exp(i o t) (12.34)

где

А(t)= E_o (12.35)

Результирующее поле промодулировано по амплитуде, а соответствующая выходная интенсивность пропорциональна А (t). Максимумы амплитуды огибающей приходятся на те моменты, когда = 0, т.е. временной интервал между импульсами равен t = (L — длина резонатора), то есть полному времени прохода резонатора. Соответственно временной интервал t между пиком импульса и первым нулевым уровнем ( ) дается выражением:

t = 1 / n (12.36)

n = (12.37)

Отметим, что ни t, ни t не зависят от . Если принять за длительность импульса его продолжительность на полувысоте, то она приблизительно равна t. Соответственно пиковая мощность пропорциональна А (t) (2M+1) , что радикально отличается от случая некоррелированных фаз (там А (t) (2M+1)). Качественно зависимость I(t) приведена на рисунке 12.10.

Картина I(t)=А (t) совпадает с картиной многолучевой интерференции (например, в дифракционной решетке), только там зависимость интенсивности пространственная, а здесь — временная. Соответственно режим синхронизации мод означаетполную временную когерентность генерируемых типов колебаний. Выходное излучение лазера представляет собой цуг синхронизированных по фазе коротких импульсов, представляющих Фурье-образ частотного спектра. Как явствует из (12.36), длительность отдельного импульса тем меньше, чем шире линия усиления. Лазер на АИГ:Nd опять оказывается весьма подходящим для работы в режиме синхронизации мод, поскольку рабочий переход имеет при Т=300 К ширину порядка 200 ГГц. Это означает, что длительность синхронизированного импульса может быть сделана t 5 пс. Это, как видно, на 3 порядка меньше, чем в режиме модулированной добротности. Но АИГ:Nd лазер интересен не только достаточной шириной линии рабочего перехода, но и тем, что это уширение однородно. А это, в свою очередь, означает, что общее число синхронизированных импульсов не слишком велико, т.е. можно в отдельно взятый импульс вкачать относительно большую энергию. В самом деле, при однородном уширении наличие генерации вызывает подсадку усиления не в пределах радиационной ширины линии, как при неоднородном, а в пределах всей однородной ширины. Поэтому генерируют только те моды, которые остаются при этом над порогом, а это гораздо меньше, чем в неоднородном случае. Зато при достаточной накачке общая выходная мощность может быть достаточно велика, а это значит, что в каждой синхронизованной моде мощность будет выше, чем в неоднородном случае, где каждая мода «садится» индивидуально, но общее их число остается большим. Можно сопоставить режимы синхронизации мод, например, в лазерах на аргоне и на АИГ:Nd.

Практическая реализация режима синхронизации мод осуществляется либо активным, либо пассивным способом. При активной синхронизации параметры резонатора подвергаются периодической модуляции с частотой W, равной или кратной межмодовому интервалу. Допустим, что в исходный момент лазер излучает только центральную частоту 0. Замодулируем амплитуду этого колебания:

Е(t)=Е_o (12.38)

Здесь (0 1) — глубина модуляции. Поскольку cos t = 1/2[exp(i t)+ exp(-i t)], получим из (12.38):

Е(t)=Е₀ex( ₀t p[i+ ₀)+(1/2) Е₀exp[i{( ₀+ )t+ ₀}]+1/2 Е₀exp[i( ₀- )t+ ₀} (12.39)

Появляются две смещенные на ± частотные компоненты, называемые в радиотехнике боковыми частотами. Ввиду синфазности (у всех мод одна и та же фаза ₀) появляются биения с разностными частотами; если боковые частоты ₀± находятся в пределах линии усиления активной среды, то они тоже усиливаются. Поскольку эти частоты также модулируются, то появляются еще две боковые составляющие ₀±2 , после чего процесс повторяется до тех пор, пока новые боковые компоненты не выйдут за пределы линии усиления. Оставшиеся в пределах линии усиления компоненты усиленно обмениваются энергией, ввиду чего их амплитуды выравниваются (в центре линии насыщение больше, чем на краях). Аналогичная картина получается при фазовой модуляции (также появляются боковые компоненты, затем лазер втягивается в режим синхронизации и достигает стационарного режима генерации при заполнении всего контура усиления и выравнивании амплитуд).

