Теория генерации сверхтонких импульсов при синхронной накачке лазеров с многоуровневой моделью активной среды тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Введение

Глава I. Современное состояние теории синхронной накачки и основные экспериментальные данные

1.1. Синхронная накачка, ее возможности и области применения

1.2. Эксперименты по синхронной накачке лазеров на органических красителях и их основные результаты . II

1.3. Лазеры на кристаллах с центрами окраски и эксперименты по их синхронной накачке.

1.4. Эксперименты по синхронной накачке полупроводниковых лазеров и их основные результаты.

1.5. Обзор теоретических моделей, используемых для объяснения экспериментальных данных

Выводы.

Глава 2. Теория генерации сверхкоротких импульсов света при синхронной накачке лазеров с многоуровневой моделью активной среды.

2.1. Выбор физической модели активного вещества

2.2. Необходимость учета многоуровневости среды, эффектов распространения и нестационарности поляризации рабочего перехода в процессе синхронной накачки

2.3. Методика описания нестационарного резонансного взаимодействия импульсов накачки с четырехуровневой средой в резонаторе

2.4. Переход к уравнениям эффективной двухуровневой среды линеаризацией по энергии импульса накачки.

Пределы применимости уравнений эффективной двухуровневой среды.

2.5. Определение порога генерации. Исследование установившихся решений при энергии накачки ниже и выше пороговой.

2.6. Определение формы и параметров импульса генерации в установившемся режиме

2.7. О предельных длительностях импульсов генерации, достижимых при синхронной накачке четырехуровневых сред.

2.8. Сравнение с результатами других теоретических и экспериментальных работ

Выводы.

Глава 3. Нестационарная синхронная накачка лазеров непрерывной последовательностью пикосекундных импульсов. Численный анализ

3.1. Динамика установления генерации в средах с малым временем жизни населенности рабочего уровня

3.2. Исследование зависимости режима установления генерации от рассогласования длин резонаторов и ширины полосы пропускания селектора-эталона в таких системах.

3.3. Динамика установления генерации в средах с большим временем жизни населенности рабочего уровня. Влияние рассогласования длин резонаторов на режим установления генерации

3.4. Сравнение результатов численного счета с экспериментальными и теоретическими работами других авторов

Выводы.

Глава 4. Нестационарная синхронная накачка лазеров на растворах органических красителей с гауссовой огибающей цуга импульсов накачки. Численный анализ и эксперимент.

4.1. Численный анализ генерации в трех практически важных случаях. Сравнение с экспериментальными результатами других авторов.

4.2. Экспериментальное исследование генерации лазера на красителях при синхронной накачке цугом импульсов второй гармоники пикосекундного лазера на стекле с неодимом.

4.3. Анализ полученных результатов и практические рекомендации

Выводы.

Создание лазеров, излучающих цуги сверхкоротких

10"^ с) импульсов света, представляет значительный интерес в связи с приложением в различных областях науки [4, 12, бб]. В видимом диапазоне одним из наиболее распространенных перестраиваемых пикосекундных лазеров стал струйный лазер на красителе, синхронно накачиваемый цугом субнаносекундных импульсов, генерируемых аргоновым лазером - 6^, или второй гармоникой непрерывного АИГ: Alcl3+ лазера с синхронизацией мод [7l]. В таких системах получены достаточно короткие (0,3 пс-0,7 пс) световые импульсы [2, . В ближнем инфракрасном диапазоне таким же способом успешно накачиваются лазеры на центрах окраски и полупроводниковые лазеры, причем используются как непрерывные [3, 74], так и конечные цуги импульсов накачки [8-10,

Традиционная схема синхронно накачиваемого лазера в последнее время подвергается изменениям: в резонатор дополнительно вводят кювету с насыщающимся поглотителем - так называемая гибридная схема реализуя при этом режим столкновения встречных импульсов [70], либо синхронно накачивают в одной кювете смесь из усиливающей среды и насыщающегося поглотителя [67], либо введением амплитудного электрооптического модулятора проводят селекцию встречного импульса Эти меры позволили продвинуться в диапазон устойчиво генерируемых длительностей, меньших 100 фемтосекунд.

Синхронная накачка непрерывного лазера на красителе значительно расширяет спектральный диапазон генерации стабильных пикосекундных и субпикосекундных импульсов. Это реализуется путем накачки красителя в двух независимых резонаторах [б*]» или с помощью внутрирезонаторного селектора-эталона с межмодовым расстоянием уже полосы генерации. При этом можно одновременно в одном резонаторе генерировать несколько сверхкоротких импульсов разной длины волны (в пределах линии люминисценции красителя) и].

