Активная синхронизация мод и внутрирезонаторная генерация второй гармоники в импульсных неодимовых лазерах на стекле и иттрий-алюминиевом гранате

СОДЕРЖАНИЕ
Введение ........................................................... 4
Глава I. Экспериментальное исследование активной синхронизации мод в импульсно-периодических ИАГгЫс!-лазерах..............................................26
§ І.І. Описание экспериментальной установки ................27
§ 1.2. Методика определения параметров ВЧ
модуляторов ..........................................36
§ 1.3. Исследование характеристик УКИ, генерируемых
импульсно-периодическим ИАГ:Ыс1 -лазером с активной синхронизацией мод при быстром включении добротности .....................................40
§ 1.4. Сокращение длительности УКИ в лазере со ступенчатым управлением добротностью резонатора.....................49
§ 1.5. Исследования ИАГ:МсІ-лазера с внутрирезонаторным
модулятором, управляемым смешанным напряжением при плавном включении добротности .....................55
§ 1.6. Генерация наносекундных импульсов в ИАГ:Ыс]-ла-
зере с шестиметровым резонатором при активной синхронизации мод......................................65
Глава П. Некоторые особенности генерации УКИ в лазерах на
неодимовом стекле с активной синхронизацией мод 72
§ 2.1. Генерация УКИ лазером на неодимовом стекле с активной синхронизацией мод при быстром включении добротности ............................................73
§ 2.2. Измерение длительности УКИ лазера на стекле с неодимом методом светоиндуцированной распределенной обратной связи в растворах органических красителей и с помощью электроннооптической камеры..............................;..............78
§ 2.3. Активная синхронизация мод в лазере на фосфатном стекле сИс! при короткоимпульсной накачке ......................................................86
§ 2.4. Качественный анализ эффективности процесса активной синхронизации мод в лазерах на
-о-
иттрий-алгоминиевом гранате и на стекле сМс! для генерации УКИ.........................................92
Глава Ш. Внутрирезонаторная генерация второй гармоники в
импульсных неодимовых лазерах на стекле и иттрий-
алюминиевом гранате с активной синхронизацией
мод ....................................................95
§ 3.1. Внутрирезонаторная генерация второй гармоники в лазере с активной синхронизацией мод в отсутствие обратной связи на удвоенной частоте. (Однопроходная ВРГВГ:теория и эксперимент)..............97
§ 3.2. Внутрирезонаторная генерация второй гармоники в ИАГ:Мс1-лазере с обратной связью на удвоенной частоте: теория и эксперимент ................... ИЗ
Заключение ....................................................... 134
Литература ........................................................ 137
_4_
ВВЕДЕНИЕ
Одним из важных направлений современной квантовой электроники является получение ультракоротких импульсов (УКИ) света и разработка методик их применения в научных исследованиях и технических приложениях. Из-за высокой пиковой мощности и короткой длительности такие импульсы представляют большой интерес для решения задач нелинейной оптики, спектроскопии высокого временного разрешения, диагностики плазмы, фотохимии и биологии. Они необходимы также для построения систем кодовоимпульсной передачи информации в оптической связи, в быстродействующей вычислительной технике, для решения проблем управляемого термодцерного синтеза. Разнообразные применения УКИ в свою очередь предъявляют высокие требования к их энергетическим, временным, спектральным и пространственным характеристикам, предполагают использование УКИ с управляемыми, стабильными и воспроизводимыми параметрами.