При активной синхронизации мод вблизи зеркала помещается амплитудный или фазовый модулятор (акусто- или электрооптический). Можно также модулировать длину резонатора или коэффициент усиления, однако в этом случае очень трудно добиться высокой частоты модуляции ( = /L).

Активная синхронизация мод приводит к усложнению электрической схемы лазера. Поэтому, как и в случае модуляции добротности, с целью упрощения технической реализации применяется пассивная синхронизация, где управляющий сигнал отсутствует. В этом случае в резонатор помещается нелинейный поглотитель (просветляющийся фильтр). Резонансная частота поглотителя подбирается равной частоте излучения лазера. Исходное состояние поглотителя должно соответствовать не слишком большому поглощению, чтобы возможно было возбудить генерацию на центральной частоте рабочего перехода. Поле лазерного излучения вызывает насыщение поглощения фильтра. Это приводит к возбуждению соседних (смещенных на ( = /L) мод). Возникновение новых мод приводит к еще большему насыщению поглощения и т.д., т.е. заполнение контура усиления генерирующими модами происходит при наличии просветляющегося фильтра аналогично активной синхронизации. Но там автоматически выполняется условие фазировки мод, а здесь априори оно не обязано выполняться. Действительно, не всякий насыщающийся поглотитель способен давать синхронизированные моды. Каждый поглотитель в принципе имеет свое время релаксации t_рел, связанное с его полосой пропускания. Если поглотитель достаточно широкополосный, так что его время релаксации мало по сравнению с периодом межмодовых биений Т=1/ , то при наличии нескольких мод пропускание модулируется с частотой межмодовых биений, т.е. осуществляется та самая периодическая модуляция амплитуды, которая необходима для выполнения условия фазового синхронизма. Если же поглотитель имеет большее время релаксации, то он не «успевает» следить за межмодовыми биениями, и в итоге каждая мода излучает независимо от остальных.

Возможность генерации коротких импульсов определяется наибольшим возможным числом мод, накрываемых контуром усиления. Увеличивать число этих мод можно двояко: увеличивая длину резонатора и увеличивая ширину линии усиления.

Режим синхронизации мод хорошо сочетается с режимом разгрузки резонатора. При этом частота следования импульсов излучения может быть меньше величины, обратной двойному проходу резонатора. В случае непрерывной накачки может достигаться эффективность, близкая эффективности непрерывного режима работы.

Существуют методы выделения с помощью специальных модуляторов из цуга импульсов одного короткого импульса.

Приведенная выше оценка для АИГ:Nd-лазера показала, что для твердотельных лазеров можно достигнуть Dt ~ 10 с. Используя твердотельный лазер с синхронизованными модами в качестве задающего, можно добиться еще более коротких импульсов, если заставить лазер с еще более широкой линией усиления работать в режиме синхронной оптической накачки. В частности, такой режим может быть осуществлен с лазером на красителе, обладающим шириной линии усиления порядка 10 Гц. Импульсы от АИГ:Nd-лазера с синхронизацией мод, проходя через краситель, модулируют усиление активной среды лазера на красителе с частотой межмодовых биений. Поскольку модулируется активная среда в режиме накачки, длительность выходных импульсов оказывается существенно меньше длительности импульсов накачки. Подобные устройства позволяют получать импульсы длительностью ~ 10 с, что дает уникальные возможности для исследования биологических процессов не только на уровне клетки, но и на уровне хромосом.

Еще более удобным для практических применений оказываются лазеры на активированном волокне, в которых линия излучения рабочего перехода сильно уширена, что также позволяет получать импульсы фемтосекундного диапазона. Методика получения сверхкоротких импульсов изложена ниже более подробно.