СИНХРОНИЗАТОР МОД РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРА. 1. Методы синхронизации мод
 Скачать 161.85 Kb.
|
Содержание Введение Синхронизация мод – это метод в оптике, с помощью которого можно заставить лазер генерировать световые импульсы чрезвычайно короткой продолжительности, порядка пикосекунд (10-12 с) или фемтосекунд (10-15 с). Лазер, работающий таким образом, иногда называют фемтосекундным лазером. В условиях свободной генерации световые пучки, создаваемые газовыми, жидкостными и твердотельными лазерами, обычно представляют собой хаотическую смесь различных поперечных и продольных мод. [3] Под хаотичностью имеется в виду отсутствие неизменных во времени фазовых соотношений между модами. В основе синхронизации лежит создание фиксированной фазовой зависимости между продольными модами резонансной полости лазера. Можно сказать, что синхронизация продольных мод – некоторый модуляционный процесс, происходящий спонтанно (пассивная, или автосинхронизация) или под действием внешней вынуждающей силы (активная синхронизация); в результате этого процесса разности фаз между соседними модами остаются постоянными. Следовательно, разность фаз между произвольными модами также остается постоянной. [3] Методы синхронизации мод Методы синхронизации мод можно разделить на две категории: 1) активную синхронизацию мод, при которой синхронизирующий элемент управляется или модулируется внешним источником, 2) пассивную синхронизацию мод, для осуществления которой используется не внешнее управление режимом синхронизации, а некоторый нелинейный оптический эффект, например, насыщение в насыщающемся поглотителе или же нелинейное изменение показателя преломления в соответствующем материале. [2] Активная синхронизация мод В отличие от обычного лазер с активной синхронизацией мод содержит амплитудный или фазовый модулятор, размещаемый вблизи одного из зеркал резонатора (рисунок 1). [4]  Рис. 1 - Схема лазера с активной синхронизацией мод [4] Существует три основных типа активной синхронизации мод: • синхронизация мод, которая осуществляется с помощью амплитудного модулятора (так называемая AM-синхронизация мод); • синхронизация мод, которая осуществляется с помощью фазового модулятора — ЧМ-синхронизация мод; • синхронизация мод, осуществляемая путем периодической модуляции усиления лазера с частотой повторения модулирующих импульсов, равной основной частоте резонатора Δν = c/2L (синхронизация мод при синхронной накачке). [2] Наиболее часто встречающимся типом является АМ-синхронизация мод. Реже всего используется синхронизация мод при синхронной накачке. Данный метод находит применение только в активных средах с временами релаксации, попадающими в наносекундный диапазон (особенно это касается активных сред на красителях), и для получения импульсов очень короткой длительности необходимо, чтобы частота повторения модулирующих импульсов накачки равнялась (с достаточно высокой точностью) основной частоте резонатора лазера. Поэтому на практике при использовании синхронизации мод и при синхронной накачке лазера на красителе достаточно сложно реализовать световые импульсы с длительностью менее 1 пс. [2] 2.1. АМ-синхронизация мод Принцип действия АМ-синхронизации мод легче понять, если рассматривать ее во временном представлении (рисунок 2).   Рис. 2 - Представление процесса АМ-синхронизации мод во времени: а) условие стационарной генерации; б) световой импульс, приходящий до момента времени tm, соответствующего минимальным потерям; в) укорочение импульса, когда он приходит в момент времени tm. [2] На рис. 2а показана временная зависимость потерь 2γ в резонаторе за полный проход, которые модулируются с периодом Т = 2π/ωm. Модулятор расположен вблизи одного из зеркал резонатора. Если теперь ωm = Δω, то период модуляции Т будет равен времени полного прохода резонатора, и в этом случае световой импульс (функция I(t) на рис. 2а), проходящий через модулятор в момент времени tm при минимальных потерях, будет снова возвращаться в модулятор через интервал времени 2L/c, когда потери вновь станут минимальными. Это будет соответствовать