Оптоэлектроника

Синхронизация мод

(4.47)

подпись: (4.47)Сейчас мы рассмотрим особый случай динамической реакции неоднородной лазерной среды. Мы видели, каким образом неоднородная среда может быть описана ансамблем независимых осцилляторов, обладающих способностью генерировать в пределах всего модового диапазона, допускаемого фазовыми ограничениями, приведенными в (4.25). В этом случае комплексное электромагнитное поле, установившееся внутри резо­натора дается суммой всех вкладов 5 = 2И + 1 независимых мод д:

2яі уц

('-£ї

Е).

+ /V

Е(х, і)= 2>ХР

Предположим, что спектр усиления имеет центр при у0 и обладает шириной Ду = (2УУ+ 1 )8у9 где 8у — частотный интервал между модами, допускаемыми резо­натором. Как мы видели в (4.25), 8у = с/2пй так, что 8у = (2Ы + )/Тс = 5/Г (где Тс — время обращения фотонов в резонаторе, т. е. Тс = 2й/(с/п)). Поскольку нас интересуют только нестационарные изменения электромагнитного поля, (4.47) мо­жет быть записано в виде:

(4.48а)

подпись: (4.48а)£’(г)= Л(/)ехр [2ш1/0/] где амплитуда Л(/) дается соотношением:

(4.486)

Амплитуды Ад априори не обладают какой-либо фазовой связью друг с другом — их фазы фт являются хаотичными. Мы увидим в Дополнении 4. Г, что следствием этого является то, что амплитудные и фазовые флуктуации выходного сигнала мно­гомодовых лазеров могут быть значительными. Более того, если все амплитуды иден­тичны (Ад = А), то средняя мощность лазерного излучения составляет (2М + 1)А2 —БА2.

В этом разделе нас будет интересовать вопрос о том, что происходит с поведе­нием лазера, когда амплитуды различных мод обладают определенной фазовой свя­зью, накладываемой на них, т. е. фт =0. В этом случае мы говорим о синхронизации мод. Далее мы увидим, каким образом этот режим может быть реализован практи­чески. Отметим, что огибающая временной зависимости электромагнитного поля в соответствии с (4.486) является хорошо определенной периодической функцией с периодом Т. Говоря более точно, если мы предположим, что кривая усиления яв-

Ляется константой в пределах интервала Ау (т. е. если Ад = А), то в этом случае интенсивность волны дается выражением:

=н3

подпись: =н3

(4.49)

подпись: (4.49)5Іп(27У + І)кґ /Гс

Віп Ш /Тс

Оптический сигнал лазера с синхронизацией мод содержит последовательность (пачку) импульсов с интенсивностью 2(+1 )2А2, разделенных временными периода­ми Г, при этом ширина импульсов Гри15е дается соотношением:

1

Ау

подпись: 1
ау

(4.50)

подпись: (4.50)7риЬе 2И +1

(смотрите рисунок 4.16). Таким образом, чем шире спектр лазерного усиления, тем больше число мод, испытывающих усиление, и тем меньше длительность генери­руемых импульсов. Для получения ультракоротких импульсов используются кри­сталлы сапфира, легированного титаном, обладающие шириной полосы усиления 500 мэВ и позволяющие генерировать импульсы длительностью 10 фс. Как мы увидим, полупроводники с шириной полосы усиления в несколько сотен мэВ так­же являются хорошими кандидатами для реализации лазеров с синхронизацией мод. В таблице 4.2 обобщены ключевые характеристики выходного сигнала лазеров с синхронизацией мод.

На практике (смотрите рисунок 4.17) синхронизация мод может быть осуще­ствлена за счет введения быстродействующего электрооптического затвора между двумя резонаторными зеркалами.

Таким образом, пропускание света между двумя зеркалами возможно только в течение коротких периодов времени, определяемых приложенным извне электри-

Табл. 4.2. Ключевые характеристики выходного оптического сигнала лазеров с син­хронизацией мод

Период

Н

Ширина импульса

Т 1

'Г _ '( _ *

Рик‘ 5 Ау

Средняя интенсивность

/ = 5Л2

Пиковая интенсивность

=52Л2 =5/

Тс

Интенсивность

В-/

В

Рк:-.....................

'и-

.............

Рис. 4.16. Временная зависимость суммы 5 синусоидальных вкладов, разделенных по частоте интервалом 1/Г. Результат представляет собой последовательность им­пульсов шириной Т/5, разделенных во времени интервалами Тс и имеющих пиковую интенсивность в 5 раз больше усредненного по времени уровня.

Ческим сигналом. Единственной частью полной последовательности импульсов, ко­торая будет способна распространяться в резонаторе (и испытывать усиление в ла­зерной среде) будет та часть, которая содержит моды, синфазные с модулированным пропусканием электрооптического затвора. Эту ситуацию называют своего рода вы­живанием наиболее приспособленных, при этом моды, которые не удовлетворяют необ­ходимым фазовым условиям, исключаются из процесса усиления. Описание этого механизма с использованием электромагнитных лазерных уравнений дано в Допол­нении 4. В. В заключение отметим, что синхронизация мод также может быть реали­зована с использованием насыщаемого поглотителя. Этот последний метод исполь­зуется для достижения синхронизации мод в полупроводниковых лазерах.

Пример --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Рассмотрим стеклянный лазер на основе Ш3+:УАС. Коэффициент преломления стекла пор составляет 1,5, а ширина перехода Дк=3 х 1012 Гц. Период между им­пульсами Тс составляет 2 м/2 х 108 м с-1 или 10 не, ширина импульсов в режиме синхронизации мод составляет ГриЬе = 0,33 пс, а число синхронизированных мод £= 10~8 с/3,3 х 10-13 с или 30 ООО мод. При средней мощности излучения в 1 Вт ее пиковое значение составляет 30 кВт.

Синхронизация мод

<----------------------------- ►

D

Синхронизация мод

Рис. 4.17. При синхронизации мод лишь импульсы, синхронизированные с открыва­нием электрооптического затвора через 2d/c', будут способны испытать уси­ление лазерной среды. Это эквивалентно своего рода естественному отбору среди всех мод резонатора, при этом моды, не удовлетворяющие фазовым ограничениям, исключаются из процесса усиления.

Оптоэлектроника

Приобретаем- купить осциллограф, тепловизоры, источники питания

Тепловизионные камеры. Тепловизоры testo - полупроводниковые приборы, наделённые возможностью наблюдать тепловое либо световое излучение. Тепловизор flir на собственном мониторе изображает оранжевыми, красными и желтыми цветами объекты, источающие тепло, но прохладные …

Конкуренция мод: перекрестные модуляторы

В дополнении 11.Д мы видели, что вблизи порога полупроводниковый лазер может генерировать в многомодовом режиме несмотря на то. что усиливающая среда яв­ляется однородной. При достаточно сильном возбуждении настолько выше порога, …

Униполярные квантово-каскадные лазеры

Одной из характерных особенностей полупроводниковых лазерных диодов являет­ся то, что в прямо смещенном диоде принимают участие два типа носителей (элек­троны и дырки). Это делает традиционные лазерные диоды биполярными приборами. Существует …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов оборудования:

Внимание! На этом сайте большинство материалов - техническая литература в помощь предпринимателю. Так же большинство производственного оборудования сегодня не актуально. Уточнить можно по почте: Эл. почта: msd@msd.com.ua

+38 050 512 1194 Александр
- телефон для консультаций и заказов спец.оборудования, дробилок, уловителей, дражираторов, гереторных насосов и инженерных решений.