Синхронизация мод в лазерах

Процесс установления импульсного режима генерации в синхронно накачиваемых лазерах может быть разделен на три различные фазы, аналогичные фазам установления активной синхронизации мод и пассивной синхронизации мод в лазерах на красителях. В течение первой фазы усиления из шумового сигнала образуется импульс, энергия которого с каждым проходом резонатора растет, а длительность уменьшается. [c.153]

ПАС( ИВНАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ мод в ЛАЗЕРАХ НА КРАСИТЕЛЯХ [c.186]

Пассивная синхронизация мод в лазерах на красителях 187 [c.187]

В предшествующем рассмотрении мы не обращали внимания на особенности, которые могут быть вызваны размещением поглотителя вблизи зеркала с большим коэффициентом отражения. Ряд экспериментальных исследований показал, что расположение узкой кюветы с поглотителем в контакте с глухим зеркалом увеличивает стабильность генерации и способствует укорочению импульсов (см., например, [6.12]). Такое действие тонкого контактного поглотителя обусловлено тем, что падающий на зеркало и отраженный импульсы перекрываются в насыщающемся поглотителе, это позволяет достигать насыщения при меньших интенсивностях или энергиях импульсов и благоприятствует процессу синхронизации мод. Эффекты когерентного перекрытия двух импульсов могут быть использованы особенно эффективно, если такие встречные импульсы распространяются в кольцевом резонаторе и перекрываются в тонком поглотителе [6.6, 6.7, 6.33, 6.37—6.39]. Таким путем к настоящему времени были получены наиболее короткие импульсы длительностью около 50 фс, возбуждаемые в резонаторе лазера (ср. п. 6.3.4). При этом максимальное перекрытие встречных импульсов в поглотителе обеспечивается системой автоматически, так как оно соответствует оптимальным условиям генерации, если только оба импульса одинаково усиливаются активной средой. Последнее обеспечивается таким размещением усилителя и поглотителя, когда расстояние между ними составляет четвертую часть длины резонатора. В этом разделе мы хотим вывести уравнения, описывающие когерентное перекрытие двух встречных импульсов в лазере. Это описание в одинаковой степени должно касаться двух различных ситуаций контактного поглотителя в линейном резонаторе и режима синхронизации мод в лазере с кольцевым резонатором со сталкивающимися импульсами (СРМ) ([6.13, 6.29]). Мы будем считать, что в случае линейного резонатора оптические элементы расположены, как показано на рис. 6.3, при Ua = 0 я оптимальном размещении усилителя в середине резонатора (Ur = Ui). В случае кольцевого СРМ-лазера отраженный луч на модели рис. 6.3 не проходит снова через отдельные элементы, а направляется оптической системой непосредственно к точке 2. При этом расстоя- [c.202]

Длина резонатора обычно выбирается порядка 1 м. В этом случае интервал между импульсами составляет 10 не. Свойства красителя, а также расположение кюветы с красителем внутри резонатора являются дальнейшими важными факторами, влияющими на процесс синхронизации мод. Аналогично тому как это имело место при пассивной синхронизации мод в лазерах на красителях, в твердотельных лазерах оптимальные условия синхронизации мод и наиболее короткие импульсы получают при применении насыщающихся поглотителей с тонким слоем, находящихся в контакте с зеркалом резонатора [7.17, 7.18]. В отличие от лазеров на красителях в твердотельных лазерах время релаксации насыщающегося поглотителя, согласно теории, должно быть короче или по крайней мере равно по порядку величины длительности импульса. Полоса частот поглощения поглотителя должна лежать внутри спектра вынужденного излучения лазера. Полуширина этой полосы частот должна [c.257]

В наиболее общей модели, чаще всего используемой для многомодового лазерного излучения, принимается, что колебания мод независимы и происходят без заметной фазовой синхронизации. Но такой моделью следует пользоваться с большой осторожностью. Если флуктуации фазы обусловлены колебаниями граничных зеркал лазера, то ясно, что флуктуации различных мод будут статистически зависимыми. Кроме того, если фазовые флуктуации являются неотъемлемой частью механизма колебаний, то лазер является существенно нелинейным прибором и в результате этих нелинейностей может возникать значительная связь между модами. Например, некоторая фазовая синхронизация имеет место, если частотная компонента, генерируемая за счет нелинейного взаимодействия между двумя модами, совпадает с частотой некой третьей моды. Такие эффекты особенно существенны в лазере, работающем значительно выше порога, где нелинейности особенно велики. (Относительно методов намеренного введения синхронизации мод в лазерах см., например, работу [4.15].) [c.145]

