Усиление сверхкоротких импульсов

Усиление сверхкоротких импульсов [c.266]

Электромагнитное поле, генерируемое лазером, зарождается из спонтанного излучения активной среды. Поэтому, хотя при возбуждении одного типа колебаний и формируется монохроматическое поле, его начальная фаза совершенно произвольна. Если возбуждается много типов колебаний, то их начальные фазы, как кажется на первый взгляд, не могут быть согласованными, так как они должны определяться различными спектральными компонентами случайного спонтанного излучения. Высказанная точка зрения предполагает, однако, независимость различных типов колебаний, т. е. основана на принципе суперпозиции, который несправедлив в области нелинейных явлений. В лазерах же нелинейные явления играют принципиальную роль (см. 225), вследствие чего типы колебаний в большей или меньшей степени должны влиять друг на друга, и может осуществиться их синхронизация. Специальные меры, способствующие реализации режима генерации сверхкоротких импульсов и упомянутые в начале параграфа, предназначены для усиления нелинейного взаимодействия типов колебаний. [c.814]

Кратко обсудим нелинейные явления, приводящие к возникновению сверхкоротких импульсов в лазерах с поглощающим элементом внутри резонатора. Пусть создана инверсная заселенность уровней в активном элементе лазера и происходит усиление спонтанного излучения. Ввиду случайного характера актов спонтанного испускания амплитуда поля хаотически изменяется во времени и от точки к точке ) (рис. 40.20, а). Амплитуда поля имеет вид набора случайных по величине и случайно расположенных выбросов . На перво,VI этапе развития генерации, когда мощность излучения еще невелика, фильтр ослабляет все выбросы в равной мере. С течением времени все большее число атомов возбуждается, и энергия [c.814]

Перестраиваемый волоконный ВКР-лазер использовался и для демонстрации усиления фемтосекундных оптических импульсов в волоконном ВКР-усилителе в условиях как попутной, так и встречной волн накачки [105]. Попутная накачка использовалась в схеме, где 500-фемтосекундные импульсы сначала проходили через отрезок световода длиной 100 м, где в результате действия дисперсии они уширялись до 23 ПС. Уширенные импульсы вместе с импульсами накачки длительностью 50 пс на длине волны 1,06 мкм вводились в усилитель, состоявший из 1-метрового световода. Усиленные импульсы сжимались в решеточном компрессоре. Сжатые импульсы были несколько шире (600-700 фс) исходных, но усилены по энергии в 15 ООО раз, когда мощность импульсов накачки составляла 150 кВт. Эксперимент показал, что частотная модуляция 23-пикосекундных исходных импульсов мало изменяется при усилении. Это указывает на возможность использования ВКР сверхкоротких импульсов в световодах не только для генерации фемтосекундных импульсов, но и для получения высоких пиковых мощностей. [c.247]

Уравнения (8.3.16) и (8.3.17) можно использовать в случае отрицательной дисперсии, если просто изменить знак второй производной. Как и в случае положительной дисперсии, показанном на рис. 8.8, передача энергии в стоксов импульс происходит вблизи z L ,. Чтобы из импульса ВКР сформировать солитон, необходимо, чтобы "opt - где г р, - оптимальная длина-световода для компрессора, обсуждавшегося в разд. 6.4. Это условие подразумевает, что не должно быть слишком малым по сравнению с дисперсионной длиной Lf). Например, = (я /8) д для солитона третьего порядка, если учесть, что г р, = Го/4 при N = 3, где Zq = (Jt/2) L - период солитона. В разд. 6.4 было показано, что и становятся сравнимыми для фемтосекундных импульсов длительностью Т < 100 фс. Для таких сверхкоротких импульсов различие между импульсами накачки и ВКР смазывается, поскольку их спектры начинают заметно перекрываться. Это видно, например, из того факта, что пик усиления на рис. 8,1 соответствует отстройке частоты величиной 13 ТГц, в то время как ширина спектра 100-фемтосекундного импульса составляет 10 ТГц. Уравнения (8.3.16) и (8.3.17) не дают реалистического описания ВКР фемтосекундных импульсов, в частности для отрицательной дисперсии, где исходный импульс может заметно укорачиваться в начале распространения. [c.248]

В последнее время наиболее интересные результаты по ВКР сверхкоротких импульсов получены в волоконных световодах. Кварцевые световоды обладают широкими рамановскими линиями (Av=250 см , Гг ЮО фс, см. рис. 3.14) и, следовательно, позволяют эффективно усиливать и преобразовывать импульсы с длительностью порядка 10 фс. В длинных световодах в полной мере проявляются эффекты группового запаздывания. Речь идет не только о насыш.ении усиления на расстоянии порядка групповой длины. Поскольку инкремент уси- [c.138]