условию стационарной генерации. Если предположить, что импульс изначально проходит через модулятор в момент времени чуть раньше tm (показан сплошной кривой на рис. 2б), то благодаря изменяющимся во времени потерям модулятора передний фронт импульса будет испытывать меньшие потери, чем задний фронт. Следовательно, после прохождения через модулятор светового импульса, показанного штриховой линией на рис. 2б, момент времени, в который наблюдается пик импульса, сдвигается таким образом, что при следующем прохождении пик окажется ближе к tm. Это показывает, что случай на рис. 2а соответствует устойчивой синхронизации мод. Действительно, в этом случае за время изменения величины потерь 2γm(t) длительность импульса будет укорачиваться каждый раз после его прохождения через модулятор, поскольку и передний, и задний фронты импульса будут претерпевать некоторое ослабление, в отличие от области пика импульса (рис. 2в). [2] Если рассматривать только этот механизм развития, то длительность импульса в конечном итоге должна устремиться к нулю при очень большом числе проходов через модулятор. Однако этому препятствует ограниченная ширина спектра усиливающей среды. Действительно, когда импульс укорачивается, его спектр, в конечном итоге, уширяется до ширины линии генерации лазерной среды. Таким образом, крылья спектрального распределения импульса больше не могут усиливаться, что накладывает основные ограничения на спектральную ширину импульса, а, следовательно, и на его длительность. [2] 2.2. ЧМ-синхронизация мод ЧМ-синхронизацию мод также представим во временной области (рисунок 3).  Рис. 3 – ЧМ-синхронизации мод. Временная зависимость показателя преломления модулятора n и интенсивности I выходного излучения лазера В этом случае имеются два устойчивых состояния синхронизации мод, при которых световой импульс проходит через модулятор либо при каждом минимуме функции n(t) (импульсы, изображенные сплошными линиями), либо при каждом максимуме (импульсы, изображенные штриховыми линиями). [2] Действие модулятора эквивалентно тому, как если бы в резонаторе без модулятора заставили колебаться одно из зеркал с частотой ωm. Импульсы в режиме синхронизации мод стремятся попасть на зеркало в тот момент времени, когда оно находится в одном из своих крайних положений (т. е. когда оно находится в покое). После отражения от движущегося зеркала фаза импульса будет изменяться по закону, близкому к параболе, либо с положительным знаком (для импульсов, изображенных сплошной линией), либо с отрицательным знаком (для импульсов, изображенных штриховой линией), и спектр таких импульсов будет слегка уширен. В конечном итоге модуляция фазы импульса, а, следовательно, и его длительность достигнут такого состояния, когда спектральное уширение, связанное с каждым последующим отражением от движущегося зеркала, будет компенсироваться сужением спектра в результате прохождения импульса через усилитель. [2] ЧМ-синхронизация мод используется на практике не так часто. Это связано с двумя основными причинами: • импульсы являются частотно модулированными; • синхронизация такого типа обладает некоторой нестабильностью и, в частности, это зачастую приводит к перескокам между двумя состояниями. Пассивная синхронизация мод Синхронизация мод в лазере на красителе с помощью насыщающегося поглотителя была впервые осуществлена Шмидтом и Шёфером. 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. Она оказалась равной 5 пс. Пример схемы лазера на красителе с пассивной синхронизацией мод показан на рисунке 4. [4]  Рис. 4 – Схема лазера с пассивной синхронизацией мод [4] Существует четыре основных типа пассивной синхронизации мод: • синхронизация мод на основе быстро насыщающегося поглотителя (например, молекулы красителя или полупроводникового кристалла), время жизни верхнего состояния которого очень мало; • синхронизация мод на основе линз Керра, в которых используется особенность самофокусировки пучка в прозрачном нелинейном оптическом элементе; • синхронизация мод на основе медленно насыщающегося поглотителя, где используется динамическое насыщение усиливающей