Хотя во многих лазерах с пассивной синхронизацией мод применяются быстрые насыщающиеся поглотители, в некоторых условиях синхронизацию мод могут обеспечить также медленные насыщающиеся поглотители. Это возможно, когда энергия насыщения усиливающей среды сравнима с энергией насыщения поглотителя, хотя и несколько превышает ее. К синхронизации мод в этом случае приводят весьма тонкие физические явления [28], которые мы опишем с помощью рис. 5.45. Для простоты предположим, что как насыщающийся поглотитель, так и активная среда помещены вместе в одну и ту же кювету на одном из концов лазерного резонатора. Будем считать, что до появления импульса потери преобладают над усилением, поэтому участок переднего фронта импульса испытывает ослабление. С некоторого момента времени в течение переднего фронта импульса, когда накопленная плотность энергии импульса станет сравни- [c.318]

У Nd YAG-лазера, работаюш,его на длине волны "к — 1,06 мкм, линия излучения имеет однородную ширину Avo 195 ГГц. Вычислите ожидаемую длительность импульса лазера, если длина его резонатора L = 1,5 м, а синхронизация мод в нем осуществляется с помощью акустооптического модулятора. Какой была бы длительность импульса, если бы линия была неоднородно уширена Вычислите частоту напряжения, которое необходимо приложить к акустооптическому модулятору, когда он помещен на одном из концов резонатора. [c.329]

Как мы уже отмечали, основные переходы иона Nd + —это переходы, совершаемые тремя электронами, принадлежащими оболочке 4/. Эти электроны экранируются восемью внешними 5s-и 5р-электронами, Соответственно уровни энергии в стекле с неодимом в основном располагаются так же, как и в кристалле Nd YAG. Поэтому и наиболее интенсивный лазерный переход имеет длину волны % ж 1,06 мкм, Однако в стекле из-за неоднородного уширения, обусловленного локальными неоднородностями кристаллического поля стеклянной матрицы, линии лазерных переходов намного шире. В частности, основной лазерный переход с Х=1,06 мкм примерно в 30 раз шире, поэтому максимальное сечение перехода приблизительно в 30 раз меньше, чем в кристалле Nd YAG. Разумеется, более широкая линия благоприятна для работы в режиме синхронизации мод, в то время как меньшее сечение необходимо для импульсных высокоэнергетических систем, поскольку пороговая инверсия для паразитного процесса УСИ (усиление спонтанного излучения) [см. (2.153)] соответственно увеличивается. Таким образом, по сравнению с Nd YAG в стекле с неодимом до включения УСИ может быть запасено в единичном объеме больше энергии. Наконец, поскольку полосы поглощения в стекле с неодимом также много шире, чем в кристалле Nd YAG, а концентрации ионов Nd + обычно вдвое больше, эффективность накачки стержня из стекла с неодимом приблизительно в 1,6 раза больше, чем в стержне из Nd YAG тех же размеров (см. табл. 3.1). Однако наравне с этими преимуществами стекла с неодимом по сравнению с кристаллом Nd YAG стекло обладает весьма серьезным ограничением, связанным с его низкой теплопроводностью, которая приблизительно в десять раз меньше, чем в Nd YAG. Это существенно ограничивает применения лазеров на стекле с неодимом импульсными системами при небольшой частоте повторения импульсов (с 5 Гц), чтобы избежать проблем, связанных с нагревом стержня. [c.338]

Из сказанного выше следует, что генерацию в аргоновом лазере следует ожидать на переходе 4p->4s. Так как оба уровня 4s и 4р на самом деле состоят из многих подуровней, аргоновый лазер может генерировать на многих линиях, среди которых наиболее интенсивными являются зеленая (А, = 514,5 нм) и синяя (А, = 488 нм). Из измерений спектра спонтанного излучения было найдено, что доплеровская ширина линии AvJ, например зеленого перехода, составляет около 3500 МГц. Это означает, что температура ионов, определяемая в соответствии с выражением (2.78), равна Т 3000 К. Иными словами, ионы являются очень горячими благодаря их ускорению в электрическом поле разряда. Относительно широкая доплеровская ширина линии также приводит к тому, что в режиме синхронизации мод в аргоновом лазере наблюдаются сравнительно короткие импульсы ( 150 пс см. табл. 5.1). [c.355]

