Yi. Автомодуляция излучения в лазерном резонаторе

6.1. Динамика свободной генерации рубинового лазера. Сравнение теории с экспериментом

     Определение параметров лазера: скорости накачки и коэффициента усиления с точностью ~ 1% на основе данных предыдущего раздела позволяет провести количественное сравнение динамики свободной генерации рубинового лазера с расчетами на основе вероятностного метода [21]. Изучалась зависимость амплитуды и длительности импульсов свободной генерации в зависимости от коэффициента потерь резонатора и мощности ламповой накачки. При этом оказалось, что теория, основанная на рассмотрении усредненных по длине резонатора значений плотности мощности изллучения не дает удовлетворительного описания динамики излучения лазера, работающего в режиме свободной генерации. 

А                                                                  Б

Рис. 9.1. Зависимости длительности импульсов свободной генерации рубинового лазера от мощности накачки (А) и потерь лазерного резонатора (Б).

Кривые 1 – экспериментальные зависимости для потерь резонатора 0,1 см^-1А, Б – скорость накачки 5,7 10^-3 сек^-1. Значения потерь резонатора для расчетных кривых, А: 0,04; 0,07; 0,1; 0,14; 0,17; 0,2 см^-1 кривые 2 – 7 соответственно. Значения скорости накачки для расчетных кривых 2 - 7,Б: 7,8; 6,6; 5,4; 4,2; 3,0; 1,8 сек^-1×10^-3 соответственно.

       На рисунках 9.1 видно, что лазер во всех случаях генерирует значительно, примерно в 5 раз более короткие импульсы, чем это следует из расчетов. В случае соответствия теории с экспериментом кривые 1 на рис. 9.1 А и Б должны совпадать с кривыми 4. Из расчетов следуют также более сильные зависимости длительности импульсов от изменения коэффициента усиления и скорости накачки, хотя они и правильно предсказывают характер рассчитываемых зависимостей.

Рис. 9.2. Зависимость относительной максимальной  мощности выходного излучения рубинового лазера от мощности накачки.

Точки – экспериментальные данные, измеренные для лазера с потерями 0,1 см^-1 должны ложиться на прямую 4. Коэффициент потерь для расчетных прямых 1 – 6 равен соответственно: 0,2; 0,17; 0,14; 0,1; 0,07; 0,04 см^-1.

Относительная пиковая мощность пичков генерации лазера в 5 раз превышает расчетные значения, так как точки на графике рис. 9.2 должны ложиться на прямую 4.

Существенные расхождения расчетных и опытных данных на рис. 9.1 и 9.2 имеет стабильный, воспроизводимый и однозначный характер и их невозможно объяснить существованием каких-либо технических причин, например, флуктуацими длины резонатора или термооптическими искажениями активного элемента под действием накачки. Для объяснения существующего расхождения необходимо считать, что действующее значение превышения коэффициента усиления лазера над потерями во время развития пичка генерации существенно превышает расчетное значение.

Рис. 9.3. Зависимость скорости нарастания интенсивности от коэффициента потерь резонатора для второго пичка свободной генерации рубинового лазера. Вероятностная теория предсказывает обратную зависимость – уменьшение крутизны фронтов с ростом потерь (см. рис. 9,2 Б). Измерения проведены по методике, описанной в следующем разделе.

Наблюдаемое систематическое расхождение опытных данных с расчетными значениями по-видимому следует объяснять не эффектами автомодуляции потерь лазерного резонатора, как предполагалось ранее, а эффектом когерентного взаимодействия излучения с ансамблем активных частиц среды. Более конкретно со сверхизлучением активной среды лазера. В пользу этого предположения свидетельствует факт увеличения скорости нарастания интенсивности импульса излучения с ростом абсолютного значения коэффициента усиления лазера, то есть с ростом концентрации возбужденных частиц, взаимодействующих с полем излучения (рис. 9.3).

Дополнительные опытные данные в пользу этого предположения были получены при исследовании лазерного излучения в широком динамическом диапазоне изменения его интенсивности.