среды; • синхронизация мод с аддитивным (дополнительным) импульсом. [2] 3.1. Синхронизация мод на основе быстро насыщающегося поглотителя Для того чтобы понять механизм синхронизации мод на основе быстро насыщающегося поглотителя, рассмотрим поглотитель, у которого интенсивность насыщения невелика и время релаксации много меньше длительности синхронизирующих импульсов. Поглотитель очень тонким слоем нанесен на одно из зеркал резонатора, и изначально лазер работает без фазовой синхронизации мод. Интенсивность каждой из двух распространяющихся волн будет складываться из случайной последовательности световых импульсов, и при изначально невысокой пиковой интенсивности этих вспышек насыщенное усиление мощности за полный проход 2g0 будет приближенно равно ненасыщенным потерям резонатора. Наиболее интенсивный импульс в результате насыщенного поглощения подвергнется наименьшему ослаблению в насыщающемся поглотителе. При выполнении некоторых специфических условий этот импульс может возрастать быстрее, чем остальные, и через большое число полных проходов, в конце концов, установится картина, изображенная на рисунке 5. [2]  Рис. 5 – Пассивная синхронизация мод с использованием быстро насыщающегося поглотителя [2] Одиночный импульс синхронизации мод с высокой интенсивностью продолжает находиться в резонаторе, и благодаря уменьшению потерь, происходящему вследствие более выраженного насыщения поглотителя, средняя мощность этого импульса возрастает по сравнению с несинхронизованным импульсом, и соответственно насыщенное усиление 2g’0 за полный проход становится меньше ненасыщенных потерь резонатора за полный проход. Следовательно, во время распространения импульса возникает «временное окно» полного усиления от t1 до t2 (на рисунке), при этом края импульса испытывают поглощение, а его максимум усиливается. [2] Если бы работал только этот механизм, то импульс постепенно укорачивался бы после каждого прохода через систему поглотитель-усилитель. Однако условие устойчивого равновесия вновь устанавливает баланс между механизмом укорачивания импульса и уширением импульса вследствие конечности ширины линии. [2] Физическая картина, описанная на рис. 5 применима к усилительным средам с большим временем жизни (сотни микросекунд), таким как твердотельные среды на основе кристаллов или стекол. На самом деле, в этом случае за время распространения импульса не возникает существенного отличия в усилении, и насыщенное усиление g’0 определяется средней внутрирезонаторной мощностью лазера. [2] 3.2. Синхронизация мод на основе линз Керра Другая возможность реализации быстрой пассивной синхронизации мод основывается на эффекте линзы Керра, индуцированном в подходящем материале с керровской нелинейностью. Такой способ синхронизации получил название «синхронизации мод на основе линз Керра». [2] Чтобы понять, что такое эффект Керра рассмотрим оптический материал, такой как кварц или сапфир, через который проходит пучок света с равномерным распределением интенсивности I. При достаточно высокой интенсивности поля показатель преломления среды несколько изменяется, т.е. в этом случае можно записать n = n(I). Первый член в разложении Тэйлора величины n по параметру I будет пропорционален I: n = n0 + n2I, (1) где n2 – положительный коэффициент, который зависит от свойств материала. [2] Это явление известно как оптический эффект Керра и главным образом обусловлено гиперполяризуемостью среды, возникающей в интенсивных электрических полях и происходящей в результате деформации электронных орбиталей атомов или молекул или вследствие переориентации молекул (для газа или жидкости). В твердых телах может произойти только деформация электронного облака атома, и поэтому оптический эффект Керра здесь оказывается очень быстрым. Время отклика получается порядка периода вращения самых дальних электронов атома (несколько фемтосекунд). [2] Теперь предположим, что интенсивность пучка в среде, в которой наблюдается оптический эффект Керра (керровская среда), имеет поперечное распределение интенсивности, например гауссово. Тогда интенсивность в центре пучка будет больше, чем в хвостах распределения, и согласно выражению (1) возникнет нелинейное изменение показателя преломления, положительное в центре пучка и спадающее до нуля в хвостах распределения интенсивности пучка. [2] Если в керровской среде появится наведенная сферическая линза, то она может вызывать фокусировку пучка, если мощность пучка достигнет критического значения. Этот эффект известен как самофокусировка пучка. Данные явления можно объяснить с помощью рисунка 6.  