Комбинированная синхронизация мод. При использовании метода пассивной синхронизации мод пикосекундных лазеров достигаются меньшие длительности импульсов и большая стабильность параметров излучения, а при активной синхронизации мод — более высокие энергетические характеристики. Одновременное использование обоих подходов в схемах синхронной накачки пикосекундных лазеров приводит во многих случаях к оптимальным результатам [28]. [c.253]

Уже в начале 80-х годов стало ясно, что перспективы генерации сверхкоротких импульсов УФ диапазона связаны с удвоением частоты лазеров на красителях и их последующем усилении в эксимерных усилителях. Трудности в осуществлении пассивной или активной синхронизации мод эксимерных лазеров вызваны, прежде всего, малыми временами существования инверсии в активной среде (10 —10 с), что резко ограничивает число проходов излучения по резонатору. К настоящему времени минимальная длительность, реализованная в режиме активной синхронизации мод, составляет 120 пс [74]. Итоги развития пикосекундных эксимерных систем подведены в обзоре [75]. [c.271]

Действительные решения уравнения (5.18) существуют лишь в ограниченной области временных сдвигов максимума h или соответственно расстроек резонатора 6L (см. рис. 5.3 и 5.4). В этой области имеет место стабильный моноимпульсный режим. Она является областью устойчивой синхронизации мод. В указанной области изменения длины резонатора лазера на красителе периоды следования импульсов лазера и накачки совпадают. Это становится возможным вследствие задержки импульса частотно-селективным элементом и сдвига импульса вперед усилителем. Сдвиг импульса в усилителе возникает вследствие сокращения заднего фронта импульса, вызванного уменьшением усиления. Таким образом, внутри области стабильного режима выполняется условие синхронизации для времен прохода обеих лазерных систем u up. Поэтому система в целом способна самостоятельно обеспечить неизменность расстояния между импульсами лазера и накачки от прохода к проходу. При малых коэффициентах усиления ( -" 2) главную роль играет эффект задержки (/г<0 или 6L<0). С ростом усиления эффект задержки компенсируется и область синхронизации смещается в диапазон положительных временных сдвигов (/г>0) (см. рис. 5.4). [c.165]

В различных применениях особенно пригодными для осуществления пассивной синхронизации мод оказались твердотельные лазеры и лазеры на красителях. Но они существенно различаются между собой не только по параметрам генерируемых импульсов, но и по самому механизму процесса генерации. Пассивная синхронизация мод в лазере на красителе характеризуется тем, что время релаксации лазерного красителя имеет тот же порядок величины, что и время прохода через резонатор вместе с тем оно велико по сравнению с длительностью импульса в установившемся состоянии лазера с непрерывной накачкой точно так же, как и время релаксации красителя, служащего поглотителем. Это условие приводит к тому, что снижение усиления играет важную роль в формировании импульса. Благодаря комбинированному действию насыщаюш,егося поглотителя (ослабляющего передний фронт импульса) и усилителя (ослабляющего задний фронт импульса) становится возможным такой режим лазера, при котором образуется ультракороткий импульс. В отличие от лазера на красителе синхронизация мод в твердотельном лазере характеризуется тем, что время релаксации усилителя очень велико по сравнению с временем прохода в резонаторе. При этом условии основой формирования ультракороткого импульса служит следующий механизм. Быстро релаксирующий насыщающийся поглотитель выделяет один-единственный интенсивный флуктуационный максимум из флуктуирующего шумового фона. Далее этот пик интенсивности [c.97]

Синхронизация мод в лазере на красителе с помощью насыщающегося поглотителя была впервые осуществлена Шмидтом и Шёфером [6.1]. Они наблюдали возникновение цуга коротких импульсов в лазере на родамине 6G, накачиваемом импульсной лампой при помещении в его резонатор кюветы с красителем, игравшим роль насыщающегося поглотителя. Результаты Шмидта и Шёфера были повторены Бредли и О Нейлом, измерившими длительность импульсов методом двухфотонной люминесценции (см. гл. 3). Она оказалась равной 5 пс [6.2]. Пример схемы лазера на красителе с пассивной синхронизацией мод показан на рис. 6.1. Накачка кюветы с красителем осуще- [c.186]

