4.16. Многочастотный спектр излучения лазера

Лазер – это сложная колебательная система. Поэтому кроме точных математических соотношений, характеризующих его работу всегда полезно пользоваться общими принципами.

Как известно, первый лазерный принцип, это принцип конкуренции мод. В соответствии с ним в лазере с неселективным резонатором стационарная генерация всегда возникает на той резонансной частоте, для которой реализуется наибольшая разница между коэффициентом усиления активной среды и коэффициентом потерь резонатора.

Частота стационарного генерируемого излучения, в соответствии с первым принципом, автоматически следит за изменением параметров резонатора. Поэтому при сдвиге одного из зеркал резонатора вдоль оси резонатора на половину длины волны несущей частоты излучения дискретные частоты в спнектре излучения лазера плавно смещаются на частоту, равную одному межмодовому интервалу. Это позволяет создавать лазеры со стабилизацией частоты за счет привязки резонансной частоты лазерного резонатора к оптическому реперу, например, к провалу в спектральном конуре насыщенного поглощения эталонного вещества, помещенного в резонатор. Подстройка частоты осуществляется просто за счет продольного перемещения одного из зеркал резонатора.

Признание когерентного характера взаимодействия генерируемого лазером излучения с активной средой позволяет сформулировать еще один, пока не общепринятый второй лазерный принцип: лазер с неселективным резонатором всегда генерирует импульсы излучения минимальной длительности, определяемой шириной спектрального контура усиления активной среды.

Из второго принципа следует, что общая ширина спектра излучения такого лазера всегда максимальна и определяется шириной спектрального контура усиления активной среды на частоте лазерного перехода.

Обычно причины многочастотного характера спектра излучения лазеров различных типов связывают с существованием в активной среде лазера амплитудно-фазовых решеток. Более общая причина возникновения такого спектра связана с возникновением ультракоротких пульсаций излучения с периодом, равными времени обхода светом резонатора. Она следует из особенностей когерентного усиления, о которых говорилось выше. При мощности накачки, соответствующей пороговой, лазер любого типа вследствие конкуренции мод всегда стационарно генерирует почти монохроматическое одночастотное изучение, соответствуюшее продольной моде резонатора, находящейся на минимальном расстоянии от максимума спектрального контура усиления.

По мере развития генерации после включения лазера ее мощность возрастает и достигает значений, при которых становится существенным сверхизлучение. Сверхизлучение проявляется в виде высокочастотных пульсаций излучения и возрастании действующего значения коэффициента усиления для этих пульсаций. При увеличении коэффициента усиления активной среды, за счет когерентного взаимодействия вещества с полем, длительность импульса сверхизлучения предельно сокращается. При этом происходит максимальное уширение спектра излучения, которое и ограничивается шириной спектра усиления активной среды.

Повышение мощности накачки увеличивает спектральную ширину контура усиления. Когда эта ширина соответствует импульсу, пространственная протяженность которого меньше длины лазерного резонатора, на выходе лазера возникают периодические пульсации излучения. Короткий импульс генерируемого излучения начинает циркулировать внутри лазерного резонатора. Это означает, что в огибающей спектра излучения лазера появляется периодическая модуляция, период которой обратно пропорционален длине резонатора. При этом (ошибочно) считают, что лазер генерирует в многомодовом режиме, то есть одновременно на нескольких продольных модах резонатора.

Таким образом, принятие описанной элементарной модели лазера ультракоротких импульсов приводит к парадоксу: собственные моды резонатора не эквидистантны. Тем не менее, точно известно, что лазер генерирует строго периодическую во времени последовательность импульсов.

Разрешение этого парадокса заключается в том, что дискретные частоты, которые регистрируют в спектре лазера, на самом деле не являются резонансными частотами (модами) лазерного резонатора. Эквидистантные частоты спектра излучения лазера есть всего лишь результат разложения в спектр выходного излучения лазера. Как известно, периодическая последовательность импульсов разлагается в спектральном приборе в ряд Фурье, то есть в набор строго эквидистантных частот. В этом совпадении и заключается причина существующего и описанного выше распространенного заблуждения.

Эксперименты, результаты которых опубликованы в литературе, свидетельствует об эквидистантности частот в спектре непрерывных лазеров ультракоротких импульсов с точностью до 20 значащих цифр. Регистриуемые на выходе лазера дискретные частоты являются модами лазерного излучения в свободном пространстве. Спектр такого процесса точно эквидистантен по определению спектрального разложения в ряд Фурье. Именно поэтому наблюдаемые в спектре лазера дискретные частоты не являются модами лазерного резонатора.

Сам термин «режим синхронизации мод», таким образом, не отражает сути процессов генерации сверхкоротких импульсов в лазере и основан на приведенном выше заблуждении. Наблюдения непрерывных лазеров, работающих в «режиме полной синхронизации мод» однозначно показывают, что режим генерации регулярных ультракоротких импульсов сохраняется и в том случае, когда резонансные частоты лазерного резонатора непрерывно смещаются относительно контура усиления активной среды вследствие установления теплового режима лазера. Лазер продолжает работать в «режиме синхронизации мод», когда синхронизация фаз мод явно отсутствует!

Поэтому синхронизация фаз мод для реализации режима генерации лазером ультракоротких импульсов, вопреки общепринятому мнению, излагаемому в учебниках, вовсе не является обязательной.