О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка - страница 22
При частотній модуляції всередину одного із дзеркал резонатора розміщують також керований зовнішнім сигналом модулятор зі змінним за частотою АштоЛ показником заломлення п. При виконанні умови АштоЛ = Аш фази мод будуть синхронізуватися з отриманням імпульсів на виході порядку обернено пропорційного значення ширини смуги підсилення. Особливість полягає в тому, що оптична довжина модулятора також змінюватиметься зі зміною коефіцієнта заломлення середовища згідно з Lopt = Lmodn(t), де Lmod є фізичною, метричною довжиною модулятора. Таким чином, при модуляції змінюється оптична довжина і самого резонатора, а це означає, що будуть модулюватися і його власні частоти.
У випадку модуляції мод при синхронному накачуванні, модулюється підсилення амплітуди поля в лазері, а не його втрати. Робочий лазер збуджується випромінюванням допоміжного лазера накачування, який, як правило, має працювати в режимі синхронізації мод. Синхронізація частоти міжмодового інтервалу та частоти повторення імпульсів накачування досягається зміною довжини резонатора робочого лазера.
У [20], [27] вказується на можливість поєднання спеціальних пристроїв із пасивною синхронізацією мод, що дозволяє генерувати світлові імпульси фемтосекундного діапазону.
Першим є комбінація методу синхронного накачування та пасивної синхронізації мод (mode locking). Застосування синхронного накачування з додатковим поглиначем, що насичується, дозволило отримати імпульси тривалістю 70 фс відносно високої стабільності.
Другим є використання синхронізації мод у зустрічних пучках (colliding-pulse mode locking). Цей метод полягає в тому, що два імпульси поширюються в протилежних напрямках через поглинач, що насичується і, таким чином, забезпечуються укорочення та стабілізація імпульсів. Характерна тривалість імпульсів становить приблизно 50 фс, але при використанні додаткової компресії в оптичному хвилеводі тривалість досягає 16 фс [20].
Останнім є метод подвійної синхронізації мод (double mode locking). Зв'язок забезпечується через середовище, яке є пасивним поглиначем для лазера накачування і водночас виконує функцію активного середовища іншого лазера, що синхронно збуджується.
При використанні резонаторів зі сферичними дзеркалами маємо поперечні моди, які характеризуються еквідистантним набором резонансних частот. Еквідистантність частот є необхідною умовою синхронізації мод. Той факт, що ця умова може виконуватися не тільки для поздовжніх, а й у випадку поперечних мод, вказує на можливість реалізації синхронізації для поперечних мод [19].
Якщо синхронізація поздовжніх мод призводить до генерації послідовності наднетривалих імпульсів, то при синхронізації поперечних мод спостерігається перерозподіл потужності в поперечному до осі резонатора напрямку, або просторова модуляція потужності. Збіг відбувається лише в деякі моменти часу, що призводить до періодичного руху поперечного перерізу в площині дзеркала зони генерації. Рух перерізу відбувається з частотою, що дорівнює інтервалу резонансних еквіди-стантних частот резонатора та інтервалу частот синхронізованих мод [27].
Лазери із синхронізацією поперечних мод мають перспективи під час використання в оптоелектроніці — в системах передачі та обробки оптичної інформації.6.5. Режим розвантаження резонатора
Метод розвантаження
резонатора дозволяє вивести енергію, що
накопичується в лазері за час, який дорівнює часу повного проходу резонатора. Принципова схема роботи
лазера в рєжимі розвантаження резонатора наведена на рис. 6.8.
Перше
ДЗі
ac"Гі = 1
Рисунок 6.8 — Принципова схема роботи лазера в рєжимі розвантаження резонатора
та третє дзеркала є повністю непрозорими, а вихідний пучок виводиться назовні лазера за допомогою пристрою, коефіцієнт відбиття якого буде змінюватися в часі від малих значень до одиниці. Розвантаження резонатора є загальним методом, який використовується в лазерах із синхронізацією мод, у безперервному лазері та в лазері з модульованою добротністю.
Як зазначається в [19], на практиці найчастіше використовується метод розвантаження резонатора разом із методом синхронізації мод. Для імпульсних лазерів із синхронізацією мод резонатор розвантажують у момент часу, коли внутрішньо-резонаторний імпульс досягає максимуму. При цьому із резонатора лазера виходить потужний ультракороткий імпульс. Перемикання коефіцієнта відбиття вихідного пристрою (другогодзеркала, рис. 6.8) відбувається до значення, що дорівнює одиниці. Як правило, це досягається використанням електрооптичного модулятора на елементі Поккельса [10]— [19], [22], [26]— [33]. У момент часу, коли необхідне розвантаження резонатора, до елемента Поккельса дають імпульс чвертьхвильового потенціалу і на виході відбивається від поляризатора лазерний промінь.