Наряду с возможно меньшей вероятностью срыва процесса формирования импульсов другим важным параметром, характеризующим качество синхронизации мод в лазере, является возможно меньшее значение вероятности образования двойных импульсов. Для оценки этой вероятности надо рассчитать вероятностное распределение отношения Z интенсивности. максимального импульса к интенсивности второго по величине импульса Z = /i (/()//2 (/(). Эту функцию распределения мы рассчитаем сначала для конца линейной фазы. Поле излучения в течение этой фазы содержит М=и1хс Ко) флуктуационных выбросов. Вероятность того, что относительная интенсивность максимального выброса находится в интервале (Pi, Pi + dPi) (Pi = /i (/(o)/), a относительная интенсивность ближайшего по интенсивности выброса находится в интервале (Рг, Р2 + Ф2), в то время как интенсивности всех остальных (М — 2) импульсов лежат в интервале (О, Рг), определяется следующим выражением [7.11] [c.249]

Синхронизация мод в лазерах. Основная идея получения сверхкоротких импульсов (СКИ) генерации путем синхронизации продольных мод лазера состоит в следуюшем. Большинство реальных лазеров работает в многомодовом режиме, так что их частотный спектр представляет собой практически эквидистантную последовательность собственных продольных мод резонатора, разделенных интервалом А =с12Ь, где с - скорость света в резонаторе, Ь — длина резонатора. Следовательно, суммарное поле генерации является суперпозицией монохроматических компонент, соответствуюших продольным модам, и записывается в виде [c.41]

Третья глава начинается с обзора различных режимов генерации лазера, включая режимы активной и пассивной модуляции добротности резонатора, синхронизации продольных и поперечных мод, модуляции нагрузки. Вводятся, анализируются и широко используются балансные уравнения (уравнения Статца— Де Марса и их модификации). На основе этих уравнений излагаются различные вопросы динамики одномодовых лазеров переходные процессы, приводящие к затухающим пульсациям мощности излучения, появление незатухающих пульсаций мощности при наличии слабой модуляции потерь, генерация гигантских импульсов при мгновенном включении добротности. Сопоставляются электрооптический и акустоопти-ческнй способы активной модуляции добротности. Подробно анализируются процессы в лазерах с просветляющимися фильтрами. Синхронизация продольных мод обсуждается с использованием как спектрального, так и временного подходов. При рассмотрении самосинхронизации мод в лазере с просветляющимся фильтром применяется временное описание на основе флуктуационных представлений. Временной подход используется также для описания акустооптической синхронизации мод в лазере с однородно уширенной линией усиления. Отдельно обсуждаются методы исследования сверхкоротких световых импульсов. [c.5]

Бнерация сверхкоротких импульсов. Для генерации СКИ в лазерах используют процесс синхронизации продольных мод резонатора лазера. Для синхронизации мод применяются пассивные и активные методы связывания фаз продольных мод лазера. При одинаковой фазе, навязанной всем продольным модам лазера, синфазное сложение амплитуд электрич, полей приводит к генерации СКИ, длительность к-рых ограничена шириной спектра генерации. В неодимовых лазерах, к-рые обычно используют в Ф. с., достигается генерация СКИ длительностью 10" — 10 с при помещении в оптич. резонатор лазера насыщающихся органич. красителей—для пассивной синхронизации мод, а также акустооптич. и эл.-оптич. модуляторов света—для активной синхронизации мод. В методе активной синхронизации мод сфазирование отдельных продольных мод осуществляется с помощью помещаемого внутрь резонатора модулятора для управления потерями резонатора внеш. периодич. сигналом с частотой, равной или кратной частотному интервалу между продольными модами резонатора лазера [3 ]. [c.280]

