ПИКОСЕКУНДНЫЕ ИМПУЛЬСЫ

Напомним: пикосекунда
равна 10“12 с. Значит, речь идет о получении лазерных импульсов длительностью порядка 10"12 с. Чтобы почувствовать, насколько мал такой промежуток времени, достаточно принять во внимание, что за это время свет проходит расстояние, равное всего 0,3 мм.

Предварительно надо ввести и обсудить понятие «продольной моды» лазерного излучения. До сих пор мы молчаливо предполагали, что каждому уровню активного центра отвечает строго определенное значение энергии и поэтому каждому рабочему переходу соответствует излучение строго определенной частоты (строго определенной длины волны). В действительности же энергетический уровень всегда в какой-то степени «размыт»; ему соответствует энергия, непрерывно изменяющаяся в пределах некоторого интервала значений. В одних случаях это «размытие» меньше, в других больше. Когда мы рассказывали о лазере
151

на рубине, то пренебрегали «размытием» рабочих уровней, а вот вместо более высоко расположенных уровней рассматривали энергетические полосы. Подчеркнем: любой уровень в той или иной мере «размыт» и, следовательно, лазерное излучение характеризуется, строго говоря, не одной какой-то определенной частотой, а частотами в некотором интервале значений Ао. Набор частот, отвечающий данному рабочему переходу, называют его спектральной линией; Av есть ширина спектральной линии. У твердотельных лазеров Ау^101ОГц. Особенно велика Av для лазеров на красителях: 1012-1013 Гц.
Для излучения, генерируемого лазером, выполняется условие резонанса-на длине резонатора L укладывается целое число q полуволн Х/2: L = qX/2. Это аналогично известному акустическому резонансу, когда в струне возбуждаются лишь такие звуковые колебания, для которых половина длины звуковой волны укладывается на длине струны (между ее закрепленными точками) целое число раз. В данном случае роль струны с закрепленными концами выполняет оптический резонатор; его длина есть расстояние между зеркалами. Переходя от длины волны X к частоте v (напомним: v = v/X, где г-скорость света в среде, заполняющей резонатор), перепишем условие резонанса в виде v = qv/2L. Определяемые этим условием значения частоты называют резонансными частотами. Ясно, что могут быть реализованы только такие резонансные частоты, значения которых попадают в пределы ширины Av спектральной линии рассматриваемого рабочего перехода.
С каждой резонансной частотой, регенерируемой на данном переходе в данном резонаторе, связывают понятие «продольная мода». Вместо того чтобы говорить, что в излучении лазера представлены такие-то резонансные частоты, говорят, что излучение состоит из таких-то продольных мод.

Число одновременно генерируемых резонансных частот, а значит, и продольных мод можно оценить, поделив Av на расстояние между соседними резонансными частотами. Из условия резонанса видно, что это расстояние равно v/2L, что составляет 107-108 Гц. Для твердотельных лазеров число продольных мод равно 100-1000, а для лазеров на красителях оно доходит до 100000.

Теперь можно ответить на вопрос, как получают пикосекундные лазерные импульсы. Для этого надо, во-первых, чтобы в излучении лазера содержалось много продольных мод, и, во-вторых, чтобы все эти моды рождались в одной и той же фазе,хиначе говоря, чтобы они были синхронизованы друг с другом по фазе. Интерференция взаимно синхронизованных продольных мод приводит к резкому перераспределению энергии в лазерном излучении-в одних участках пространства происходит необычайно сильная концентрация световой энергии, тогда как в других участках вообще не остается энергии. В результате формируется регулярная последовательность сверхкоротких световых импульсов огромной мощности. Длительность каждого импульса обратно пропорциональна числу синхронизованных мод, а мощность прямо пропорциональна квадрату числа мод; поэтому-то и важно, чтобы в излучении содержалось побольше продольных мод. Сверхкороткие световые импульсы следуют друг за другом с интервалом 2L/i?, т. е. с интервалом 10"8-10"7 с. В твердотельных лазерах удается получить импульсы длительностью 10 -10_1Ос, а в ла
зерах на красителях-длительностью 10“12 с, что как раз и соответствует 1 пс. />Рассматриваемый режим работы лазера называют режимом синхронизации продольных мод. Для синхронизации мод применяют разные способы. В частности, используют акустооптический затвор, который периодически изменяет потери в резонаторе с частотой, равной v/2L. Возможна также самосинхронизация мод; для этого в резонатор лазера помещают просветляющийся фильтр, обладающий соответствующими параметрами.

ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ. ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ФАНТАСТИКА

"Пусть невозможного в стремительной погоне Достичь ты хочешь, человек, —
Не бойся, что замедлят бег Дерзанья золотые кони!"
Эмиль Верхарн

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме ПИКОСЕКУНДНЫЕ ИМПУЛЬСЫ:

- Популярная физика -