РЕЖИМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД И СИСТЕМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД
Лазеры с синхронизацией мод могут работать с импульсной или непрерывной накачкой, и в зависимости от типа «синхронизующих» элементов й типа используемой усиливающей среды режимы синхронизации мод могут довольно сильно отличаться. В этом разделе будут кратко рассмотрены несколько примеров.
Рис. 8.28
Различные режимы синхронизации мод:
А) синхронизация мод с импульсной накачкой; б) непрерывная синхронизация мод с непрерывной накачкой; в) синхронизация мод с непрерывной накачкой и быстрым насыщающимся поглотителем, демонстрирующая одновременное возникновение синхронизации мод и периодической модуляции добротности.
В импульсном режиме (рис. 8.28а) временной интервал АТр огибающей волнового пакета имеет конечное значение, которое зависит от соответствующего метода синхронизации мод. Как уже обсуждалось в разделе 8.6.3.1, синхронизация мод с активной амплитудной и фазовой модуляцией обычно достигается посредством ячейки Поккельса, обеспечивающей электроопти - ческую амплитудную или фазовую модуляцию соответственно, и в этом случае величина Атр главным образом определяется длительностью импульса накачки. Например, это происходит в активной среде с малым временем восстановления (т примерно несколько наносекунд; например, лазер на красителе), которая не может работать в режиме модуляции добротности. В этом случае Ат^ обычно составляет несколько десятков микросекунд. Пассивная синхронизация мод обычно достигается с помощью быстрого (несколько десятков пикосекунд) насыщающегося поглотителя — раствора красителя, и для активной среды с большим временем восстановления (т — примерно несколько сотен микросекунд; например, твердотельные лазеры) наличие насыщающегося поглотителя приводит не только к синхронизации мод, но и к режиму модуляции добротности. В ЭТОМ случае длительность АТр волнового пакета в режиме синхронизации мод определяется исходя из тех же соображений, ЧТО И длительность импульса В режиме МОДУЛЯЦИИ добротности АТр (обычно несколько десятков наносекунд, см. раздел 8.4.4). Отметим, что при использовании медленно насыщающегося поглотителя (т — порядка нескольких наносекунд) в медленной усиливающей среде,[44] благодаря механизму, изложенному в разделе 8.4.2.4, пассивная модуляция добротности с селекцией частоты будет происходить «более активно», чем синхронизация мод.
В случае активной синхронизации мод и непрерывной накачки выходной пучок состоит из непрерывного цуга импульсов с синхронизацией мод (рис. 8.286), частота повторения которых зависит от того, используется режим синхронизации мод на основной частоте или синхронизация мод в режиме гармоник (см. рис. 8.19). Как уже обсуждалось в разделе 8.6.3.1, в этом случае активная синхронизация мод обычно достигается с помощью акусто- оптического модулятора, потому что потери в нем меньше, чем в модуляторе на ячейке Поккельса. Непрерывную пассивную синхронизацию мод с помощью медленного насыщающегося поглотителя молено достигнуть, используя медленный насыщающийся поглотитель вместе с быстрой усиливающей средой (а именно — лазеры на красителе). Также непрерывный режим пассивной синхронизации мод можно получить с нелинейными элементами с «быстрыми» нелинейными потерями (такими, как быстрый насыщающийся поглотитель или нелинейные элементы с линзой Керра). Тем не менее, при использовании последних вместе с медленной усиливающей средой (твердотельная среда) необходимо проверить отсутствие одновременного появления режима модуляции добротности [32]. Если этой ситуации не удалось избежать, система может работать в режиме периодической модуляции добротности вместе с синхронизаций мод (рис. 8.28в) или в режиме периодической модуляции добротности без синхронизации мод. В обоих случаях длительность импульса в режиме модуляции добротности Атр, а также частота повторения импульса в режиме модуляции добротности 1/тр (см. рис. 8.28в) определяются динамикой процесса модуляции добротности.
Огромное количество лазеров работают как с активной, так и с пассивной синхронизацией мод. Сюда можно отнести многие газовые лазеры (например, Не-Ые лазер, аргоновый лазер и С02 лазер), а также все широко используемые твердотельные лазеры, многие полупроводниковые лазеры и лазеры на красителях. В качестве примера в табл. 8.1 приведены наиболее широко используемые среды, позволяющие получить пикосекундные и наносекунд - ные лазерные импульсы в непрерывном режиме с синхронизацией мод, а также соответствующие значения ширины линии усиления Ау0, максимального сечения вынужденного излучения а и времени жизни верхнего лазерного уровня т. Также в таблице приведены значения самой короткой длительности импульса Атр9 когда-либо достигнутой, а также минимальной длительности импульса Аттр = 0,44/А'0, которую можно, в принципе, достигнуть в каждом конкретном лазере. Следует помнить, что согласно выражению
(7.3.12) пороговая мощность накачки обратно пропорциональна произведению стт. Поэтому для заданной усиливающей среды можно выбрать величину 1/стт в качестве меры для получения наименьшего порога, в то время как величина 1/Ау() представляет собой количественное выражение или меру при получении кратчайшей длительности импульса. Следует отметить, что поскольку а 1/Ау(), возможность лазера вырабатывать более короткие импульсы сопровождается более высоким порогом генерации. Также лазеры с сиН' хронизапией мод весьма и весьма существенно различаются но конфигур*'
|
Наиболее известные среды, обеспечивающие пикосекундные и фемтосекундные лазерные импульсы, вместе с соответствующими значениями
|
|
Примечание: 2-я колонка — ширина линии усиления Ауо; 3-я колонка — максимальное сечение вынужденного излучения ст; 4-я колонка — время жизни верхнего состояния т; 5-я колонка— самая короткая длительность импульса Атр полученная экспериментально; 6-я колонка — кратчайшая длительность импульса Аттр, достигаемая для лазера данного типа. |
|
Рис. 8.29 Установка для синхронизации мод, использующая сталкивающиеся импульсы в кольцевом лазере на красителе и включающая в себя двупризменные пары для контроля дисперсии |
Ции, и целью этой книги не является подробное перечисление и описание этих различных систем. Поэтому здесь будут рассмотрены только два наиболее значимых и наиболее современных примера фемтосекундных лазеров:
1) лазер на красителе родамин 6G с синхронизацией мод на сталкивающихся пучках; 2) Ti:Sa лазер с керровской синхронизацией мод (KLM лазер).
