9.2.4.  Пассивная модуляция добротности в лазере с просветляющим­ся фильтром

Рассмотренные методы модуляции добротно­сти называют активными. Этим подчеркивается тот факт, что уп­равление потерями осуществляется в результате команды извне. Наряду с активной применяют также пассивную модуляцию до­бротности. Она реализуется «автоматически», без использования внешних сигналов.

Чтобы реализовать пассивную модуляцию добротности резона­тора, достаточно поместить внутрь резонатора нелинейный эле­мент – резонансный поглотитель (см. рис.9.6, а), способный просветляться под действием падающего на него излучения, высвечиваемого актив­ным элементом (так называемый просветляющийся фильтр). Вещество фильтра содержит специальные поглощаю­щие центры (атомы или молекулы), в системе уровней которых есть переход, соответствующий рабочему переходу в активных центрах. Это есть переход на длине волны генерируемого лазером излучения.

Для простоты будем полагать, что поглощающий центр имеет всего два энергетических уровня; назовем их нижним и верхним. Плотность заселенностей этих уровней обозначим соответственно через  и . Коэффициент резонансного поглощения на перехо­де между рассматриваемыми уровнями можно представить в виде

,                                                (9.5)

где  – сечение вынужденных процессов в данном переходе. Вы­ражение (9.5) следует из вы­ражения (7.17) для коэффициента усиления, ес­ли вместо рабочего перехода в активных центрах рассматривать соответствующий переход в погло­щающих центрах фильтра и при этом изменить знак разности за­селенностей уровней. Уместно на­помнить, что усиление может рас­сматриваться как отрицательное поглощение. Выражение (9.5) показывает, что резонансное погло­щение обусловлено преобладани­ем процессов поглощения света над процессами вынужденного ис­пускания.

В исходном состоянии (когда еще не началась генерация) все поглощающие центры находятся на нижнем уровне, поэтому . Это состояние фильтра называют непросветленным; оно ха­рактеризуется максимальным значением коэффициента резонанс­ного поглощения.

Предположим, что импульс накачки возбудил активные центры в активном элементе, обеспечил инверсию засе­ленностей рабочих уровней. Несмотря на сильно выраженную ин­версию, генерация пока еще не развивается из-за высоких по­терь, вносимых непросветленным фильтром. Однако возбужден­ные активные центры могут само

произвольно переходить на ниж­ний рабочий уровень. Спонтанно испущенные фотоны инициируют новые переходы в активных центрах, приводящие к появлению небольших лавин вторичных фотонов. Некоторые из таких фотонных лавин распространяются вдоль оси резонатора и поглощают­ся в центрах фильтра. При этом последние переходят с нижнего уровня на верхний, в результате чего растет  и, как следствие, уменьшается коэффициент резонансного поглощения фильтра. Фильтр начинает понемногу просветляться.

Начавшийся процесс просветления фильтра способствует, в свою очередь, дальнейшему развитию высвечиваемых активным элементом фотонных лавин. В итоге наступает момент, когда фильтр быстро просветляется полностью, добротность резонатора резко возрастает и происхо­дит быстрый и бурный процесс генерации лазерного импульса.

На рис. 9.6, б показано, как заселены уровни поглощающих центров в непросветленном состоянии фильтра, а на рис. 9.6, в – в полностью просветленном состоянии. В последнем случае име­ем  и, следовательно, . Это означает, что процессы поглощения света и вынужденного испускания на переходе между рассматриваемыми уровнями поглощающего центра теперь взаим­но скомпенсированы, и фильтр не поглощает и не усиливает про­ходящий сквозь него световой поток на длине волны генерации.

После того как лазерный импульс высветился, поглощающие центры в фильтре за счет спонтанных переходов постепенно воз­вращаются на нижний уровень, и фильтр снова переходит в не­просветленное состояние. Характерное время, в течение которого фильтр возвращается в непросветленное состояние, называют вре­менем релаксации фильтра.

В качестве просветляющихся сред часто используются раст­воры органических красителей – цианиновых  (фталоцианина и криптоцианина) и шолиметиновых. Цианиновые красители исполь­зуют в лазерах на рубине, полиметиновые – в лазерах, активиро­ванных неодимом.