6.3. Динамика лазера с неустойчивым и разъюстированным плоским резонатором

Как показали данные предыдущего раздела, наибольшее расхождение измеренных параметров излучения лазера с теорией наблюдается в области максимальных коэффициентов усиления активной среды. Поэтому целесообразны исследования динамики лазера именно в таких условиях. Для увеличения порогового коэффициента усиления необходимо искусственно увеличить потери лазерного резонатора. Наиболее целесообразный способ для этого – использование неустойчивого сферического или разъюстированного резонатора.

В одном из экспериментов неустойчивый резонатор был образован «глухим» сферическим зеркалом с радиусом кривизны его поверхности 56 см и «глухим» многослойным диэлектрическим покрытием, причем, длина резонатора превышала радиус кривизны зеркала. Второе, полупрозрачное зеркало образовано плоскопараллельной стеклянной пластинкой из стекла К-8 без покрытий. Использовался рубиновый активный элемент диаметром 7 мм с длиной активной части 120 мм с сапфировыми наконечниками, срезанными под углом Брюстера.

Степень неустойчивости резонатора и его потери могли повышаться просто за счет увеличения длины резонатора. В описываемом эксперименте она устанавливалась равной 90 см, чтобы генерация возникала при максимальной энергии накачки Х  3, при которой в возбужденное состояние переводится 86% активных частиц. Замечательная особенность рубинового лазера с неустойчивым резонатором заключается в том, что он, вопреки ожиданиям, стабильно и воспроизводимо генерирует не микросекундные пички свободной генерации, а гигантские импульсы [22]. Энергия этого гигантского импульса длительностью ~ 50 нс достигает 0,1 Джоуля, хотя в резонаторе лазера отсутствуют какие-либо модуляторы добротности.

Р ис. 9.7. Временная развертка импульса генерации лазера с неустойчивым полусферическим резонатором, полученная по методу, описанному в [19].

При фотометрировании развертки рис. 9.7 ясно видно, что спонтанно генерируемый лазером моноимпульс принципиально отличается от пичка свободной генерации значительной асимметрией. Передний фронт импульса сильно растянут по сравнению с задним. Нарастание интенсивности излучения лазера с неустойчивым резронатором аналогично динамике лазера с просветляющимся затвором, хотя никаких модуляторов добротности лазерный резонатор не содержит.

Неустойчивость резонатора приводит к большим дифракционным потерям, поэтому луч лазера на рис. 9.7 окружен «ореолом» расходящегося излучения. Наблюдаемые особенности генерации лазера с неустойчивым резонатором доказывают существование нелинейного механизма самовоздействия генерируемого излучения.

Измерения динамики рубинового лазера с неустойчивым резонатором при меньших длинах резонатора (и уровнях накачки) обнаруживают две особенности. Гигантскому импульсу предшествует пичок свободной генерации (рис. 9.8), амплитуда которого в тысячу раз меньше амплитуды гигантского импульса. Изломы на кривой I(t) всегда сопровождаются возникновением высокочастотной модуляции огибающей излучения с периодом, равным времени обхода светом резонатора. При максимальной неустойчивости резонатора пичок свободной генерации непосредственно переходит в гигантский импульс, как это видно на рис. 9.7.

Рис. 9.8. Зависимость мощности выходного излучения лазера с неустойчивым резонатором от времени. Штрихам и на рисунке условно показана область существования модуляции излучения с периодом резонатора.

Самый простой способ увеличения порогового значения коэффициента усиления лазера - разъюстировка одного из зеркал устойчивого плоского резонатора. Динамика генерации лазера и в этом случае аналогична показанной на рис. 9.7 и 9.8.

Скоростной фоторегистратор СФР-2 имеет временное разрешение 15 нс. Чтобы наблюдать модуляцию генерируемого излучения с периодом, равным времени обхода светом резонатора использовалась длина резонатора 7 м. При съюстированном резонаторе лазер генерирует пички свободной генерации микросекундной длительности. Разъюстировка резонатора радикально меняет режим генерации. Её особенности показаны на рис. 4.9а и б.

а

б

Рис. 9.9а – временная развертка излучения лазера с разъюстированным резонатором; б – интегральная микрофотограмма разверток а.

На развертках рис. 9.9 видно, что каждый последующий импульс генерации развивается из остаточного излучения предыдущего. Процесс разгорания генерации завершается генерацией гигантских импульсов, амплитуда которых в 100 раз больше амплитуды затравочных пичков. Так же, как в случае неустойчивого резонатора передний фронт группы наиболее интенсивных импульсов имеет излом, что свидетельствует о включении в этой точке механизма самовоздействия излучения в лазерном резонаторе.

Как известно, в соответствии с теорией, основанной на квазистационарном вероятностном подходе, пичковый режим генерации должен всегда затухать и переходить в стационарное излучение. Такие режимы наблюдаются в некоторых частных случаях, например при использовании сферического резонатора с короткофокусными зеркалами, когда лазер генерирует на большом числе поперечных мод резонатора. В лазерах с плоским резонатором никаких признаков затухания пичковой генерации не наблюдается, напротив, налицо тенденция к последовательному возрастанию амплитуды пичков генерации, развивающихся из остаточного излучения предыдущих импульсов.

Возникновение высокочастотной модуляции излучения происходит в моменты времени, в которых резко изменяется скорость нарастания мощности излучения. Именно к такой динамике должен приводить квантовый эффект кооперативного сверхизлучения.