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.