Рис. 6 – Нелинейный элемент с потерями, использующий оптический эффект Керра в соответствующем нелинейном материале [2] Чем выше интенсивность пучка, тем сильнее он будет фокусироваться по апертуре, и, следовательно, будет испытывать меньшие потери. Если нелинейные потери правильно распределить внутри резонатора лазера, можно получить пассивную синхронизацию мод, механизм которой схож с механизмом для быстро насыщающегося поглотителя. Временной отклик синхронизации мод на основе линз Керра очень мал, настолько, что для целей практических расчетов его можно считать мгновенным. Регулируя соответствующим образом распределение дисперсии в резонаторе были получены наиболее короткие импульсы синхронизации мод с применением усиливающих сред с ультраширокой линией. [2] 3.3. Синхронизация мод на основе медленно насыщающегося поглотителя Медленно насыщающиеся поглотители могут привести к синхронизации мод при специальных условиях: • времена релаксации поглотителя и усилителя должны быть сравнимы со временем полного прохода резонатора; •плотность энергии насыщения усиливающей среды и насыщающегося поглотителя должны быть достаточно низкими, чтобы обе среды могли достигнуть насыщения внутрирезонаторным потоком энергии; • плотность энергии насыщения усиливающей среды должна быть сравнима и слегка превосходить плотность энергии насыщения насыщающегося поглотителя. [2] Физические явления, приводящие к синхронизации мод, могут быть описаны с помощью рисунка 7.  Рис. 7 – Модель синхронизации мод с медленно насыщающимся поглотителем, представленная во временной области [2] До прибытия импульса синхронизации мод усиление меньше, чем потери. Так что более ранняя часть переднего фронта импульса будет испытывать полные потери. При соответствующем значении полной плотности энергии импульса накопленная плотность энергии импульса во время прохождения переднего фронта может стать сравнимой с плотностью энергии насыщения поглотителя. Насыщение поглотителя начнет происходить в некоторый момент времени t1, так что потери поглотителя станут равными усилению лазера. При t > t1 импульс вместо потерь будет испытывать усиление. Однако при соответствующем значении плотности энергии насыщения усиливающей среды (примерно в 2 раза большем, чем у поглотителя) произойдет насыщение усиления. Так что в некоторый момент t2 заднего фронта импульса насыщенное усиление станет равно насыщенным потерям. При t > t2 импульс снова испытает потери вместо усиления, и, таким образом, «временное окно», где существует полное усиление, устанавливается при t1 Таким образом, можно ожидать, что длительность импульса вновь окажется величиной порядка обратной ширины полосы усиления Δν0. 3.4. Синхронизация мод с аддитивным (дополнительным) импульсом В основе механизма синхронизации мод с аддитивным (дополнительным) импульсом лежит явление фазовой самомодуляции, возникающей в подходящем оптическом нелинейном элементе, вставленном в дополнительный резонатор, который связан с основным резонатором и имеет ту же самую длину. В этом случае имеет место механизм уменьшения длительности импульса, обусловленный интерференцией основного импульса в лазерном резонаторе с импульсом, распространяющимся обратно из дополнительного резонатора и который был промодулирован по фазе при прохождении через нелинейный кристалл. Данный тип синхронизации мод требует, чтобы оптические длины обоих резонаторов были равны с точностью до порядка долей длины волны генерации. По этой причине такой тип синхронизации мод используется на практике не так часто, как другие. Дополнительные меры для синхронизации мод Для генерации коротких импульсов, особенно при