Ультракороткие импульсы света генерируются лазерами при синхронизации аксиальных мод резонатора. Впервые идея о синхронизации мод была выдвинута и реализована в 1964 году [1,2]. Первые эксперименты проводились на газовых лазерах [I, 3-5]. Режим синхронизации мод в этих работах осуществлялся путем активной модуляции параметров резонатора (потерь, оптической длины) на частоте меж-модовых биений ^ =с/2Ьр(С - скорость света, Ьр - оптическая длина резонатора). Экспериментально в Не~№-лазере были получены непрерывные последовательности коротких импульсов с характерной длительностью ~ 600 пс и скважностью, равной времени полного обхода излучения по резонатору, что хорошо согласовывалось с развитыми теоретическими представлениями [2,6,7] . Первые эксперименты по активной синхронизации мод в импульсных твердотельных лазерах на рубине [8,9] и неодимовом стекле [ю] не дали ожидаемых резуль-
-6-
татов. Большие ширины полос усиления твердотельных активных сред ~І0П-І0І3 рц позволяли надеятся на получение существенно более коротких импульсов, чем в газовых лазерах. Однако в лазерах на рубине с активной синхронизацией мод удалось получить импульсы лишь с длительностью -10"*® с [8,9], а на стекле сЫс|3 - 5*10“^ с [ю] , что свидетельствовало о синхронизации лишь небольшого числа мод. Последующие теоретические работы [іі-ІЗ] вскрыли основные причины, препятствовавшие получению предельно коротких УКИ в импульсных лазерах.
Более простым и доступным методом генерации УКИ с помощью импульсных лазеров оказалась самосинхронизация (пассивная синхронизация) мод, возникающая при внесении в резонатор лазера просветляющегося фильтра [14-16]. Этим методом практически сразу были получены УКИ с длительностями, близкими к предельным [17-19] и интенсивностями порадка 10^-10^ Вт/см*\ Это обстоятельство привело к тому, что в последующем усилия исследователей оказались сосредоточенными главным образом на выяснении природы и совершенствовании техники пассивной синхронизации мод [20-22].
Позволяя сравнительно просто получать предельно короткие световые импульсы, пассивная синхронизация мод обладает рядом существенных недостатков. Во-первых, в силу флуктационного механизма формирования УКИ [21-23] она не обеспечивает стопроцентную воспроизводимость режима генерации. Правда, в последнее время удалось существенно повысить этот показатель в лазерах на неодимовом стекле и иттрий-алюминиевом гранате за счет использования новых быст-рорелаксирующих красителей [24-28]. Во-вторых, повышению стабильности работы таких лазеров мешают химические и фотохимические процессы в насыщающихся поглотителях, происходящие под действием формируемого в резонаторе высокоинтенсивного излучения. В-третьих,
решение широкого круга задач в современном эксперименте с применением УКИ-лазеров и автоматизированных спектроскопических или дру-
~6~
гих комплексов требует оперативного управления параметрами УКИ в соответствии с заданной программой или по обратной связи с измерительной системой. Выполнение этого требования с помощью лазеров с пассивной синхронизацией мод весьма затруднительно^ подчас и вообще невозможно. И, наконец, исследование нестационарных объектов и явлений часто предполагает надежную временную синхронизацию используемых УКИ - лазеров с исследуемыми процессами, измерительными и другими приборами, а нередко и с независимо работающими другими лазерными системами [29-34]. Осуществление такой синхронизации для лазеров с пассивной синхронизацией мод представляет собой весьма сложную задачу, которую не всегда можно решить в реальных условиях.
В лазерах с активной синхронизацией мод формирование ультракороткого импульса происходит путем воздействия на излучение в резонаторе амплитудного или фазового модулятора, управляемого радиочастотным электрическим сигналом. Это в значительной степени исключает влияние начального шумового распределения интенсивности на характеристики генерируемых УКИ, а также открывает возможность надежного управления выходными параметрами УКИ и временной синхронизацией УКИ - лазера с другими системами и устройствами. Несмотря на это, развитие исследований этого метода синхронизации мод происходило не столь быстро и успешно, как лазеров с пассивной синхронизацией мод. Причиной этому, по нашему мнению, служили как первые неудачные эксперименты с твердотельными лазерами, так и ряд технических проблем, связанных с практической реализацией эффективных и стабильных по частоте электрооптических и акустооп-тических устройств синхронизации мод в лазерах. По мере развития техники модуляции света [35-37] , происходило и расширение исследований в этой области.