Для широкого круга задач нестационарной спектроскопии, имеющих характерные времена в десятки и сотни пикосекунд, оказывается вполне достаточным временное разрешение в 10-20 пс. Поэтому, более простая в техническом отношении, синхронная накачка ограниченным цугом пикосекундных импульсов от твердотельного генератора, работающего в режиме модуляции добротности одновременно с активной синхронизацией мод (двойная модуляция), в последнее время вновь получает признание и применяется в разнообразных спектроскопических экспериментах [72, 73, 27].

Практические приложения пикосекундных импульсов в различных областях науки разнообразны и широки ^4, 12]. Не останавливаясь подробно, упомянем лишь об измерениях времен жизни и де-фазировки возбужденных состояний в конденсированных средах и сложных молекулах прямым способом, об изучении стадий химических реакций и т.д. Заслуживают внимания соообщения о получении непрерывного цуга пикосекундных импульсов в диапазоне 1.3 мкм [3], там, где дисперсия волоконных световодов минимальна, что имеет большую важность для разработки новых систем связи.

Для описания процесса генерации в таких системах наиболее подходит четырехуровненая модель среды, динамика которой при возбуждении пикосекуцдными импульсами в незаданных полях накачки практически не изучена. Неясен также вопрос о достижимой предельной длительности импульса, который можно генерировать в таких средах. Не исследованы режимы установления синхронной генерации, что актуально для ограниченных цугов накачки.

В теоретических работах, посвященных этому вопросу, исследовался установившийся процесс генерации цуга импульсов в предположении модели двухуровневой среды и стационарной поляризации рабочего перехода ^16, 30, 38]. В [35*] численно исследовалась форма установившегося импульса в зависимости от расстройки длин резонаторов. Модель среды та же, что и в \30~J. В проводился учет влияния частотного фильтра и расстройки длин резонаторов на длительность лазерного импульса так называемым методом параметров, когда форма импульса считается заданной, но не известны его амплитуда и длительность. Подставляя затем такой импульс в исходные уравнения, можно получить связь между неизвестными параметрами. В ^76, 77^ численно исследовался процесс установления синхронной генерации в лазере с двухуровневой моделью активной среды (поляризация стационарна) и с динамической моделью спектрально-ограничивающего элемента.

В данной работе последовательно (начиная с вывода уравнений для матрицы плотности четырехуровневой среды) аналитически и численно исследуется процесс установления синхронной генерации лазера на красителе (центрах окраски). В отличие от других работ используется четырехуровневая модель активной среды, учитывается нестационарность поляризации рабочего перехода, эффекты распространения, а также расстройка длин резонаторов. На основании проведенного анализа делаются выводы о границах применимости двухуровневого формализма при описании лазерной генерации и о необходимости использования нестационарной поляризации рабочего перехода в такого рода задачах.

Структура работы следующая. В первой главе дается обзор характерных экспериментальных результатов и проводится критический анализ теоретических работ по синхронной накачке. Во второй главе обосновывается методика описания нестационарного резонансного взаимодействия импульсов накачки с четырехуровневой средой и аналитически определяются параметры импульса генерации в установившемся режиме при малых расстройках длин резонаторов. В третьей главе численно исследуется процесс установления синхронной генерации в различных лазерах. Четвертая глава посвящена численному и экспериментальному исследованию нестационарной синхронной накачки лазеров на растворах органических красителей с гауссовой огибающей цуга импульсов накачки.

Выводы

При импульсной синхронной накачке лазеров на красителях фактически синхронного режима нет, т.к. имеется существенное изменение параметров импульсов в цуге генерации, обратно пропорциональное числу импульсов накачки.

При удлинении цуга накачки дальнейшим препятствием доя достижения синхронного режима служит принципиальное наличие огибающей цуга накачки, приводящее к временному, изменению пороговых условий.

Для получения квази-синхронно-следующих импульсов генерации при накачке ограниченными цугами желательно использовать цуги с числом импульсов накачки не менее тридцати.

Минимум средней по цугу длительности импульсов генерации находится в области отрицательных расстроек длин резонаторов, а его положение прямо пропорционально скорости роста переднего фронта цуга импульсов накачки.

Численный расчет модели синхронно-накачиваемого лазера на красителях дает хорошее согласие с имеющимися экспериментальными данными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Развита теория синхронной генерации сверхкоротких импульсов света в лазерах на красителях и центрах окраски. В отличие от ранее опубликованных работ используется четырехуровневая модель активной среды с нестационарной поляризацией рабочего перехода, что позволяет детально проследить кинетику установления синхронного режима и рассчитать предельные параметры стационарной генерации.

