ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ДИНАМИЧЕСКАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ И ПУЛЬСАЦИИ В ЛАЗЕРАХ

Простые результаты, полученные в предыдущем разделе, значительно расходились с экспериментальными данными, полученными на ранних эта­пах развития лазеров. Эксперименты показал и, что многие лазеры, даже когда они работают в непрерывном режиме, могут иметь на выходе различ­ные пульсации, как регулярные, так и хаотические. Классический пример таких пульсаций в первом рубиновом лазере с непрерывной накачкой привв'

Рис. 8.2

Типичная временная зависимость интенсивности излучения первых твердотельных лазеров с непрерывной накачкой. Масштаб времени —

50 мкс/дел (согласно работе [3])

Ден на рис. 8.2 [3]. Можно видеть, что выходное излучение представляет со­бой последовательность нерегулярных во времени импульсов со случайны­ми амплитудами (нерегулярные пички). Кроме того, генерация не переходит в стационарный режим, как на рис. 8.1. Такое нестабильное поведение было предметом теоретических и экспериментальных исследований на протяже­нии 25 лет, и причины такого поведения могут быть самыми разными [4].

В одномодовых лазерах одна из главных причин нестабильности выход­ного излучения обусловлена внешними случайными изменениями парамет­ров лазера, таких как скорость накачки или потери в резонаторе. Для слу­чайной модуляции это приводит к возникновению шумов интенсивности, которые обсуждались в разделе 7.11. Для синусоидальной модуляции пове­дение во времени может быть описано с помощью модели скоростных урав­нений, если предположить, например, что модуляция скорости накачки за­писывается в виде Rp = Rpо 4- 8Дрехр (усо£), причем 8Rp Rp0. Согласно уравне­ниям (8.2.1) и (8.2.2), можно теперь записать N(t) = N0 + 8iVo exp (уа>£) и Ф (0 = Фо+ 8фо exp (Jot) для 8 N0 <C N0 и 8ф0 Сф0и решать соответствующие ли­неаризованные уравнения. Как было показано в предыдущем разделе, в од­номодовых лазерах имеет место собственный резонанс с частотой релаксаци­онных колебаний сод, заданной, например, для четырехуровневого лазера выражением (8.2.11). Синусоидальная модуляция накачки обуславливает такое поведение лазера, когда имеют место небольшие осцилляции на часто­те модуляции со, причем амплитуда этих осцилляций будет максимальной, когда со совпадает с сод. Для спектра белого шума модуляции накачки на рис. 7.30а изображен спектр шумов интенсивности с максимумом на часто­те сод. Помимо такого рода нестабильности, обусловленной механическими причинами, одномодовый лазер при определенных обстоятельствах может проявлять собственную динамическую нестабильность, приводящую к пуль­сациям выходного излучения, в том числе и случайным. В качестве приме­ра, в случае однородно уширенного перехода лазер должен работать при зна­чительных превышениях накачки над порогом (обычно более чем в 10 раз) и ширина линии Avc должна быть значительно больше, чем ширина линии перехода Av0 (так называемый случай низкодобротного резонатора). Ус­ловия такого рода были экспериментально созданы в специально разрабо­танных лазерах с оптической накачкой, работающих на длинах волн даль­него ИК-диапазона. Динамическая нестабильность такого типа может быть описана в рамках полуклассического приближения, а именно с помощью уравнений Максвелла-Блоха [5].

В многомодовых лазерах легко может возникать новый тип нестабильно­сти между различными модами или наборами мод благодаря модуляции во времени параметров накачки [6]. Такая нестабильность приводит к измене­нию параметров генерируемых мод, или «перескоку мод», что может быть

Описано моделью скоростных уравнений, в которых для однородно уширен­ной линии должны учитываться перекрестные эффекты насыщения, обу­словленные пространственным выжиганием дырок [7].

В качестве заключения необходимо сказать, что одномодовые лазеры обычно не проявляют динамическую нестабильность, но вместо этого могут иметь некоторые шумы интенсивности, обусловленные неизбежными флук­туациями параметров лазера. С другой стороны, многомодовые лазеры мо­гут иметь дополнительную нестабильность, вследствие перескоков между генерируемыми модами. В зависимости от амплитуды модуляции парамет­ров лазеров с однородно или неоднородно уширенной линией эта нестабиль­ность может приводить либо к шумам перераспределения мод (см. раз­дел 7.11), либо даже к сильным пульсациям выходного излучения.