К настоящему времени наиболее полные исследования активной
синхронизации мод проведены для непрерывных лазеров и, в частности, для ИАГгИс]-лазеров. (Смотри обзоры [38,39]). В результате, с помощью таких лазеров надежно получаются УКИ с длительностями в пределах 40-200 пс [40-43]. Теоретически и экспериментально изучено влияние таких параметров системы как расстройка частоты модуляции относительно межмодовой частоты, глубина модуляции, селектирующие свойства резонаторов и т.д. [42-48] на характеристики синхронизации мод. На практике, однако, энергия УКИ, генерируемых непрерывными лазерами, как правило, не превышает нескольких наноджоулей, что зачастую является недостаточным для их прямого практического применения.
Для повышения энергии в УКИ используются импульсные лазеры с модуляцией добротности и активной синхронизацией мод [33,49,50]. Такие системы позволяют получать пиковые интенсивности на 3-4 порядка выше, чем непрерывные лазеры, что оказывается вполне достаточным для решения целого ряда практических задач. Поэтому исследование режима работы твердотельных импульсных лазеров с активной синхронизацией мод и создание на этой основе высокостабильных источников мощных УКИ является весьма актуальной задачей.
Важной особенностью импульсных УКИ - лазеров с активной синхронизацией мод является то, что синхронизация мод в них должна устанавливаться достаточно быстро. Это обычно достигается сравнительно глубокой высокочастотной модуляцией потерь резонатора (амплитудной модуляцией). В непрерывных лазерах режим синхронизации мод может осуществляться как при модуляции потерь, так и при фазовой модуляции излучения в резонаторе [38-44]. Известно однако [47], что и в непрерывном лазере время установления синхронизированного режима зависит от типа модуляции, при амплитудной модуляции он достигается быстрее, чем при фазовой. Это обстоятельство оказывается существенным для импульсных лазеров.
-8-
Сравнительный анализ эффективности амплитудной и фазовой мо-дуляции для синхронизации мод в импульсных лазерах выполнен нами в [66], где на примере рубинового лазера теоретически и эксперимен -тально показано, что использование фазовой модуляции для получения ультракоротких импульсов в таких лазерах малоперспективно.
Теоретический анализ экспериментов по синхронизации мод твердотельных лазеров с быстрым включением добротности [11-13] позволил наметить основные пути сокращения длительности генерируемыхЖИ. Они достаточно четко были сформулированы в [12] и заключались в следующем. Необходимо обеспечить временное согласование двух процессов - развития генерации (достижения максимальной интенсивности излучения) и формирования импульса, ограниченного спектральной шириной полосы усиления активного вещества. При быстром включении добротности резонатора лазера генерация развивается за достаточно короткий промежуток времени порядка 0,5 мкс, который оказывается в большинстве случаев недостаточным для достижения полной синхронизации мод. А следовательно искусственное затягивание этого процесса при определенных условиях может приводить к сокращению длительности УКИ. С другой стороны, тот же результат может быть получен путем увеличения скорости расширения спектра синхронизированных мод за счет обогащения спектрального состава (увеличения крутизны) функции пропускания модулятора, а также повышения глубины модуляции.
Искусственное увеличение времени развития генерации экспериментально осуществлялось путем ступенчатого управления средней добротностью резонатора лазера с одновременной высокочастотной модуляцией потерь. Это позволило увеличить протяженность линейного участка развития генерации, а соответственно, - и время взаимодействия излучения с высокочастотным модулятором. Впервые такой способ был реализован для лазера на рубине [51,52], а затем использо-
вался и в лазерах на стекле [53, 54] и иттрий-алюминиевом гранате [55,56] с неодимом. При тщательной оптимизации всех параметров удалось получить УКИ с длительностью -100 пс. Большие времена формирования импульсов достигнуты при использовании сходного с методом ступенчатого включения добротности резонатора метода предварительной генерации, впервые реализованного в [57] для ИАГ:Мс1-ла-зера. Он состоит в том, что в течение достаточно большого проме -жутка времени ~5 мс поддерживается определенный, достаточно низкий уровень усиления активной среды. Благодаря этому, устанавливается квазинепрерывный режим генерации при наличии высокочастотной модуляции потерь в резонаторе. На этом этапе происходит формирование квазистационарного ультракороткого импульса. Затем включается полная добротность резонатора и сформированный предвари -тельно импульс усиливается до нужного уровня энергии. Таким образом удалось сократить длительность импульсов в ИАГ:1М-лазере до 60 пс [57]. Осуществление такого способа генерации УКИ требует решения целого рада достаточно сложных технических задач, связанных с созданием высокостабилизированных блоков питания ламп накачки, формирующих импульсы тока специальной формы [33]. Это обстоятельство осложняет практическую реализацию такого метода.