2. Определены условия, при которых четырехуровневая модель активной среды в генераторе пикосекундных импульсов может быть сведена к двухуровневой.

3. При малых расстройках длин резонаторов, в стационарном режиме синхронной накачки, получены аналитические выражения для формы, интенсивности, длительности и задержки генерируемого импульса. Определены пороговые условия генерации.

4. Получено аналитическое выражение для предельной минимальной ) длительности импульса стационарной синхронной генерации.

5. На базе развитой теории создана численная модель синхронно накачиваемого лазера, позволившая детально исследовать нестационарные и переходные режимы генерации лазеров на красителях и центрах окраски.

6. Численная модель хорошо согласуется с экспериментом, расчет, проведенный с ее помощью, позволил создать стабильный генератор спектрально - ограниченных, перестраиваемых по частоте, пикосекундных импульсов.

1. Получение пикосекундных импульсов генерации лазера на красителе, возбуждаемого излучением аргонового лазера с пассивно-синхронизпваниыш модами" Квантов.Электрон.,1980, т.7, с.219-221.

2. Варнавский О.П., Леонтович A.M. "Генерация ультракоротких импульсов света на стабилизированных F^-центрах окраски в кристалле LlF при синхронной накачке рубиновым лазером" Письма в Ш, 1980, т.6,с.961-964.

3. Лисицын В.Н., Пестряков Е.В., Трунов В.И. и др. "Генерация пикосекундных импульсов на F -центрах окраскив диапазоне' I.I-I.25 шш,"- Письма в ЛГФ,1981, т.7,с.396-399.

4. Каарли Р.К., Аавиксоо Я.Ю., Вилл А.А. и др.

5. Устойчивый многочастотный режим генерации пикосекундных импульсов в синхронно-накачиваемом непрерывном лазере на красителе" Квант.электрон., 1979, т.6,с.2630-2633.12. "Сверхкороткие световые импульсы" /под ред.Шапиро С. М. ,Мир, 1981, 479 с.

6. Royt T.R., Faust W.L., Coldberg b.S. et al. "Temporally coincident ultrashort pulses from synchronously pumped tunable dye lasers" Appl.Phys.bett. ,1974,v.25,p.514—516.

7. Безродный В.И.,Тихонов Е.А. "Генерация перестраиваемого по частоте излучения ультракороткой длительности при синхронной накачке лазеров на красителях" Квант.Электрон.,1980, т.7, 0.332-337.

8. McDonald D.B., Waldbeck D,, ELeming G.R. "Pulse structure studies and absolute cavity length determination for a synchronously pumped picosecond dye laser" Opt. Comm., 1980, v. 34., p. 127-132.

9. Mollenauer L.P., Olson D.H. "Broadly tunable lasers using color center" J. of Appl. Phys., 1975, v.46, p.3109-3118.

10. Архангельская В.Л. "Перестраиваемые лазеры на центрах окраски в ионных кристаллах" Квант.электрон.,1980, т.7, с.1141-1160.

11. Камалов В.Ф., Коротеев. И.й., Иехаенко В.Л. "Лазеры на центрах окраски" Сб. Электронная техника. Сер.II. Лазерная техника и оптоэлектроника, 1980, 2, с.43-67.

12. Давыдов А.С. "Квантовая механика", М.,Гос.изд. шиз.-мат.литера-туры, 1963, 748с.

13. Киттель Ч. "Введение в физику твердого тела", М.,Паука, 1978, 791с.

14. Стоунхэм A.M. "Теория дефектов в твердых телах", М., Мир,1978, t.I-П, 884с.

15. Виноградова А.А.Дриндач Д.П.Дадца П.С. и др.

16. Характеристики излучения непрерывного лазера на красителе с синхронной накачкой". Письма в 1979, т.5, с. 14641467.

17. Лохныгин В.Д. ,0яшцуков Г.И,,Фомпчев А.А. "Лазер на красителе с синхронной накачкой цуташ ультракоротких импульсов непрерывно накачиваемого лазера на ЛИГ: VVdL3+ " Квант.Электрон., 1981, т.О,с.2024-2026.

18. Ярив А. "Квантовая электроника и нелинейная оптика", М.Советское радио, 1973, 454с.

19. Пантел Р., Путхов Г, "Основы, квантовой электроники", Ы.,Мир, 1972, 384 с.

20. Yasa Z.A., Teschke О. "Picosecond pulse generation in synchronously pumped, dye lasers" Opt. Comm., 1975» v. 15» p. 169-172.

