Автомодуляция излучения в сложном резонаторе

Сдвиг частоты, связанный с рефракционной нелинейностью активной среды лазера, приводит к дополнительному автомодуляционному эффекту в случае, когда отражатель лазерного резонатор образован несколькими отражающими поверхностями. Как уже указывалось, частота генерации лазера в пороге вследствие конкуренции мод автоматически настраивается на интерференционный максимум коэффициента отражения системы отражающих поверхностей, образующих зеркало лазерного резонатора. При экспоненциальном нарастании мощности генерации возникающее изменение показателя преломления приводит к отстройке частоты излучения от резонанса. При этом коэффициент отражения резонансного отражетеля уменьшается, а пропускание увеличивается. Если процесс нелинейной отстройки частоты резонатора происходит быстро, за время соответствующее периоду резонатора, то генерируемое излучение не успевает следить за изменением свойств врезонатора. При этом возникает нестационарный эффект автомодуляции излучения.

В простейшем случае отражатель образован двумя поверхностями, например, зеркалом резонатора и торцом активного стержня, нормальным оптической оси резонатора.

а                                                                                б

Рис. 9.13. (а) Схема лазера. (б)Отражательная характеристика резонансного отражателя. Вертикальными линиями обозначены резонансные частоты основного резонатора, образованного зеркалами R₁ и R₂. В приведенном на рисунке случае L₁>L₂.

Частота генерации в пороге генерации из-за конкуренции мод возникает на частоте, находящейся посредине между n_i и n_i+1. Таким образом, при L₁>L₂ сдвиг частоты на несколько межмодовых интервалов не приводит к изменению коэффициента отражения резонансного отражателя. В этом случае эффект автомодуляции излучения отсутствует.

Иная ситуация возникает при использовании резонатора Фокса-Смита. Генерация возникает на резонансных частотах n_i или n_i+1 (рис.9.14). Величина нелинейного дрейфа частоты за время генерации моноимпульса может быть соизмерима с шириной максимума отражения Dn сложного резонатора. Режим генерации лазера при этом напоминает режим открытия резонатора, но происходит не за счет действия электрооптического затвора, а автоматически. Сдвиг частоты генерации приводит к резкому уменьшению коэффициента отражения системы зеркал R, R₂, R₃. При этом излучение, накопленное в резонаторе, излучается во внешнее пространство в виде короткого импульса.

А                                                               б

Рис. 9.14. Схема моноимпульсного лазера с резонатором Фокса-Смита и отражательная характристика резонансного отражателя в случае L₁>L₂.

Систему зеркал в правой части резонатора можно рассматривать как одно зеркало с эффективным коэффициентом отражения |r|², зависящим от частоты генерируемого излучения n,

.

В эксперименте использовались зеркала с коэффициентами отражения R = 0,69; R₁ =R₂= 1. L₁ = 85 см, L₂ = L₃ = 17 см. Поэтому в пороге генерации эффективный коэффициент отражения системы зеркал R, R₂, R₃ равен единице. Активный элемент – рубиновый стержень диаметром 8 мм с длиной активной части 120 мм. Накачка осуществлялась импульсной газоразрядной лампой. Для модуляции добротности резонатора применялся просветляющийся затвор (этанольный раствор красителя ПК-169) с начальным пропусканием Т₀ = 0,4. С целью уменьшения потерь на второй поверхности светоделительного зеркала рубин ориентировался таким образом, чтобы плоскость поляризации электрического вектора излучения лежала в плоскости рисунка 9.14.

а

б

Рис. 9.15. Осциллограммы моноимпульсного излучения рубинового лазера. (а) плоский резонатор, (б) резонатор Фокса-Смита.

Ввиду недостаточно высокой оптической однородности кристалла рубина пятно излучения на выходе лазера состояло из нескольких интерференционных полос, положение которых зависит от температуры кристалла и энергии импульса накачки. При нелинейном изменении оптической длины кристалла за счет генерируемого излучения система интерференционных полос сдвигается в направлении нормали к оптической оси резонатора. Поэтому эффект автомодуляции излучения, показанный на рис. 9.15б наблюдался при регистрации выходного излучения лазера через диафрагму диаметром 1,5 мм и был невоспроизводимым от вспышки к вспышке. Максимальное, наведенное излучением изменение показателя преломления обеспечивало смену трех интерференционных максимумов на оси резонатора.

Таким образом, эффекты автомодуляции добротности лазерного резонатора в некоторых случаях действительно оказывают существенное влияние на динамику лазера. Однако вопрос о причинах возникновения сверхкоротких импульсов в неселективном лазерном резонаторе по-прежнему остается открытым. Рассмотренные эффекты автомодуляции слишком слабы и инерционны для ударного возбуждения устойчивого лазерного резонатора на ранних стадиях развития генерации, когда и возникают высокочастотные колебания интенсивности с характерными временами меньшими, чем период резонатора.