У випадку безперервного лазера з модуляцією добротності метод розвантаження резонатора можна використовувати для отримання цугу ультакоротких імпульсів, частота проходження яких дорівнює частоті роботи пристрою розвантаження, а не частоті, що визначається часом проходу резонатора. Якщо ця частота знаходиться в межах 100кГц — 1МГц, то інтервал між послідовними розвантаженнями резонатора становитиме 1 —10 мкс, що є достатнім для відновлення синхронізації мод. Саме тому метод періодичного розвантаження резонатора дозволяє отримати послідовність ультракоротких лазерних імпульсів при набагато нижчій частоті повторення і значно більшій піковій потужності, ніж при звичайній синхронізації мод.
У разі, коли коефіцієнт відбиття вихідного пристрою не досягне значення 1, вмикання та вимикання має бути таким, щоб час увімкненого стану дорівнював часові повного проходу резонатора. Але в цьому разі в резонаторі залишається імпульс низької інтенсивності. З одного боку, це призводить до більш надійної роботи системи, оскільки синхронізація мод уже не починається із шумів, а з іншого боку — на виході отримуємо меншу потужність випромінювання. Як правило, в таких системах використовують акустооптичний елемент через більш низькі втрати, які вони вносять. Вони складаються із акустоо-птичного модулятора, який працює в режимі Брегга з рухомою хвилею, при цьому на виході отримуємо дифрагований промінь.6.6. Типи пристроїв модуляції втрат у резонаторі
Типи пристроїв та методи модуляції втрат у резонаторі, що зараз широко використовуються, як уже зазначалося, поділяють на пасивні та активні. До пасивних пристроїв, які моделюють втрати, відносять такі, що змінюють добротність резонатора під дією самого поля випромінювання, яке збуджується всередині резонатора. Такі пристрої отримали назву модуляторів або закривів на середовищах із поглинанням, що насичується. До активних відносять такі методи, які передбачають зміну втрат у резонаторі під дією зовнішнього керуючого сигналу. Останні є більш різноманітними за конструкцією та принципом дії.
6.6.1. Пасивш закриви на середовищах із поглинанням, що насичується (фототропш)
Дія пасивних закривів базується на здатності резонансно-просвітлених оптичних матеріалів змінювати свої оптичні властивості під впливом падаючого (прохідного) на них випромінювання. У незбудженому стані вони мають невисокий коефіцієнт пропускання для випромінювання робочої довжини хвилі. У міру зростання інтенсивності випромінювання в резонаторі молекули, які поглинають лазерне випромінювання, переходять на більш високий енергетичний стан. Це призводить до просвітлення матеріалу та насичення коефіцієнта поглинання, зростає добротність резонатора до максимального значення. При цьому розрізняють два етапи розвитку генерації імпульсу: тривалий лінійний, із часом порядку 103 — 2 • 103 нс, та нетривалий нелінійний із часом порядку 10-30 нс [19], [27], [29].
На лінійному етапі розвитку генерації відбувається підсилення первинної люмінесценції, що відповідає розвитку пучка вільної генерації при постійних втратах. Коефіцієнт поглинання та значення інверсійної заселеності в активному елементі майже не змінюються. Тривалість лінійного етапу значною мірою визначається перетином вимушених переходів фільтра та активного елемента, коефіцієнтом поглинання фільтра. Нелінійний етап розвивається майже за експоненційним законом, збільшуючи густину потужності випромінювання приблизно в 105 разів.
Найпростіші пасивні закриви складаються з плівки погли-нального матеріалу, яка розміщується в резонаторі лазера. У визначений час плівка випаровується, відкриваючи розташоване за нею дзеркало. Втрати резонатора падають і відбувається генерація гігантського імпульсу. Недолік найпростіших модуляторів визначається незворотністю процесів [29].
Саме тому найбільш широко використовують пристрої на основі зворотних процесів: насичення поглинання, нелінійності коефіцієнта відбиття, вимушеного розсіювання Мальдештама-Бріллюена, самофокусування [19], [20], [29].
У багатьох випадках модулятори мають вигляд кювети, заповненої
розчином барвника, що насичується у відповідному розчиннику. Вибір середовища
поглинача визначається максимальним поглинанням на довжині хвилі лазерного
випромінювання. Імпульсно-періодичний режим вимагає використання проточної
кювети для барвника. Іноді використовуються твер-дотільні поглиначі, наприклад BDN
в ацетатцелюлозній плівці, або газоподібні — SF6 для С02-лазера. Як рідинні використовують
розчин у 1,2-дихлоретані диметиламінодітіобензилні-кель, або фталоціанін в
нітробензолі (Nd: YAG —
лазер), кри-птоціанін в ментолі, фталоціанін, поліметинові та криптоціанові
барвники (рубіновий лазер), кристали галогенідів лужних металів типу IJF
із центрами забарвлення, властивості яких подібні до властивостей молекули
барвника. Такі самі властивості мають ряд органічних сполук, які, як і
розглянуті вище, в першому наближенні можна розглядати як дворівневу систему
(рис. 6.9)
з великим значенням перерізу поглинання: порядку 1016 — 1017
см2.