21. Faubert D., Chin S.L. "Passive laser pulse compression in a fluorescent dye medium" Can. J. Phys., 1979» v# 57» p. 1359-1361.

22. Бондаренко С.И.,Дясотян Г.П.,Дьяков Ю.Е. ,Нехаенко В.А. "Генерация излучения в РЖ-диапазоне на основе комбинационного лазера",- Тезисы докл.ЛИ Всесоюзной коню.по когерентной и нелинейной оптике, Тбилиси, 1976, т.2, с.8.

23. Scavennec A, "Mismatch effects in synchronous pumping of the continously operated mode-locked dye laser" Opt, Comm., 1976, v. 17» p. 14-17.

24. Kim D.M., Kuhl J., Lambrich R. et al. "Characteristics of picosecond pulses generated from synchronously pumped cw dye laser system" Opt. Comm., 1978, vi 27, p. 123-126.

25. Siegman A.E., Kuizenga D.J. "Active mode-coupling phenomena in pulsed and continuous laser" Opto - Electronics, 1974, v. 6, p. 43-66.

26. Ausshnitt C.P., Jain U.K. "Pulse width dependence on intracavity bandwidth in synchronously mode locked cw dye lasers" Appl. Phys. Lett., 1978, v. 32, p. 727-730.

27. Haus H.A. "Theory of mode locking with a slow saturable absorber" IEEE J, of Quant. Electron., v. QE-11, 1975» p. 736-746.

28. Haus H.A. "A theory of forced mode locking" IEEE J. of Quant. Electron.,1975» v. QE-11, p. 323-330.

29. Haus H.A. "Theory of mode locking with a fast saturable absorber" J, of Appl. Phys., 1975» v. 46, p. 3049-3059»

30. Ланда П.С., Выгодны В.А. "О самосинхронизации люд в лазерах"-Квант.Электрон.,1977, т.4, с.769-776.43• Icsevgi A., Lamb W.E. "Propagation of light pulses in a laser amplifier" Phys. Rev., 1969» v. 185, p. 517-545.

31. Risken A., Hummedal K. "Self-pulsing in lasers" J. of Appl. Phys., 1968, v. 39, P. 4662-4672.

32. Mack M.E. "Superradiant travelling wave dye laser" -Appl. Phys. Lett., 1969» v. 15, P« 166-168.

33. Mollenauer L.F, "Color Center Laser" preprint Bell laboratories, USA, 1979, 89р.

34. Резонансные взаимодействия света с веществом", Ы.,Наука, 1977, 351с.

35. Ландау Л.Д.,Лившиц Е.М. "Статистическая физика". М.,Наука, I97G, ч.1, 583 с.

36. Васильева А.Б.,Бутузов В.Ф. "Асимптотические разложения решений сингулярно-возмущенных уравнении", М.,Наука, 1973, 127с.

37. Ахманов С,А,,Гадонас Р.,Данелгос Р. и др. "Спектроскопия возбужденных состояний и пикосекундная релаксация р -центра". Письма в ЖЭТФ, 1981, т.34, с.504-508.

38. Нехаенко В.А. "Анализ генерации сверхкоротких импульсов света при синхронной накачке четырехуровневых сред".-Вестник Московского университета,сер.3.Физика,астрономия, I98I,t.22,J3 6, C.93-S6.

39. Характеристики лазеров на АИГ:Д/А3+ при пассивной модуляции добротности кристаллами ЦГ с центрами окраски". Квант. Электрон.,1981,т.8,с.2239-2242.

40. Yamashita М., Sato (D. "Picosecond gain spectroscopy of a laser dye during mode locked laser action" Appl. Optics, 1982, v. 21, p. 2092-2095.61» Ковригин А.И., Нехаенко В.А., Першин C.M. и др.

41. Исследование динамики генерации лазеров на красителях при синхронной накачке ограниченным цугом иикосекундных импульсов. Теория и эксперимент" -Квант.Электрон., 1984, Т.Н. с.

42. Дьяков Ю.Е., Нехаенко В.А., Никитин С. 10.

43. Пятиволновая модель когерентного рамановского смешения". -Вестник Московского университета, сер.3.Физика, астрономия, 1981, т.22, J3 4, с.52-58.63• Бондаренко С.И., Дьяков 10.Е., Нехаенко В.А. и др.

44. К теории генерации КК-излучення при четырехуровневом процессе на основе неколлиниарного ЕЮ? и в резонаторе". Тезисы докл. II Всесоюзн.конф.ио когерентной и нелинейной оптике, Ленинград, 1978, т.2, с.117.

