Селекция мод

Селекция мод в лазерах

В лазерных резонаторах одновременно могут существовать множество продольных и поперечных мод, каждая из которых характеризуется собственной частотой, пространственным распределением поля и добротностью. Однако наличие большого числа одновременно возбужденных мод приводит к ухудшению когерентных свойств излучения и нестабильности генерации. Поэтому селекция мод — один из важнейших аспектов построения эффективных и стабильных лазерных систем.

Селекция мод может осуществляться как по частоте (продольная селекция), так и по поперечному распределению поля (поперечная или пространственная селекция). Методы селекции можно разделить на пассивные и активные, в зависимости от того, изменяются ли они во времени или являются статичными по отношению к полю лазера.

Продольная селекция мод

Продольные моды резонатора

Продольные моды определяются условием стоячей волны вдоль оптической оси резонатора. Для резонатора длиной L, заполненного средой с показателем преломления n, допустимые частоты мод:

$$ \nu_q = \frac{q c}{2nL}, \quad q \in \mathbb{Z} $$

Интервал между соседними модами:

$$ \Delta \nu = \frac{c}{2nL} $$

В типичных лазерах этот интервал составляет десятки МГц или меньше, в то время как ширина усиления активной среды может достигать ГГц или ТГц. Следовательно, в спектральной области усиления могут размещаться сотни или тысячи мод.

Спектральное ограничение мод

Чтобы ограничить генерацию одной или несколькими продольными модами, используют селективные элементы:

  • Фабри-Перо интерферометры — действуют как частотно-селективные фильтры с узкой полосой пропускания.
  • Диспергирующие элементы (решётки, призмы) — позволяют пространственно разделить моды по частоте.
  • Фильтры с частотно-зависимыми потерями (например, брэгговские отражатели) — усиливают только определённую частоту.
  • Интерферометры Жана или эталонные резонаторы, установленные внутри основного резонатора, — усиливают резонансные частоты с определённым шагом, отсекая остальные.

Активная продольная селекция

Для стабилизации и управления частотой активной моды применяют:

  • Инъекционную синхронизацию — подачу когерентного излучения на определённой частоте в резонатор.
  • Электрооптическую или акустооптическую модуляцию параметров внутри резонатора — это позволяет управлять усилением отдельных мод.
  • Обратную связь по частоте с использованием пьезоэлементов, изменяющих длину резонатора в реальном времени.

Поперечная селекция мод

Поперечные моды и их характеристики

Поперечные моды (например, моды Гаусса — TEMmn) описываются распределением поля в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Основная мода TEM00 обладает максимальной симметрией и наиболее высокой концентрацией энергии в центре пучка.

Чем выше порядок моды, тем шире и менее фокусирован профиль, а также ниже добротность и эффективность генерации. Поэтому важной задачей является подавление всех мод, кроме TEM00.

Методы поперечной селекции

  1. Диффракционное ограничение Использование апертур (диафрагм) в резонаторе, диаметр которых меньше поперечного размера высокопорядковых мод. Это приводит к большим потерям для этих мод и селективному усилению TEM00.

  2. Пространственно неоднородное усиление Если активная среда накачивается неравномерно (например, фокусированным пучком накачки), максимальное усиление будет в центре, где интенсивность основной моды выше. Высшие моды, имеющие узлы в центре, получают меньше усиления.

  3. Резонаторы специальной геометрии Использование конфигураций с предпочтением к одной моде: конфокальные, геми-сферические или plano-concave резонаторы с расчётом на то, чтобы основная мода имела наибольшую стабильность и минимальные потери.

  4. Поглощающие вставки Использование тонких плёнок или элементов с потерями вне центра резонатора, создающих дополнительные потери для мод с распределением вне оси.

Комбинированные методы селекции

Во многих практических лазерах применяются одновременно несколько методов, обеспечивающих как продольную, так и поперечную селекцию. Например, лазер может содержать узкополосный интерферометр для частотной селекции и диафрагму для ограничения поперечных мод. Кроме того, в системах с внешней оптической связью могут использоваться волоконные фильтры, брэгговские решётки и другие гибридные компоненты.

Одномодовые лазеры

Одномодовая генерация (single-mode operation) — важное условие для спектрально чистого, стабильного и когерентного излучения. Одномодовые лазеры имеют решающее значение в высокоточных измерениях, оптоволоконной связи, спектроскопии и квантовых технологиях.

Для реализации одномодового режима необходимо:

  • Использовать короткий резонатор (уменьшение Δν)
  • Применять активную стабилизацию длины резонатора
  • Ввести дополнительные селективные элементы с полосой пропускания, уже ширины усиления активной среды

Примером являются лазеры с распределённой обратной связью (DFB) и лазеры с распределённым отражателем (DBR), где селекция мод встроена на уровне структуры.

Селекция мод в различных типах лазеров

  • Газовые лазеры (например, He-Ne): благодаря малой ширине линии усиления легко достигается одномодовый режим при соответствующей длине резонатора.
  • Твердотельные лазеры: широкая полоса усиления требует применения эффективной селекции, особенно при использовании диодной накачки.
  • Полупроводниковые лазеры: естественно имеют сильную продольную селекцию, но нуждаются в дополнительных мерах для поперечной селекции, особенно в мощных системах.
  • Волоконные лазеры: благодаря малому поперечному размеру поддерживают только одну поперечную моду, но требуют тонкой настройки частотных свойств для подавления паразитных продольных мод.

Роль селекции мод в стабильности и шумовых характеристиках

Многомодовая генерация может приводить к шумам, биениям, неустойчивостям и пульсациям интенсивности. Эффективная селекция мод обеспечивает:

  • Повышение спектральной чистоты
  • Стабильность фазы и амплитуды
  • Улучшение временной когерентности
  • Уменьшение джиттера (временных флуктуаций)
  • Минимизацию тепловых и акустических эффектов в активной среде

Таким образом, селекция мод является фундаментальной составляющей в проектировании и эксплуатации высококачественных лазерных источников.

Оглавление