Дальнейшее сокращение длительности импульсов при нестацио -нарной накачке было достигнуто при совместном использовании в лазерах с активной синхронизацией мод динамического управления средней добротностью резонатора и пассивного фильтра [52]♦ Активнопассивные системы позволили получить для рубинового лазера [52] практически предельные длительности импульсов, а для неодимовых
лазеров на гранате [67-70] и стекле [49,71,72] - 25-45 пс и ]5-23гс
в
соответственно, сохранив при этом^начительной степени достоинства чисто активной синхронизации.
В работах [59-61] предприняты экспериментальные попытки ис-
-10-
пользования несинусоидальных управляющих напряжений на внутрирезо-наторном электрооптическом элементе для осуществления режима вынужденной синхронизации мод при высокой крутизне функции пропускания модулятора в лазерах на ИАГ:Мс|3, неодимовом стекле и рубине. Однако в этих работах не удалось получить УКИ короче, чем 4’ Ю--'-® с. Это, по-видимому, обусловлено условиями экспериментов, в которых высокий уровень усиления среды и отсутствие стабилизации амплитуды и частоты следования модулирующих сигналов препятствовали эффективному сокращению длительности УКИ. Применение в работе [56] совместно ступенчатого включения добротности при высокой крутизне модулирующей функции позволило генерировать спектрально ограниченные импульсы длительностью 180 пс в частотном ИАГ: №-лазере.
Подавляющее число экспериментов по активной синхронизации мод проводится с использованием синусоидальных управляющих напряжений. В [62-65] показано теоретически и экспериментально, что и в этом случае можно эффективно управлять крутизной функции пропускания внутрирезонаторного электрооптического модулятора путем изменения его местоположения в линейном резонаторе относительно одного из зеркал или при использовании специальной кольцевой схемы [64,123]. Экспериментальная реализация такого подхода в рубиновом лазере с активной синхронизацией мод позволила осуществить регулировку длительности УКИ в достаточно широких пределах 20-100 пс [63].
К началу выполнения данной работы для сокращения длительности УКИ в неодимовых лазерах с активной синхронизацией мод синусоидальным управляющим сигналом использовался лишь метод искусственного увеличения времени развития генерации. Перспективным может оказаться совместное применение упомянутых выше способов для повышения эффективности сокращающего действия электрооптических модуляторов в таких лазерах. Экспериментальное исследование этого
-11-
вопроса и явилось одной из задач диссертационной работы.
Целый ряд применений ультракоротких импульсов требует их преобразования во вторую гармонику. Так УКИ второй гармоники неоди -мовых лазеров необходимы для накачки пикосекундных перестраиваемых источников на основе параметрических генераторов [74] и лазеров на красителях [75,79,81]. Они непосредственно применяются в исследованиях по нелинейной оптике, в спектроскопии, биологии, фотохимии и других [76-80] ♦ В этой связи задача изучения и оптимизации процесса генерации второй гармоники (ГВГ) в поле мощных УКИ является также очень важной.
Вопросам удвоения частоты пикосекундных импульсов в нелинейных кристаллах посвящено достаточно большое количество теоретических и экспериментальных работ [82-91]. Высокая интенсивность таких импульсов позволяет надеяться на получение больших эффективностей преобразования, однако на практике зачастую реализуются сравнительно низкие к.п.д. Ыалая длительность и большая спектральная ширина пикосекундных импульсов существенно влияют на эффективности ГВГ. Так при длительностях в несколько пикосекунд явление расстройки групповых скоростей импульсов основной волны и второй гармоники может заметно ограничивать мощность преобразованного излучения. Учет этого эффекта требует согласования длины нелинейного кристалла и длительности УКИ таким образом, чтобы групповая задержка была меньше последней [83-86]. Интенсивность гармоники падает, а импульсы уширяются также в случае, когда спектральная ширина импульса превышает спектральную ширину фазового синхронизма в кристалле [82,83,86]. Большое влияние на процесс удвоения УКИ оказывают такие факторы, как наличие фазовой модуляции основного излучения [83,84,86,90], его расходимость, условия фокусировки и другие. Лишь весьма тщательная оптимизация параметров удвоителей частоты и преобразуемых ультракоротких импульсов позволила полу-
-12-
чить экспериментально [85,87,88] эффективности преобразования£8($. Следует,однако,отметить, что эти результаты получены для достаточно мощных лазерных систем, состоящих из лазера с несколькими усилительными каскадами. Поэтому общий к.п.д. такой системы оставался достаточно низким. При снижении же интенсивности преобразуемого излучения эффективность ГВГ катастрофически падает и в большинстве экспериментов с удвоением частоты УКИ оказывается ниже 5056.
Задачи повышения эффективности процесса удвоения частоты по отношению к энергии основного излучения при малых и средних уровнях накачки, а также повышения полного к.п.д. лазерной системы, излучающей на частоте гармоники, могут, по-видимому, быть решены путем применения метода внутрирезонаторной генерации второй гармоники (ВРГВГ). Он был предложен в [92,93] и заключается в том, что нелинейный кристалл помещается внутрь резонатора задающего лазера. В этом случае удвоитель частоты и сам лазер образуют единую взаимносвязанную систему, в которой перекачка энергии основного излучения во вторую гармонику может оказывать сильное обратное воздействие на процесс лазерной генерации. Хотя первые работы по ВРГВГ были выполнены еще в 1963 году [92,93], интенсивные исследования и применение в экспериментальной практике этого метода развернулись лишь в последнее время (смотри, например, [94-96]). Наиболее детально процесс внутрирезонаторного удвоения частоты изучен для лазеров с непрерывной накачкой, работающих как в импульсном с большой частотой повторения -100 кГц (за счет модуляции добротности), так и в стационарном режимах [95,97,100]. Целесообразность помещения нелинейного кристалла в резонатор таких лазеров очевидна, поскольку мощность излучения внутри резонатора значительно выше мощности их выходного излучения, и это позволяет добиться значительного увеличения эффективности преобразования во
-13-
вторую гармошку [107]. В лазерах с импульсной накачкой внутрире-зонаторная генерация второй гармоники дает выигрыш в к.п.д. преобразования при умеренных энергиях основного излучения, а также в суммарном к.п.д. лазера [101-104]. Кроме того, в этом случае открывается возможность управления и стабилизации параметров выходного излучения (103,105,106].
Большой практический интерес представляет внутрирезонаторное удвоение частоты лазеров ультракоротких импульсов. Такой режим работы реализован в настоящее время для случая непрерывной генерации [І08-ІІЗ]. Активная синхронизация мод и ВРГВГ в [108—112] осуществлялась с помощью одного и того же кристалла (!_ІЬІЬ03 или Ва2ЫаМЬр,5)» который одновременно служил электрооптическим (или акустооптическим) модулятором излучения и удвоителем частоты. Для выполнения условия фазового согласования кристалл нагревался до соответствующей температуры. В более поздней работе [113] экспе -риментально исследовался режим акустооптической синхронизации мод непрерывного лазера на ИАГ:Ыс(3*с внутрирезонаторным удвоением частоты в кристалле йодата лития. Во всех этих работах отмечено возрастание выхода второй гармоники относительно случая отсутствия управляющего сигнала на кристалле-модуляторе, а также ушире-ние импульсов излучения основной частоты при достижении условий фазового синхронизма. К.п.д. преобразования во вторую гармонику не превышали 5($. В последующих работах [114—117] была предпринята попытка создания упрощенной модели ВРГВГ в лазерах с активной синхронизацией мод, основанной на представлениях, развитых ранее Куизенгой и Сигманом в [42,44,45] и сводящейся к поиску самосогласованного решения при многократном прохождении короткого импульса, имеющего гауссову форму, по резонатору и взаимодействующему с активной средой, модулятором и нелинейным кристаллом. При этом излучение гармоники расчитывалось в приближении заданной ин-