Устройство и важнейшие характеристики рубинового лазера

В рубиновом лазере чаще всего свободная генерация имеет пичковый характер; его принято считать типичным для лазеров с плоскими зеркалами. Для этого случая в излучении участвует мало поперечных мод, индексы их невелики, и генерация происходит почти независимо в отдельных узких (порядка миллиметра) продольных нитях, параллельных оси резонатора. Длительность генерации в таком канале порядка десятков наносекунд, а амплитуда случайна. Излучение отдельных областей зависит от многих факторов (степень возбуждения, качество кристалла и прочих оптических элементов в рабочей области спектра, пространственная однородность накачки, рассеяние излучения и др.). Поэтому время возникновения каждого пичка случайно, что и наблюдают как неупорядоченные во времени и по амплитуде резкие изменения мощности лазерной генерации.

При конфигурации резонатора, близкой к конфокальной, число излучаемых попреречных мод резко возрастает (до десятков тысяч), поля отдельных мод сильно перекрываются, излучение в значительной степени усредняется и в пространстве и во времени, и генерация по динамике более похожа на непрерывное излучение в течение всего периода, пока накачка превышает порог генерации. Такой режим называют гладким или беспичковым. Часто возникают регулярные пульсации излучения, при которых амплитуды импульсов и частота их повторения сильно коррелированы с текущей мощностью накачки. Можно наблюдать переходы от хаотических пульсаций к регулярным и наоборот.

Для эффективного сглаживания излучения в режиме свободной генерации можно использовать нелинейный (фототропный) поглотитель, у которого поглощение излучения лазера возрастает с увеличением его интенсивности. Проще всего использовать окрашенное стекло с полосой поглощения на удвоенной частоте лазерного излучения. Для рубинового лазера более всего подходит стекло КС-15 толщиной в несколько миллиметров. Так как сечение двухквантового поглощения пропорционально интенсивности излучения, то такой поглотитель эффективно работает только при значительной мощности генерации, подавляя пики излучения выше некоторого среднего уровня. Так обеспечивается дополнительное сглаживание импульса свободной генерации.

На осциллограмме сглаженного импульса свободной генерации (рис. 3в) видно, что сглаженному импульсу предшествует короткий быстро затухающий цуг пичков (лидер), с которого начинается процесс развития генерации. По-видимому, с увеличением числа фактически генерируемых мод пульсации ослабевают, и генерация переходит в беспичковую стадию.

Средняя мощность излучения рубинового лазера в режиме свободной генерации обычно около 10⁵ Вт (10² Дж/10⁻³ с). В пичковых режимах при нерегулярных пульсациях излучения пиковая мощность может превышать среднюю примерно на два порядка. Такие отдельные пики мощности в режиме свободной генерации случайны, нестабильны, непредсказуемы и практически невоспроизводимы.