Устройство и важнейшие характеристики рубинового лазера

Энергия лазерного импульса ограничена объёмом активного элемента, и для увеличения пиковой мощности излучения лазера обычно стараются укоротить длительность импульса, по возможности сохраняя его энергию. Для этого используют уже упомянутый способ модуляции добротности (потерь) резонатора. По существу при активной модуляции добротности в резонатор с максимально возможной скоростью включают в резонатор сильно отражающее зеркало. Для этого оптимален момент, когда в активном элементе за счёт ранее начатой накачки накоплена максимальная энергия. В идеале включить обратную связь (резонатор) желательно за время прохода излучения по длине резонатора (несколько наносекунд). Технически это удаётся сделать за десятки наносекунд.

На практике для формирования коротких мощных импульсов часто применяют способ так называемой пассивной модуляции добротности. Для этого используют поглощающий элемент, просветляемый спонтанным излучением активной среды. Его помещают между активным элементом и зеркалом. В качестве просветляющегося фильтра используют либо раствор красителя, либо кристалл или стекло с подходящей полосой резонансного поглощения в диапазоне линии усиления лазера. Для рубинового лазера хорошо подходит стекло КС-19. Пока поглотитель не насыщен, он эффективно поглощает спонтанное излучение активной среды и эффективно «отключает» зеркало от участия в развитии генерации. По мере накопления инверсии в активном веществе заселённость верхнего лазерного уровня и мощность спонтанного излучения растёт. В некоторый момент она может оказаться достаточной для насыщения поглотителя. При этом зеркало оказывается «включённым» в резонатор, начинает развиваться вынужденное излучение, которое по мере роста интенсивности улучшает и ускоряет просветление поглотителя. В результате практически вся накопленная в активной среде энергия накачки переходит в излучение за несколько обходов света по резонатору (за наносекунды). Так формируются «гигантские» импульсы излучения лазера. Энергия такого импульса обычно составляет единицы джоулей, но пиковая мощность может достигать сотен мегаватт.

Если после формирования гигантского импульса накачка продолжается, то подобным же образом могут сформироваться ещё один или несколько импульсов. Количество и частота повторения импульсов зависят от порога насыщения поглотителя (то есть от концентрации красителя или толщины стекла). За время действия накачки (порядка миллисекунды) при умеренном пороге насыщения поглотителя в рубиновом лазере могут сформироваться регулярные последовательности в десятки импульсов, упорядоченных во времени и по амплитуде гораздо сильнее, чем пички свободной генерации.

Существует простой способ управления частотой повторения регулярных импульсов в режиме пассивной модуляции добротности. Если фототропное стекло перекрывает только часть апертуры активного элемента, то это равносильно снижению порога просветления поглотителя.