Робочими рівнями фототропного закрива є синглетні рівні S, S') з часом життя переходу 10-12 — 10-8 с. Наявність заборонених переходів впливає на параметри модулятора, також велике значення мають і властивості розчинника, оскільки він впливає на енергетичну структуру рівнів барвника.
При використанні фототропних закривів можна отримати імпульси тривалістю порядку десятків нс. При цьому ККД генерації становить 30—50%. На практиці параметри модулятора підбирають для генерації одного імпульсу, але при збільшенні рівня накачування можлива генерація кількох гігантських імпульсів [29].
До переваг фототропних закривів можна віднести простоту конструкції та малі габарити. До недоліків відносять поглинання значної частини випромінювання, навіть у період випромінювання імпульсу завдяки неповному просвітленню закрива.Крім цього, з причини нестабільності накачування та зміни температури активного елемента і закрива, іноді для фотохімічних реакцій характерна нестабільність моменту просвітлення.
6.6.2. Активні методи модуляції втрат у резонаторі
При активній модуляції втрат початкове перевищення порогового рівня визначається тривалістю першого етапу розвитку гігантського імпульсу, який, на відміну від пасивної модуляції, задається саме моментом вимкнення втрат. Тривалість лінійного етапу на порядок перевищує тривалість пасивної модуляції. Це пов'язано з тим, що процес генерації на лінійному етапі розвивається за умов низьких втрат (випадок швидкого вмикання добротності), на відміну від пасивної модуляції. Генерація починається, коли порогова густина інверсійної заселеності NJ2lop буде зменшена до значення фактичної інверсійної заселеності, створеної джерелом накачування. При цьому NTit) = 1/B2ihQ(t) [27].
Керована зміна в часі порога генерації призводить до значного звуження розкиду моментів початку генерації порівняно з пасивною модуляцією та достатньо точним фіксуванням початку генерації зовнішнім керуючим сигналом. Наприклад, для електрооптичних закривів до 10 нс, а для оптико-механічних — до 100 нс.
Для більш точного фіксування моменту початку генерації та поліпшення відтворюваності часового проходження процесів використовують комбіновану модуляцію добротності. В цьому разі поєднують фільтр, що просвітлюється разом із модулятором активного типу. Наявність фільтра збільшує швидкість вмикання добротності та покращує параметри випромінювання, а модулятор активного типу фіксує момент початку генерації та упорядковує появу імпульсів.
Розглянемо найбільш поширені системи активної модуляції.Електрооптична модуляція добротность Цей метод базується на використанні електрооптичного ефекту, який базується на зміні показника заломлення середовища під дією зовнішнього поля. Розрізняють два електрооптичних ефекта: квадратичний, або ефект Керра; та лінійний, або ефект Поккель-са. В першому випадку зміна показника заломлення пропорційна квадрату електричної напруженості зовнішнього поля, а в другому — першому ступеню поля [19], [27].
Ефект Поккельса існує тільки у нелінійних кристалах, які не мають центра симетрії. Як приклад можна вказати на монові-сні кристали KDP (хімічна формула КН2РО4), DKTJP (хімічна формула KD2PO4), UNdOs, liTaOa, UIO3, ВаТіОз та інші [19], [20]. Під впливом зовнішнього електричного поля ці кристали стають подвійнозаломленими. За відсутності зовнішнього поля на промені звичайної (ТЕ - хвилі) та незвичайної (ТМ - хвилі) діє показник заломлення n0. За наявності поля в ньому виникає анізотропія, яка призводить до появи другої оптичної осі в площині, перпендикулярній до електричного поля. Довжина елемента Поккельса, або значення напруженості зовнішнього поля, визначається згідно з виразом [20]:
(no - ne)d = 2= pkU, (6.10)
де ne — показник заломлення для незвичайного променя; pk — коефіцієнт пропорційності для окремого кристала; d — довжина елемента Поккельса.
Такий кристал встановлюють між двома схрещеними поляризаторами P (рис. 6.10) таким чином, щоб при умові U = 0 В випромінювання не проходило через елемент Поккельса.