Прогресс в технике усиления сверхкоротких оптических импульсов сделал возможным генерацию сверхсильных световых полей с напряженностями lQi" В/см — на порядок выше внутриатомных полей. Среди других приложений — пикосекундная электроника, генерация сверхкоротких электронных сгустков, рентгеновских и акустических импульсов. [c.239]

Динамику формирования сверхкороткого импульса при последовательных проходах по резонатору иллюстрирует рис. 6.7 [19]. При включении накачки на первых проходах в активной среде формируется усиление, превосходящее уровень потерь. Временному максимуму усиления соответствует вершина длинных по сравнению с накачкой импульсов генерации. При последующих проходах существенно возрастает интенсивность генерируемых импульсов и уменьшается их длительность за счет преимущественного усиления вершины импульса, совмещенной с максимумом усиления. По мере перехода в режим насыщения вершина генерируемого импульса смещается к импульсу накачки и выходит из области максимального усиления. В стационарном режиме генерации на периоде следования импульсов накачки реализуется баланс усиления и потерь. [c.249]

Параметрическая генерация сверхкоротких импульсов. Широкая полоса параметрического усиления в кристаллах с квадратичной нелинейностью позволяет генерировать и усиливать фемтосекундные световые импульсы сводку данных по ПГС можно найти в [3]. Применение ПГС в фемтосекундных лазерных системах предъявляет повышенные требования к стабильности и спектральному качеству генерируемых импульсов. [c.257]

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]

Синхронизация мод и генерация сверхкоротких импульсов. Продольные моды резонатора, эквидистантно расположенные на на расстоянии й друг от друга (й=лс/1), могут быть синхронизованы, вследствие чего возникает последовательность сверхкоротких п.мпульсов. Число мод/п, которые могут синхронизироваться, определяется отношением ширины полосы усиления активной среды Дй) расстоянию между. модами [c.205]

Если же говорить о методах генерации сверхкоротких лазерных импульсов, то здесь последние годы принесли отчетливое смещение акцентов. Если на первом этапе основные усилия были направлены на получение стабильной синхронизации мод лазеров с максимально широкой полосой усиления, то в последние годы все большее значение приобретали методы сжатия и формирования импульсов в пассивных системах. Это вызвало всплеск интереса к различным аспектам физики линейного и нелинейного распространения коротких световых пакетов. [c.7]

Комбинированный метод синхронизации мод. Свойства сверхкоротких световых импульсов, получаемых при пассивной синхронизации (самосинхронизации) мод, отличаются от свойств импульсов, получаемых при активной синхронизации. При пассивной синхронизации удается реализовать длительность импульса, близкую к предельной длительности, определяемой шириной линии усиления. При активной же синхронизации длительность импульса оказывается существенно больше (на порядок и выше). С другой стороны, при пассивной синхронизации время появления последовательности сверхкоротких световых импульсов может флуктуировать в пределах до 10—100 мкс параметры импульсов воспроизводятся от одного импульса накачки к другому лишь с некоторой вероятностью. Импульсы же, получаемые при активной синхронизации, характеризуются высокой стабильностью параметров. [c.383]

Большое соотношение ширины контура усиления Т. л. и частоты межмодовых биений ( 10 ) позволяет достаточно просто осуществлять режим синхронизации мод и получать сверхкороткие импульсы длительностью 10 " — 10 с, ограниченной обратной шириной линии усиления. Так же, как и модуляция добротности, синхронизация мод в т. л. осуществляется как активным, так и пассивным образом, Т, л, может также работать в режиме усилителя [c.49]

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]

В гл. 8 рассмотрено вынужденное комбинационное рассеяние ВКР-явление генерации стоксовой волны (смещенной на 13 ТГЦ) в поле волны накачки при распространении накачки в световоде. Это происходит, только когда мощность накачки превышает пороговый уровень. Сначала обсуждаются усиление и порог вынужденного комбинационного рассеяния. Затем в двух отдельных разделах описывается ВКР для случая непрерывной или квазинепрерывной накачки и для случая сверхкоротких импульсов накачки. В последнем случае сочетание ФСМ, ФКМ и ДГС приводит к качественно новым особенностям. Эти особенности могут быть совершенно разными в зависимости от того, находится накачка в области нормальной или аномальной ДГС. Случай аномальной ДГС рассматривается в последнем разделе, особенно вьщелены волоконно-оптические ВКР-лазеры. Также обсуждаются применения ВКР-усилителей в волоконно-оптической связи. [c.30]

Рис. 6.7. Динамика формирования сверхкороткого импульса в синхронно-накачи-ваемом лазере при последовательных проходах (число М) по резонатору 1—импульс накачки, 2 — усиление, 3 — уровень потерь, 4 — импульс генерации (амплитуда нормирована на максимальное значение) [19]

