Автомодуляция излучения лазера самонаведенной амплитудно-фазовой решеткой

В обычно используемых лазерных резонаторах существуют встречные волны излучения, образующие стоячую световую волну вдоль оптической оси резонатора. Насыщение усиления, происходящее в максимумах импульсов генерации в пучностях этой волны, приводит к возникновению в активной среде лазера периодического изменения коэффициента усиления. Его называют самонаведенной амплитудной решеткой. В активных средах, работающих по трехуровневой схеме (рубин, сапфир – титан) и полупроводниковых материалах, одновременно возникает и существенное пространственное изменение показателя преломления – самонаведенная фазовая решетка.

Сразу же отметим, что фазовые соотношения между излучением и наведенной им фазовой решеткой таковы, что отражения света от решетки не возникает. Поэтому фазовая решетка не изменяет коэффициент отражения выходного зеркала лазерного резонатора и не может служить зеркалом резонатора.

 Образование амплитудной решетки уменьшает мощность излучения лазера вследствие сокращения объема активной среды, участвующей в усилении света. Основной автомодуляционный эффект, обусловленный самонаведенными решетками, связан с изменением оптической длины резонатора и отстройкой фазы генерируемого монохроматического излучения от резонансной частоты резонатора. Тем самым фазовая решетка ослабляет влияние амплитудной решетки. При этом возникает характерный эффект, наблюдаемый экспериментально. Рубиновый лазер со слабой модуляцией добротности и в режиме свободной генерации устойчиво генерирует сдвоенные импульсы.

Рис. 9.10. Расчетная зависимость нормированной мощности излучения моноимпульсного рубинового лазера от временени и начального пропускания просветляющегося затвора Т₀, учитывающая амлитудно-фазовую решетку в активной среде [27].

Эта особенность лазера, связанная со сдвигом стоячей волны излучения относительно амплитудной самонаведенной решетки за счет фазовой решетки, хорошо видна на рис.9.10. Как видно на рис. 9.10. компенсация амплитудной решетки фазовой, приводящая к исчезновению вторичного импульса на заднем фронте гигантского импульса, происходит при повышении его мощности. Расчеты, согласующиеся с опытными данными, показывают, что полная компенсация происходит при достижении плотности мощности излучения ~ 100 МВт/см² [27].

Наглядным свидетельством того, что генерация сдвоенных импульсов связана с именно действием самонаведенной фазовой решетки служит сравнение динамики свободной генерации рубинового лазера и неодимового лазера на иттрий-алюминиевом гранате, в котором фазовая решетка несущественна (рис. 9.11) [28]. 

а                                         б

Рис. 9.11. Осциллограммы первого пичка свободной генерации неодимового лазера на гранате (а) и рубинового лазера (б) при околопороговой накачке. В обоих случаях использован неселективный резонатор, образованный двумя плоскими зеркалами на клиновых подложках.

Показанная на рис. 9.11а,б картина генерации хорошо воспроизводится, хотя в рубиновом лазере соотношение амплитуд импульсов и расстояние между ними могут изменяться в некоторых пределах. В отличие от рубинового лазера, неодим-гранатовый лазер, работающий по четырехуровневой схеме накачки, в котором влияние фазовой решетки незначительно, в пороге всегда генерирует одиночные импульсы. Энергия накачки, близкая к пороговой, выбиралась для того, чтобы наблюдаемый эффект не маскировался генерацией последующих пичков. В этом случае средний период следования пичков генерации, определяемый мощностью накачки, значительно превышает расстояние между сдвоенными импульсами, обусловленными влиянием амплитудно-фазовых решеток. 

 После выполнения порогового условия на первых этапах развития генерации при уровнях мощности, недостаточных для включения нелинейного механизма насыщения усиления, накачка продолжает увеличивать коэффициент усиления. Это приводит к экспоненциальному нарастанию мощности генерации на единственной резонансной частоте (моде) лазерного резонатора. Поэтому после включения лазера генерация при пороговой накачке всегда наблюдается в виде импульса (пичка), максимум которого задержан относительно момента времени, при котором усиление сравнивается с потерями лазерного резонатора. Усиление становится равным потерями позже, непосредственно в максимуме первого пичка генерации.

Естественный результат нелинейности показателя преломления активной среды лазера – дрейф частоты излучения за время генерации моноимпульса. Рис. 9.12 демонстрирует эту особенность рубинового лазера. Сдвиг частоты возрастает с ростом плотности энергии моноимпульса, его максимальное значение соответствует ~ 400 МГц для предельно высоких мощностей генерации. Наибольшая скорость изменения частоты реализуется в области максимума моноимпульса.

Рис. 9.12. Расчетная зависимость плотности энергии излучения моноимпульсного лазера и сдвига частоты генерации (пунктир) от времени.

Влияние амплитудно-фазовых решеток в активной среде, как известно, приводит также к нарушению регулярности пичковых режимов генерации лазеров и возникновению в процессе их излучения динамического хаоса, хотя общая тенденция к установлению стационарного режима генерации сохраняется. Однако, амплитудно-фазовая решетка не может приводить к процессам разгорания генерации и появлению изломов на передних фронтах импульсов, наблюдаемым экспериментально.