Дтр примерно равна обратной ширине линии генерации Avren. Этот результат нетрудно понять, если вспомнить, что временное поведение каждого импульса есть просто фурье-образ его частотного спектра. Отсюда видно, что, поскольку ширина линии генерации AvreH может быть порядка ширины линии усиления Avo, то можно надеяться, что синхронизация мод в твердотельных или полупроводниковых лазерах позволит генерировать очень короткие импульсы (до нескольких пикосекунд). В лазерах на красителе ширина линии усиления в сотни раз превышает эту величину в твердотельных лазерах, что дает возможность получать в этих лазерах и уже действительно были получены значительно более короткие импульсы (до приблизительно 30 фс). В газовых же лазерах ширина линии усиления намного уже (до нескольких гигагерц) и поэтому генерируются относительно длинные импульсы (до 100 пс). А теперь вспомним, что два последовательных импульса разделены временным промежутком тр, определяемым выражением (5.111). Поскольку Ди = = 2nS.v = n /L, где L —длина резонатора, мы имеем xp = 2L , что в точности равно времени полного прохода резонатора. Следовательно, внутри лазерного резонатора генерация будет иметь вид сверхкороткого импульса длительностью Дтр, определяемой выражением (5.112), который распространяется вперед и назад по резонатору. В самом деле, в этом случае пучок на выходе из какого-либо зеркала представляет собой цуг импульсов, причем временной промежуток между двумя последовательными импульсами равен времени полного прохода резонатора. Характерные числовые значения подтверждают такое представление, поскольку пространственная протяженность Дг импульса длительностью, скажем, Дтр = 1 пс равна Дг = СоДт = 0,3 мм, т. е. много меньше типичной длины резонатора лазера. [c.309]

Перейдем к анализу схем, в которых использована комбинированная синхронизация мод. В результате применения струи, состоящей из смеси родамина 6Ж и поглотителя DQO I, авторами [301 получены импульсы с длительностью 70 фс при средней мощности излучения 30 мВт. Накачка производилась импульсами второй гармоники YAG лазера, средняя мощность излучения накачки 300 мВт. [c.254]

Впервые в аргоновом лазере активная синхронизация мод была реализована в работах [4.7] и [4.8] с помощью амплитудных модуляторов, а в работе [4.9] — с помощью фазового модулятора. Этот тип лазеров, так же как и криптоновые лазеры, в последнее время нашел важное применение в качестве источника импульсов для синхронной накачки лазеров на красителях, что будет рассмотрено в гл. 5. В настоящее время лазеры на ионах благородных газов применяются во многих лабораториях и в промышленном производстве. При этом часто используются упомянутые в п. 2.4.2 лазеры промышленного изготовления, в которые встраиваются соответствующие модуляторы. В п. 2.4.2 были рассмотрены лазеры на ионах благородных газов. Здесь мы кратко рассмотрим особенности таких лазеров при активной синхронизации мод. Пример устройства резонатора аргонового лазера с активной синхронизацией мод приведен на рис. 4.5 (по [4.10]). Синхронизация мод аргонового лазера типа ILA 120, изготовленного на предприятии VEB arl Zeiss Jena (3), осуществлялась с помощью модулятора (1), имевшего форму призмы. Модулятор, работавший в режиме стоячей волны, был изготовлен из плавленого кварца 1) и снабжен пьезоэлектрическим датчиком (2). Благодаря своей призматической форме модулятор одновременно осуществлял селекцию длин волн в резонаторе. Окна модулятора были скошены под углом Брюстера. Это сводило потери к минимуму и исключало возбуждение субгармоник. Модулятор снабжался терморегулятором с электронной регулировкой, позволявшей регулировать и стабилизировать температуру модулятора. Это [c.146]

Подставляя (5.16) в (5.17), получим для нахождения стационарной формы импульсов систему интегродифференциаль-ных уравнений. Величина h введена для учета возможного смещения максимума, обусловленного процессом усиления и проходом через частотно-селективный элемент. Усилитель смещает максимум вперед hv>0), в то время как в частотно-селективном элементе импульс задерживается (Л СО), так что h = — hy-i-hF. Следовательно, как и при активной синхронизации мод, эффективное время и прохода импульсом резонатора в результате действия усилителя и частотно-селективного элемента отличается от времени прохода пустого резонатора uq на величину —h u = uo — h). Следовательно, для получения режима синхронизации период следования импульсов накачки Up должен удовлетворять равенству Up = u = Uq — h (при частоте модуляции (От лазера с активной синхронизацией мод в случае амплитудной модуляции up = njo)m и в случае фазовой модуляции Ыр = 2л/со [c.158]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...