ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

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

Активная среда

Av

С [10-2 cm2J

Х [мкс]

Ах

Ахт

Nd:YAG X = 1,064 мкм

135 ГГц

28

230

5 пс

3,3 пс

Nd:YLF X = 1,047 мкм

390 ГГц

19

450

2 пс

1,1 пс

Nd:YV04 X = 1,064 мкм

338 ГГц

76

98

< 10 пс

1,3 пс

Nd: стекло X = 1,054 мкм

8 ТГц

350

60 фс

55 фс

Родамин 6G X = 570 нм

45 ТГц

2- 104

5 - 10-3

27 фс

10 фс

Cr. LISAF X = 850 нм

57 ТГц

4,8

67

18 фс

8 фс

Ті:сапфир X = 850 нм

100 ТГц

38

3,9

6-8 фс

4,4 фс

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.

РЕЖИМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД И СИСТЕМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД

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

РЕЖИМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД И СИСТЕМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД

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

РЕЖИМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД И СИСТЕМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ МОДСинхронизации 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-

Рис. 8.31

Установка для получения керровской синхронизации мод в лазере на титан - сапфире, использующая симметричный 2-образный линейный резонатор и одну пару призм для контроля дисперсии

 

<й'

Лазер на титан-сапфире Е^Л=100 мм

Пучок накачки от аргонового лазера

 

РЕЖИМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД И СИСТЕМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД

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

£

Я=1

Лазерный

Стержень

Я=Я(і) Я=1

Ны быть равной длины [34]. Последовательность двух призм (т. е. только пер­вая половина четырехпризменной системы на рис. 8.26) используется для контроля дисперсии групповой задержки. При оптимальных условиях гене­рации, когда последовательность двух призм компенсирует положительную дисперсию групповой задержки сапфира, в таком лазере можно получить импульсы с длительностью до 30 фс. При уменьшении толщины сапфира до -2 мм можно уменьшить положительную дисперсию групповой задержки активной среды до достаточно малого значения, которое можно компенсиро­вать отрицательной дисперсией внутрирезонаторного чирп-зеркала в много­проходной конфигурации [35]. В этом методе проблема дисперсии третьего порядка в резонаторе резко уменьшается, и в результате получаются им­пульсы с рекордной длительностью — до 6-8 фс [35, 36].

 

ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

Лазерная резка и гравировка в Киеве

Гравировка по металлу проводится на профессиональном оборудовании. Гравировка с высокой детализацией применяется для оформления подарков, памятных вещей.

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ И ВРЕМЕННАЯ КОГЕРЕНТНОСТЬ ТЕПЛОВЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

В данном разделе приводится краткое описание когерентных свойств света, который излучается обычной лампой (лампой накаливания или га­зонаполненной лампой). Поскольку свет в этом случае обусловлен спон­танным излучением многих атомов, по существу …

УРАВНЕНИЕ ИОНИЗАЦИОННОГО БАЛАНСА

В результате соударений частиц с электронами в объеме электрического разряда происходит постоянное образование электронов и ионов. Ударная ио­низация осуществляется присутствующими в разряде горячими электронами, т. е. теми, энергия которых больше …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+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 шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua