Исследование динамических режимов в лазерах с пассивной и гибридной синхронизацией мод тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РГ8 ОД 2 4 НОН '007

СОКОЛОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ В ЛАЗЕРАХ С ПАССИВНОЙ И ГИБРИДНОЙ

СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД.

01.04.21- лазерная физика

автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук.

На правах рукописи

Саратов-1997

Работа выполнена на кафедре оптики Саратовского государственного университета им. Н.Г.Чернышевского и в НИИ механики и физики при СГУ.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор В.В.Тучин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, академик МАН ВШ В.И.Березин, кандидат физико-математических наук О.М.Паршков.

Ведущая организация: Волгоградский государственный университет.

Защита диссертации состоится ""/3й ЪМ- 1997 года в часов на заседании диссертационного совета К.063.74.11 по специальности 01.04.21-лазерная физика при Саратовском государственном университете им. Н.Г.Чернышевского (410026, г.Саратов, Астраханская, 83).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ- <Гг

Автореферат разослан "7о" 1997г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

кандидат физико-математических наук, доцент О "** Дербов В.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время такие методы получения ультракоротких импульсов (УКИ) света в лазерах, как пассивная синхронизация мод (ПСМ), синхронная накачка, гибрндная синхронизация мод (ГСМ), можно считать традиционными. Эти методы достаточно полно изучены как теоретически [1], так и экспериментально [2]. Определены их достоинства и недостатки, принципиальные возможности улучшения характеристик генерируемых импульсов. Более современные методы синхронизации мод (СМ), применяемые для генерации УКИ субпико-и фемтосекундных длительностей, основаны на использовании широкого класса нерезонансных оптических нелинейностей, таких, как нелинейность третьего порядка, либо оптический эффект Керра [3].

Вместе с тем, в последние годы продолжалась разработка таких вопросов, как управление формой цугов импульсов генерации твердотельных лазеров (ТЛ) с активной и пассивной СМ и применение в них многокомпонентных пассивных затворов для укорочения генерируемых импульсов. Необходимость управления формой цугов в ТЛ с СМ обусловлена их широким применением в качестве источников синхронной накачки перестраиваемых пико- и фемтосекундных лазеров, что требует существенно увеличивать длину цуга генерации ТЛ при стабильной энергии импульса и тем самым достигать выхода на стационарный режим в синхронно накачиваемом лазере. Для управления формой цуга сейчас используются активная и пассивная отрицательная обратная связь и так называемое динамическое управление добротностью резонатора [4], которые позволяют удлинить цуг генерации до нескольких тысяч импульсов и придать ему близкую к прямоугольной форму. К недостаткам подобных устройств можно отнести их техническую сложность.

Применение"многокомпонентных пассивных затворов (ПЗ) в твердотельных лазерах [5] обусловлено тем, что укорочение импульсов генерации требует использования ПЗ с малыми временами релаксации, но такие поглотители имеют высокие интенсивности насыщения и, значит, высокие пороги СМ. При использовании же в пассивном фильтре комбинации медленно- и быстрорелаксирующих поглотителей первые, обладающие малой интенсивностью

насыщения, эффективно действуют на начальной стадии переходного процесса, выделяя одиночный выброс из рассредоточенного по резонатору лазера излучения, а вторые формируют из него импульс предельно малой длительности.

Во многих публикациях, посвященных гибридной (комбинированной) синхронизации мод, отмечается появление при отрицательных расстройках баз резонаторов генерации и накачки сложной структуры у генерируемого импульса [6]. Но детально этот вопрос не разрабатывался, закономерности формирования внутренней структуры импульса и влТмние ее на динамику генерации остались неизученными.

Целью диссертационной работы являлось изучение динамических режимов в лазерах на красителях и кристаллах с пассивной и гибридной синхронизацией мод с точки зрения выяснения возможностей эффективного управления характеристиками импульсов генерации и их цугов.

Исследования проводились методом численного эксперимента с помощью полуклассических моделей на основе уравнений Максвелла-Блоха. В качестве исходных данных использовались известные из эксперимента параметры кристалла ИАГ:Ш и органических красителей.

Научная новизна результатов

• Предложены модели, использующие временное представление для описания режима ПСМ и ГСМ в лазерах с однородным уширением линии усиления.

• Методом численного моделирования исследованы и качественно интерпретированы механизмы формирования внутренней многогорбой структуры импульса при пассивной и гибридной синхронизации мод в лазере на красителе, механизмы формирования ограниченного цуга импульсов при пассивной синхронизации мод в твердотельном лазере.

• Исследовано влияние изменения параметров активных и пассивных внутрирезонаторных элементов при их совместном действии на характеристики импульса генерации в ЛК и характеристики цуга импульсов в ТЛ.

• Впервые для управления длиной и формой цугов генерируемых импульсов в твердотельных лазерах предложено использовать многокомпонентную активно-пассивную среду. Исследованы

возможности этого метода.

• Для осуществления режима периодической модуляции энергии импульса и профилирования импульса в лазере на красителе с пассивной синхронизацией мод предложено использовать активную многокомпонентную среду. Исследованы возможности данного метода модуляции.

• Предложен метод модуляции энергии генерируемого импульса в лазере на красителе с гибридной синхронизацией мод, изучены особенности данного метода, его возможное применение для определения спектроскопических характеристик активной и пассивной внутрирезонаторных сред.

Научно- практическая значимость работы.

Лазеры на красителе в режиме ГСМ и ПСМ, а также твердотельные лазеры в режиме ПСМ широко используются при решении целого ряда фундаментальных и прикладных задач лазерной физики. Полученные результаты позволяют:

• осуществлять управление формой огибающей цугов импульсов генерации в твердотельном лазере с ПСМ;

• осуществлять модуляцию энергии и управление формой импульса генерации в лазере на красителе с ПСМ;

• интерпретировать результаты экспериментальных исследований лазера на красителе с ГСМ, осуществлять в такой системе модуляцию энергии импульса генерации и определять спектроскопические характеристики внутрирезонаторных нелинейных сред.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

1. Использование в непрерывно накачиваемом твердотельном лазере с ПСМ многокомпонентной активно-пассивной кристаллической среды с различающимися в несколько десятков раз энергиями насыщения компонентов позволяет получать цуги из нескольких десятков импульсов с линейным передним или задним фронтом огибающей цуга, либо с огибающей квазипрямоугольной формы.

2. Для лазера на красителе с пассивной синхронизацией мод, полученной с помощью малоинерционного затвора, использование многокомпонентной аетивной среды с различающимися в несколько раз энергиями насыщения компонентов позволяет осуществлять

периодическую модуляцию энергии импульса с глубиной в несколько десятков процентов и периодом 0.2-1мкс, а также управление его формой.

3. В лазере на красителе с гибридной синхронизацией мод при выполнении трех условий: отрицательной расстройки баз резонаторов, малой инерционности затвора по сравнению с длительностью импульса накачки и сильного просветления затвора за счет различия в несколько раз характерных параметров насыщения затвора и усиливающей среды- импульс генерации приобретает нестационарную внутреннюю структуру, что вызывает периодическую модуляцию его энергии с глубиной до 30% и периодом, обратно пропорциональным расстройке баз резонаторов.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы представлялись на Международной конференции "Nonlinear Dynamics in Optical Systems" (Альпбах, Австрия,1992) , на Международном семинаре "Нелинейная динамика оптических систем" (Саратов ,1993), на Международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении" (Саратов ,1997), на научных семинарах кафедры оптики СГУ. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, список которых приведен в конце автореферата. В работах, выполненных в соавторстве, автором проведена большая часть численных экспериментов. Совместно с соавторами осуществлены объяснение и интерпретация полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (158 наименований), содержит 17 рисунков и изложена на 137 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 рассмотрена модель временного представления для поля излучения непрерывно накачиваемого кольцевого однонаправленного лазера с ПСМ при однородном уширении линий усиления и поглощения. Использовалось удобное для численного

счета приближение тонкой нелинейной (усиливающей либо поглощающей) среды [7], состоящее в том, что среда разбивается на несколько ячеек с малым усилением (поглощением) на каждой из них. Преобразование "медленной" амплитуды поля на ячейке можно представить в виде

То есть, изменение поля на выходе среды Е2 (t) по сравнению с полем на входе Е, (t) определяется наведенной входным импульсом поляризацией P(t) (здесь коэффициент усиления а« 1). Динамическое состояние нелинейное среды в рамках двухуровневого приближения описывается следующими уравнениями, непосредственно следующими из уравнений для матрицы плотности двухуровневой квантовой системы с однородным уширением и релаксацией при нулевой расстройке центральных частот усиления, поглощения и собственной частоты резонатора [8]:

Здесь Р и Б, соответственно, "медленная" амплитуда наведенной в среде поляризации и разность населенностей рабочих уровней среды, 7,-скорость релаксации поляризации, у2 -скорость восстановления разности населенностей рабочих уровней нелинейной среды.

Далее численно исследованы режимы ПСМ в лазерах на твердом теле и органическом красителе при использовании малоинерционного пассивного затвора. Получено, в частности, что в непрерывно накачиваемом твердотельном лазере с ПСМ при увеличении начального поглощения пассивного затвора и "мягкости" затвора по отношению к усиливающему элементу происходит переход от стационарного режима СМ к генерации периодически следующих ограниченных цугов импульсов. (Увеличение "мягкости" затвора, то есть уменьшение его энергии просветления, достигается повышением степени фокусировки излучения на затворе). Период следования цугов определяется скоростью восстановления в активной среде уровня инверсии , достаточного для просветления ПЗ. То есть, для формирования из

E2(t)=E,(t)+aP(t)/2

О)

dP/dt = -у, Р + ED dD/dt = у2 (1-D) - ЕР

(2)

(3)

шумового фона импульса генерации коэффициент усиления активной среды схБ0 должен превысить уровень суммарных потерь излучения на пассивном затворе Р и зеркалах резонатора в:

оБ0>р+С (4)

В главе 2 предлагается использовать для управления формой цугов импульсов генерации твердЬтельного лазера с пассивной синхронизацией мод многокомпонентную активно-пассивную твердотельную среду. Если значения энергии насыщения компонентов среды и их начальные коэффициенты усиления (поглощения) различаются, то вклад разных компонентов в усиление (поглощение) импульсов цуга из-за неодновременного насыщения компонентов будет приходиться на существенно различные участки цуга, кроме того, вклад каждого компонента будет иметь свою величину. Подбирая нужным образом параметры компонентов, мы получаем возможность управлять формой цуга.

Исследованы возможности применения различных комбинаций компонентов активно-пассивной среды. Полученные численные данные свидетельствуют о возможности генерации цугов с линейно нарастающей энергией импульса на переднем фронте цуга, цугов с линейно уменьшающейся энергией на заднем фронте цуга, цугов с "прямоугольным" участком, на котором энергия импульса мало меняется. "Линейные" участки цугов содержат примерно до сотни импульсов. В частности, для генерации цуга квазипрямоугольной формы можно использовать

двухкомпонентную активную среду. Первый усиливающий компонент (его коэффициент усиления обозначим а,) обеспечивает усиление слабого сигнала, превышающее его суммарные потери на пассивном затворе (Р ) и зеркалах резонатора (в):

а, >р + О (5)

Тем самым первый компонент обеспечивает формирование цуга одиночных на периоде резонатора импульсов. К моменту достижения максимальной энергии импульса в цуге первый компонент практически полностью насыщается. Второй усиливающий компонент, который "жестче" первого, обеспечивает усиление (равное а2 ) уже сформированного импульса, равное потерям его энергии на пассивном затворе и зеркалах резонатора:

а2 =Р + в

(6)

Тем самым второй компонент после насыщения первого обеспечивает поддержание энергии импульса на квазистационарном уровне, формирует "прямоугольный" участок цуга. Требуемая величина а2 оценивается по формуле:

а2 = Оа,/р (7)

Увеличение различия энергий насыщения компонентов активно-пассивной среды, а также увеличение числа компонентов приводят к удлинению прямоугольного цуга, но одновременно и к неустойчивости его формы. Это явление при непрерывной накачке является принципиальным препятствием удлинения прямоугольных цугов. При импульсной же накачке, либо при непрерывной накачке с использованием резкого включения добротности резонатора данная проблема не встает.

В главе 3 многокомпонентную активную среду (АС) предлагается использовать в лазере на красителе с пассивной синхронизацией мод для периодической модуляции энергии и длительности импульса генерации и управления формой импульса. Возникновение модуляции обусловлено тем, что из-за неодновременного насыщения компонентов АС преимущественное усиление приходится на передний фронт импульса генерации, тогда как задний фронт импульса "подрезается" благодаря действию малоинерционного пассивного фильтра. Это приводит к периодической деформации профиля импульса, как бы "перекачке" энергии излучения из его задней в переднюю часть. При этом импульс может принимать последовательно форму прямоугольника, треугольника и т.п. Характерное время деформации профиля импульса составляет около сотни периодов прохода его по резонатору, предельно достижимая глубина модуляции тем больше, чем больше различаются компоненты АС по степени своей "жесткости". Так, например, при четырехкратном и двадцатипятикратном различии энергий насыщения компонентов максимальная глубина модуляции энергии импульса достигала, соответственно, 18% и 27%.

Выявлена определенная аналогия между использованием многокомпонентных АС в твердотельных лазерах (ТЛ) для управления формой цуга импульсов и в лазерах на красителях (Ж) для управления формой одиночного импульса. Эта аналогия состоит

в сопоставлении цуга импульсов в ТЛ с ПСМ одиночному импульсу в Ж с ПСМ. Ограниченность аналогии в том, что в ТЛ при генерации цуга импульсов обратная связь осуществляется прежде всего между соседними импульсами в данном цуге, но не цугами, тогда как в ЛК обратная связь прежде всего между данным и предыдущим импульсами. Как следствие этого, в ТЛ с ПСМ возможен лишь режим генерации цугов с неизменными формой, длиной и энергией, а в Ж с ПСМ реализуется режим непрерывной трансформации формы импульса, модуляции его энергии и длительности.

В главе 4 описана модель и проведено численное исследование динамики генерации лазера на красителе с гибридной синхронизацией мод. Основное внимание уделяется особенностям генерации, обусловленным появлением импульсов-сателлитов или "многогорбых" импульсов при отрицательных расстройках

баз резонаторов генерации и накачки. Выяснено, что формирование структуры импульса генерации определяется степенью "мягкости" пассивного затвора по отношению к усиливающему элементу, или же степенью фокусировки на ПЗ пучка излучения. Постепенное смещение сателлитов или "горбов" по времени следования относительно импульса накачки приводит к тому, что одни из них затухают, а другие формируются, что дает периодические колебания энергии генерируемого излучения. Установлено, что принципиальным условием возникновения данного.режима генерации является малая (по сравнению с длительностью импульса накачки) инерционность пассивного затвора. Выяснено, как амплитуда и период колебаний зависят от параметров лазерной системы. В частности, в случае прямоугольного импульса накачки период модуляции Т м оценивается по формуле:

Тм = -Тя1п[1-р/(а81)]/(25а21) (8)

Здесь Тк-период обхода резонатора, Р-коэффициент ненасыщенного поглощения ПЗ, а- коэффициент усиления АС, б, - величина, пропорциональная отношению сечений вынужденного перехода в ПЗ и в АС, 5- расстройка баз резонаторов генерации и накачки, -величина, пропорциональная сечению поглощения излучения накачки на АС, I - интенсивность импульса накачки.

Данный режим предлагается использовать как режим модуляции энергии генерируемого импульса, когда к его внутренней структуре не предъявляются жесткие требования, а также для

определения спектроскопических характеристик активной и пассивной внутрирезонаторных сред.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы, состоящие в следующем.

1. При пассивной синхронизации мод непрерывно накачиваемого твердотельного лазера увеличение плотности пассивного затвора и его "мягкости" по отношению к усилителю приводит к плавному переходу от стационарного режима ПСМ к генерации периодически следующих ограниченных цугов импульсов.

2. Использование в непрерывно накачиваемом твердотельном лазере с ПСМ многокомпонентной активно-пассивной кристаллической среды позволяет управлять формой цугов импульсов генерации, в частности, получать цуги с линейным передним или задним фронтом огибающей или цуги квазипрямоугольной формы.

3. При увеличении числа компонентов активно-пассивной среды и различия их энергий насыщения получаемые в такой системе прямоугольные цуги удлиняются, но также теряют устойчивость формы. Проблема устойчивости формы цугов не встает при использовании импульсной накачки или резкого включения добротности резонатора.

4. Для лазера на красителе с пассивной синхронизацией мод малоинерционным затвором использование многокомпонентной активной среды есть способ профилирования импульса генерации и периодической модуляции его энергии с требуемыми периодом и глубиной. Причиной модуляции является преимущественное усиление переднего фронта импульса, тогда как задний фронт "подрезается" пассивным затвором. Максимально достижимая глубина модуляции тем больше, чем больше соотношение энергий насыщения компонентов АС.

5. В лазере на красителе с гибридной синхронизацией мод при отрицательной расстройке баз резонаторов и малой инерционности затвора по сравнению с длительностью импульса накачки достигается режим периодической модуляции энергии генерируемого излучения. Причиной модуляции служит появление у импульса генерации внутренней структуры или даже трансформация его в группу импульсов при достаточной разнице параметров насыщения активной среды и пассивного затвора. Глубиной и частотой модуляции возможно управлять, изменяя такие параметры, как расстройка длин резонаторов, степень фокусировки пучка излучения на ПЗ, длительность и мощность импульса накачки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1. Маторин И.И., Ханин Я.И./ Теория лазера с жесткой синхронизацией мод//Изв. АН СССР, сер.физич. 1981. Т.45. N2. С.415.

2. Ultrashort light pulses/ Edited by Shapiro S.L.// SpringerVerlag, Berlin Heidelberg New York. 1977. 479p.

3.Калашников В.Л., Калоша В.П., Полойко И.Г.,Михайлов В.П./Комбинированная синхронизация мод твердотельных лазеров с самофокусировкой при синхронной накачке// Квантовая электроника. 1995. Т.22. N8. С.801- 804.

4. ЗапорожченкоВ.АУАнализ методов управления динамикой генерации импульсных лазеров для получения длинных цугов УКИ//Квантовая электроника. 1994. Т.21. N9. С.843- 848.

5. М.И.Демчук, И.Г.Колчанов, И.А.Маничев, В.П.Михайлов, К.В.Юмашев/ Пассивная синхронизация мод в твердотельных лазерах с двухкомпонентными затворами// Квантовая электроника. 1988. Т. 15. N12. С.2427-2433. ■

6. Smith К., Catherall J.M., New G.H.C./ Comparison of experiment and theory in a synchronously mode- locked dye laser// Opt.Commun. 1986. Vol.58. N2. P. 118-123.

7. Демчук М.И., Маничев И.А., Михайлов В.П./ Формирование областей эффективного сжатия УКИ в пассивном затворе// Квантовая электроника. 1991. Т.18. N1. С.61-66.

8. Sargent М., Scully М.О., Lamb W.E./ Laser physics//Reading, Addison-Wesley. 1974. 428p.

СПИСОК РАБОТ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Veshneva I.L., Mel'nikov L.A., Sokolov A.A., Tatarkov G.N./ The Dynamics of Transverse Field Structure in Unidirectional Ring Laser with Fast-Relaxed Active Medium//Technical Digets, 1992 (OS A). V. 16. pp.154-156.

2. Татарков Г.Н., Соколов А.А./ Лазер с аддитивной синхронизацией мод- динамическая модель// Тезисы докладов Международного семинара "Нелинейная динамика оптических систем". Саратов. 1993. С56.

3. Соколов А.А., Татарков Г.Н./ Численное исследование динамики пассивной синхронизации мод в кольцевом

однонаправленном лазере// Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 1995. Т.З. N6. С.44 - 51.

4. Sokolov A. A. and Tuchin V.V./ Numerical Simulation of the Dynamics of basing in a Ring Dye Laser with Hybrid Mode Locking// Laser Physics. 1997. Vol.7. N2. pp.506-513.

5. Соколов А.А./ Об управлении формой огибающей цугов импульсов генерации твердотельных лазеров с многокомпонентными активными ' средами// Деп. в ВИНИТИ 7.04.1997. N1098-B97.

6. Sokolov А.А. and Tatarkov G.N./ Numerical Investigation of Mode Locking Dynamics in Unidirectional Ring Laser//Proc.SPIE. Vol.3177, pp 84-88. Book of selected papers. CIS. 1997.

7. Соколов А.А./ О способе управления формой профиля светового импульса для лазерных измерений в машиностроении/ /Материалы Международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении". Саратов. 1997. С. 157.

8. Соколов А.А./ Об управлении формой цугов лазерных импульсов// Квантовая электроника, (принято к печати).