Переход в фемтосекундный диапазон длительностей стал возможен благодаря прогрессу в генерации сверхкоротких импульсов видимого диапазона, развитию техники волоконно-оптической компрессии, усиления и нелинейно-оптического преобразования частоты из видимого в УФ диапазон. Это позволило сформировать достаточно мощные затравочные импульсы для каскадного усиления в эксимерных усилителях. Преимущества эксимерных сред для усиления фемтосекундных УФ импульсов обусловлены сравнительно большой шириной полосы усиления (Av 160 м для ХеС1 при >.=0,308 мкм), высоким удельным энергосъемом (1 Дж/литр) и большим КПД (1 %). Поэтому фемтосекундные лазерные системы, созданные в ведущих лазерных лабораториях, отличаются, в основном, техникой формирования затравочных УФ импульсов. [c.271]

Применение сверхкоротких лазерных импульсов, как правило, невозможно непосредственно на выходе генератора из-за их малой мощности -требуется их предварительное усиление. При этом необходимо принимать во внимание соотношение спектральной ширины сверхкоротких импульсов и ширины полосы усиления Асо предельная дрштельность усиливаемого импульса не может быть меньше Асо" . [c.58]

Ещё более короткие (пикосекундные) импульсы получают при помощи просветляющих фильтров. В них применяются слабые р-ры красителей, концентрация к-рых подбирается так, чтобы при достижении определённой интенсивности света достиглось выравнивание населённости соответствующих энергетич. уровней (насыщение), при к-ром раствор становится прозрачным (см. Просветления эффект). Введение в резонатор просветляющего фильтра предотвращает генерацию при включении накачки, но в активном веществе накапливаются возбуждённые ч-цы, соответственно растёт интенсивность спонтанного излучения. Пока эта интенсивность (с учётом усиления за один проход) меньше просветляющей, поглощение в фильтре препятствует развитию генерации. При достижении уровня просветления раствор становится прозрачным, и генерируется серия сверхкоротких импульсов, интервалы между [c.739]

Привлекательным свойством волоконных ВКР-усилителей является широкая полоса усиления (> 5 ТГц). Они могут использоваться для усиления одновременно нескольких каналов в многоканальной системе оптической связи. Это было продемонстрировано в эксперименте [74], где сигналы от трех полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью в диапазоне 1,57-1,58 мкм одновременно усиливались в поле накачки с длиной волны 1,47 мкм. В этом эксперименте излучение накачки было получено от многомодового полупроводникового лазера, что делает данную схему практически применимой для систем оптической связи. При мощности накачки всего 60 мВт было получено усиление 5 дБ. Теоретический анализ двухканального комбинационного усиления показывает, что в общем случае существует взаимодействие между каналами [75]. Широкая полоса усиления волоконных ВКР-усилителей делает их пригодными для усиления коротких оптических импульсов. Усовершенствованию систем оптической связи с помощью комбинационного усиления уделено значительное внимание [76-81]. Наиболее многообещающим кажется использование комбинационного усиления для передачи сверхкоротких солитоноподобных импульсов по световодам длиной несколько тысяч километров [78, 80] (см. разд. 5.4). В эксперименте [79] импульсы длительностью 10 пс на длине волны 1,56 мкм усиливались при накачке непрерывным лазером на центрах окраски с длиной волны 1,46 мкм. Усиление таких коротких импульсов возможно только благодаря широкой полосе ВКР. Недавно в такой схеме было продемонстрировано прохождение солитонов длительностью 55 пс по световоду эффективной длиной 4000 км [81]. [c.232]

В наиболее распространенном для импульсных твердотельных лазеров с синхронизованными модами так называемом двухпороговом режиме генерации наряду с нелинейностью, обеспечиваемой насыщением поглощения в затворе, используется и нелинейность, порождаемая насыщением усиления в активной среде лазера. При этом затвор выполняет еще и роль пассивного модулятора добротности. В результате выход такого лазера представляет собой промодулированный гигантский лазерный импульс, образованный цугом сверхкоротких лазерных импульсов повышенной (по сравнению с обычным режимом синхронизации мод) энергии и более коротких (по сравнению с тем же режимом). [c.49]

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]

Предположим, что лазерное излучение содержит т продольных мод, частоты которых располагаются эквидистантно—на расстоянии О друг от друга (напомним О = где L — длина резонатора). Ширина линии усиления Лш связана с 2 и т очевидным соотношением Лео = 0,т. Предположим далее, что моды синхронизованы по фазе, т, е. разность фаз двух любых соседних мод имеет определенное фиксированное значение. В этом случае будет иметь место взаимная интерференция продольных мод ), в результате чего возникает последовательность сверхкоротких све-пювых импульсов. Длительность т отдельного импульса определяется шириной линии усиления или, иначе говоря, числом синхронизованных мод [c.275]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...