В лазере с синхронизацией мод на красителе родамин 6G (рис. 8.29) используется кольцевой резонатор, в котором активная среда, расположенная в перетяжке пучка между двумя фокусирующими зеркалами М2 и М3, состоит из раствора родамина 6G в этиленгликоле, протекающего в виде струи ортогонально плоскости рисунка. Лазер работает в режиме пассивной
|
|
|
Рис. 8.30 Схематическое представление кольцевого лазера на красителе с синхронизацией мод на сталкивающихся импульсах: А) момент времени £ = О, когда два распространяющихся навстречу друг другу импульса встречаются (сталкиваются) в месте расположения насыщающегося поглотителя; б) момент времени і — Ьр/4су где Ьр — длина периметра кольца, когда один импульс проходит через усиливающую среду на красителе. |
|
І = Ьр/4с |
Синхронизации мод с использованием медленного насыщающегося поглотителя, который расположен в перетяжке пучка между двумя фокусирующими зеркалами М4 и М5 и состоит из раствора БОБСІ в этиленгликоле, так же протекающего в виде струи ортогонально плоскости рисунка [33]. Активная среда почти продольно накачивается пучком от непрерывного аргонового лазера, который фокусируется на потоке струи зеркалом Мг. Кольцевая конфигурация приводит к генерации двух противоположно распространяющихся фемтосекундных лазерных импульсов, которые каждый раз встречаются (т. е. сталкиваются) в месте расположения струи насыщающегося поглотителя. Благодаря образованию стоячей волны в насыщающемся поглотителе, насыщение поглотителя увеличивается, и пиковое полное усиление возрастает (рис. 8.24). Два импульса встречаются на отрезке времени, который разделен интервалом Ьр/с9 где Ьр — периметр кольца. Струя родамина 60 расположена на расстоянии Ьр/4 от насыщающегося поглотителя. Как можно видеть из рис. 8.30, это приводит к тому, что все одиночные импульсы, которые проходят через родамин 60, будут равноудалены по времени на величину Ьр/2с. Эта симметрия дает равенство насыщенного усиления родамина 60 для этих двух импульсов, таким образом обеспечивая лучшую синхронизацию мод. Чтобы контролировать дисперсию групповой задержки резонатора, в кольцевую схему вводится последовательность из четырех призм (рис. 8.26). В этом случае с полной минимизацией дисперсии групповой задержки могут быть получены импульсы порядка -50 фс. При специальных условиях генерации синхронизация мод может быть улучшена с помощью механизмов солитон - ного типа, таких как явление фазовой самомодуляции внутри струй, и при требуемом значении отрицательной дисперсии групповой задержки системы из четырех призм [30]. В этом режиме работы были получены импульсы до 27 фс (самые короткие для лазеров на красителе с синхронизацией мод).
В Ті:8а лазере с керровской синхронизацией мод (в г-образном линейном резонаторе) 10-миллиметровая пластинка из Ті:8а продольно прокачивается сфокусированным пучком аргонового лазера (рис. 8.31). Керровская синхронизация мод (см. рис. 8.23) достигается за счет использования оптической керровской линзы, возникающей в сапфировой пластинке с соответствующей апертурой, расположенной на одном из концов резонатора. Для получения наибольшего значения керровской нелинейности, такого, чтобы лазер мог работать в режиме «самостарта», оба плеча г-образного резонатора доляс-
|
|
|
|
|
Техника разгрузки резонатора [37] позволяет вывести накопленную в лазере электромагнитную энергию (в виде фотонов) за время, равное времени полного прохода резонатора. Принцип действия данного метода можно рассмотреть с помощью рис. 8.32, где резонатор лазера предполагается выполненным в виде двух глухих зеркал, и выходная мощность отводится с помощью специального «ответвителя». Отражающая способность Е = В^) такого выходного устройства до какого-то момента времени равна нулю, после чего в определенный момент времени отражающая способность мгновенно переключается до значения 100%. Таким образом, это устройство будет разгружать резонатор при каждом полном проходе, какой бы ни была мощность, циркулирующая в резонаторе. С другой стороны, если отражающая способность ответвителя переключается до значения меньшего, чем 100%, устройство разгрузки резонатора все еще будет корректно работать, при условии, что отражающая способность ответвителя после переключения будет сохраняться на достаточно высоком уровне в течение времени, равного времени полного прохода резонатора, и потом |
|
Выходной Пучок |
|
£ |
|
|с Я=1 |
|
Лазерный Стержень |
|
Я=Я(і) Я=1 |
|
|
|
|