использовании лазера на красителе, часто применяются дополнительные меры, к ним относятся: 1) Инжекционная модуляция. Путем инжекции слабых пикосекундных импульсов (например, непрерывного лазера на красителе) можно вызвать генерацию интенсивных пикосекундных импульсов лазером на красителе с ламповой накачкой; 2) Синхронная накачка (наиболее часто применяемый метод). Накачка лазера осуществляется непосредственно пикосекундными импульсами. В качестве лазера накачки применяется аргоновый или криптоновый лазер с электрооптическим затвором или синусондальным модулятором в непрерывном режиме, пикосекундный рубиновый или ИАГ-лазер в импульсном режиме, причем длины резонаторов лазера на красителе и лазера накачки должны подстраиваться друг под друга. [1] Специальные устройства в сочетании с пассивной синхронизацией мод в настоящее время позволяют генерировать световые импульсы фемтосекундного диапазона (1 фс=10-15 с): 1. Комбинация метода синхронной накачки и пассивной синхронизации мод (mode locking) (синхронная накачка с дополнительным применением насыщающегося поглотителя) позволила получить импульсы длительностью 70 фс (относительно высокая стабильность). 2. Синхронизация мод во встречных пучках [colliding - pulse mode locking (CPM)]. Два импульса распространяются в противоположных направлениях через насыщающийся поглотитель и, таким образом, обеспечивают стабилизацию и укорочение импульсов, достигнутая при этом длительность импульса составляет 50 фс. 3. Двойная синхронизация мод (double mode locking). Связь лазера через среду, которая действует как пассивный поглотитель для лазера накачки и как синхронно возбужденная активная среда для второго лазера. [1] Применение фемтосекундных лазеров Фемтосекундные лазеры служат для генерации высоких гармоник оптического лазерного излучения в нелинейной оптике, когерентного вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения, аттосекундных импульсов (получения сверхкоротких импульсов в различных диапазонах длин волн и сверхкоротких импульсов частиц), суперконтинуума (так называемого «белого лазера»), когерентного терагерцовового излучения. Также фемтосекундные лазеры используются для ускорения электронов нелинейными плазменными волнами до энергий порядка нескольких ГэВ. Область применения таких лазеров достаточно широка. Лазеры сверхкоротких импульсов применяются в фемтохимии, ядерной физике, нелинейной оптике, лазерных гироскопах, телекоммуникациях (для передачи больших объёмов данных), медицине (офтальмологические операции). Современные модели фемтосекундных лазеров: • VisuMax от производителя Carl Zeiss Meditec AG (Германия); • AMARIS 1050RS, 750S, 500E от производителя SCHWIND (Германия); • LenSx, WaveLight FS200 от производителя Alcon (США); • IntraLase FS60 от производителя Abbott Medical Optics (США); • Femto LDV, LDV Z4, LDV Z6, LDV Z8 от производителя Ziemer (Швейцария). Заключение У каждого метода синхронизации мод есть свои достоинства и недостатки, которые необходимо учитывать при работе. Активный метод синхронизации мод: Преимущество: воспроизводимая генерация коротких импульсов. Недостаток: необходимы точная юстировка и очень устойчивая конструкция Пассивный метод синхронизации мод: Преимущество: простая конструкция. Недостаток: отсутствие высокой воспроизводимости. Синхронная накачка: Преимущества: возможность перестройки в большом диапазоне длин волн, средняя импульсная мощность достигает 1 кВт, а длительность импульсов 0,5 нс. Недостатки: точность согласования длин в области микрометров, стабильная модуляция источника света накачки с частотами около 100 МГц. Список использованных источников Бруннер В. Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. С74 М.: Энергоатомиздат, 1991. — 544 с. Звелто О. Принципы лазеров / Пер. под науч. ред. Т. А . Шмаонова. 4-еизд. — СПб.: Издательство «Лань», 2008. — 720 с. Качмарек Ф. Введение в физику лазеров. Пер. с польск./ Перевод В. Д. Новикова. Под ред. и с предисл. М. Ф. Бухенского.— М.: Мир, 1980. — 540 с. Херман. Й., Вильгельми Б. Лазеры сверхкоротких световых импульсов: Пер. с нем.—М.: Мир, 1986, — 368 с. |