Після подання на кристал поля, значення якого має задовольнити
співвідношення (6.10), елемент Поккельса розвертає площину поляризації лінійно
поляризованого випромінювання на 90°. I саме для цього кута
поляризації випромінювання другий поляризатор стає прозорим. Схема рис. 6.10
відповідає
реалiзацiї поздовжнього ефекта Поккельса. Але елемент працюватиме
аналогічно, коли поле буде спрямоване не уздовж, а в перпендикулярному напрямку
(поперечний ефект Поккельса).
Модулятори добротності на елементі Поккельса є дуже поширеними типами пристроїв. Час перемикання добротності визначається зміною напруги на електродах і може набувати значення порядку кількох нс. До недоліків можна віднести досить високі керуючі напруги на електродах, які, залежно від нелінійного кристала, конфігурації поля, орієнтації кристала та довжини робочої хвилі, можуть набувати значення 1—20 кВ [19], [20], [27].
Рідини та стекла під дією електричного поля також можуть ставати анізотропними, що визначає ефект Керра [20]. Індукована оптична вісь буде спрямована уздовж напрямку поля. Подвійне заломлення променя має задовольняти вираз
(no - ne) = KkAE2, (6.11)
де Kk — коефіцієнт Керра, який встановлюється для кожного середовища.
Елемент Керра може містити нітробензол, скло,
воду. При виборі відповідної довжини і напруги на електродах такий еле
мент працює аналогічно елементу Поккельса.
Акустооптична модуляція втрат у резонаторі
Значне поширення отримали оптикоакустичні закриви, дія яких полягає в зміні коефіцієнта заломлення середовища під впливом ультразвукової хвилі. Як керуюче середовище використовують плавлений кварц — для видимого спектра, або германій — для середнього та дальнього інфрачервоного діапазону. На таких модуляторах отримана частота перемикання до сотень МГц [19], [29].
Дія акустооптичного закриву базується на дифракції світла, що проходить через рідке або тверде середовище, по якому поширюється плоска ультразвукова хвиля. Акустична хвиля генерується п'єзаперетворювачем, який з'єднується з високочастотним генератором (рис. 6.11). Для встановлення режиму хвиль, що поширюються без відбиття, на протилежній (від перетворювача) ділянці прозорого середовища під деяким кутом наноситься поглинальний шар для акустичної хвилі.
При поширенні акустичної хвилі в середовищі перетворювача виникають механічні напруження, пов'язані з локальними стисненнями та розрідженнями. Завдяки фотопружному ефекту ці напруження діють на коефіцієнт заломлення середовища. В результаті в середовищі утворюються різні за показником заломлення періодичні шарування з просторовим періодом, що дорівнює довжині акустичної хвилі Л. При поширенні випромінювання в такому середовищі виникає дифракція на просторово-періодичній структурі.
Маючи на увазі, що акустична хвиля частоти П поширюється уздовж осі у, перпендикулярно до оптичної осі лазера (рис. 6.11), можна подати показник заломлення у вигляді [27]:
(6.12)
де n — показник заломлення середовища без акустичної хвилі; An — амплітуда зміни показника заломлення, що визначається амплітудою пружної деформації, яка, у свою чергу, залежить від потужності звукової хвилі. При виконанні умовиIX
Л2
> і,
(6.13)де Л — довжина хвилі випромінювання в середовищі; / — відстань акустооптичної взаємодії, спостерігатиметься дифракція Брегга.
Якщо акустооптичний елемент розмістити в резонатор лазера (рис. 6.11), то до того часу, поки генератор створює акустичну хвилю, в резонаторі існують додаткові втрати. Частина лазерного випромінювання, завдяки дифракції Брегга на наведеній фазовій решітці, буде виводитися з резонатора. При достатній потужності акустичної хвилі додаткові втрати призведуть до припинення генерації. Повернення лазера до стану з високою добротністю відбудеться при вимкненні напруги на перетворювачі.До переваг акустооптичних закривів можна віднести досить малівтрати (на порядокменшініжуелектрооптичнихзакривів), а до недоліків — повільне вмикання 100 — 1000 нс.
Акустооптичні закриви переважно використовують у лазерах із безперервним накачуванням і оптимальним коефіцієнтом пропускання вихідного дзеркала порядку кількох відсотків. При низьких значеннях коефіцієнта підсилення, що характерне для таких лазерів, існує можливість зриву генерації вже при відносно невеликихвтратах. Саметомудоцільним є використання акустооптичних закривів із малими втратами, незважаючи на гірші характеристики спрацювання закривів. Останнє визначає умову, що частота імпульсів буде достатньо високою (5 — 50 кГц для неодимового лазера) [27] і майже унеможливлює використання закриву в лазерах з імпульсним накачуванням.
Похожие статьи
О С Кривець, О О Шматько, О В Ющенко - Квантова електроніка