45. Дьяков 10.S., Нехаешсо В.А., Никитин С.Ю. "Пятиволновая модель когерентного рамановского смешения". Тезисы докл.Еее-союзн.конф.по нелинейному резонансному преобразованию частоты лазерного излучения, Ташкент, 1979, с.55-56.

46. Wyatt R., Gotter R. "Picosecond pulse generation in the infrared by stimulated Raman scattering in atomic vapours" Opt. Comm., 1980, v. 32, p. 481-484.

47. Fleming G.R., Waldeck D., Beddard G.S. "Application of synchronously pumped dye-lasers to time-resolved emission and absorption spectroscopy" NUOVO CIMEKTO, 1981, v. 63B, No 1, p. 151-173.

48. Mourov G.A., Sizer II 0?. "Generation of pulses shorter than 70 fs with a synchronously pumped cw dye laser" -Opt. Comm., 1982, v. 41, p. 47-48.

49. Forr R.L., Greene B.I., Shank C.V. "Generation of opticalpulses shorter than 0.1 psec by colliding pulse mode locking" Appl. Phys. Lett., 1981, v. 38, p. 671-672.

50. Sizer Т., Kafka J.D., Krisiloff A. et al. "Generation and amplification of sub-picosecond pulses using a frequency-doubled Nd:YAG pumping source" Opt. Comm., 1981, v.39» p. 259-262.

51. Oao W.b., Vaucher A.M., Lee C.H. "Synchronously pumped mode locked GaAs lasers" Appl. Phys, Lett., 1981, v. 38,1. P. 653-654.

52. Herrmann J., Motschmann U. "Theory of the synchronously pumped picosecond dye laser" Appl. Phys., 1982, v. B27, P. 27-37.

53. Herrmann J., Motschmann U. "Formation of synchronously mode-locked dye laser pulses" Opt. Comm., 1982, v. 40, p. 379-384.

54. Millar D.P., Zewail A.H. "Pulse substructure in passively and synchronously mode-locked cw dye lasers" Chem. Phys.,1982, v. 72, p. 381-389.

55. May P.G., Sibbett W., Smith et al. "Simultaneous autocorrelation and synchroscan streak camera measurement of cavity length detuning effects in a synchronously pumped cw dye lasers" Opt. Comm., 1982, v. 42, p. 285-290.

56. Басов II.Г. "Полупроводниковые квантовые генераторы" УФИ, I9S5, т.85, C.585-5S8.

57. Но Р.Т., Glasser L.A., Ippen Е.Р. et al. "Picosecond pulse generation with a cw GaAlAs laser diode" Appl. Phys. Lett., 1978, v. 33, p. 241-243.

58. Glenn W.H., Briensa M.J., DeMaria A.J. "Mode locking of an organic dye lasers" Appl. Phys. Lett., 1968, v. 12, P. 54-57.

59. Goldberg L.S., Moore C.A. "Transform-limited ps pulse generation in a synchronous mode-locked dye laser pumped by doubled NdsYAG laser" Appl. Phys. Lett,, 1975» v, 27, p. 217-219.

60. Moore C.A., Goldberg L.S. "Tunable UV and IR picosecond pulse generation by nonlinear mi ring using a synchronous mode-locked dye laser" Opt. Comm., 1976, v.16, p.21-23.

61. Wokaum A., Liao P.P., Freeman R.R. et al. "High-energy picosecond pulses: design of a dye-laser- amplifier system" Optics Letters, 1982, v. 7» P. 13-14.

62. Soffer B.H., Linn J.W. "Continously tunable picosecond-pulse organic-dye laser" J. Appl. Phys., 1968, v. 39, P. 5859-5862.

63. Ferguson A.J., Eckstein J.N., Hansch T.W. "A subpicosecond dye laser directly pung?ed by a mode-locked argon laser" -J. Appl. Phys., 1978, v. 49, p. 5389-5391.

64. Голубев В.А., Гончаров А.К., Майоров Л.П. и др. "Струйный лазер на красителе с накачкой второй гармоникой

65. ЛИГ: Aid34" лазера с модуляцией добротности и синхронизацией' мод"- Квант.Электрон., 1981, т. 8, с.II32-TI34.

66. Ferrario А. "1.1 infrared picosecond dye laser" -Opt. Comm., 1979» v. 30, p. 85-87.

67. Royb T.R., Ьее C.H. "Spectroscopy studies ill the picosecond domain with synchronously mode locked dye lasers" Appl. Phys. Lett., 1977, v. 30, p. 332-335.

68. Gallagher Ш.Р., Kachru R., Gounand P. "Simple linewidth-reducing modification for a Hansch dye laser" Appl. Optics, 1982, v. 21, p. 363 - 364.