Усиление и генерация когерентного излучения на основе модуляции света тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Новый принцип усиления света

1.1. Введение

1.2. Известные механизмы усиления света

1.3. Механизм усиления света в опто-электронном усилителе

1.4. Теоретическое описание

Глава 2. Экспериментальная реализация опто-электронного усилителя света

2.1. Исследование характеристик опто-электронного усилителя

2.2. Обсуждение результатов

Глава 3. Генерация когерентного излучения на основе модуляции

3.1. Введение

3.2. Схема и теоретическое описание

3.3. Эксперимент: порог, модовая структура, КПД

Глава 4. Режимы работы и динамический хаос в опто-электронном генераторе

4.1. Введение

4.2. Режимы генерации опто-электронного генератора

4.3. Размерность наблюдаемого динамического хаоса

Глава 5. Преобразование мощности и частоты в опто-электронном генераторе

5.1. Введение

5.2. Стабилизация мощности излучения в ОЭГ

5.3. Стабилизация частоты излучения в ОЭГ 85 Заключение 93 Литература

Введение

Одной из задач современной квантовой электроники является создание устройств, расширяющих область применения лазерной техники. Научные и технические лаборатории по-прежнему нуждаются в лазерных источниках излучения с разнообразным набором свойств. Наряду с поиском новых лазерных сред остается актуальной задача улучшения характеристик излучения имеющихся лазеров. Данная работа посвящена созданию двух новых устройств квантовой электроники, предназначенных для преобразования когерентного лазерного излучения:

- опто-электронного усилителя и

- опто-электронного генератора на его основе.

Созданный нами опто-электронный усилитель когерентного излучения является устройством нового типа. В нем усиливаемый световой сигнал сначала преобразуется в радиочастотный сигнал, а затем с помощью модулятора света осуществляется обратное преобразование радиочастотного сигнала в свет. При этом на каждом этапе преобразования происходит сохранение фаз волн и поэтому выходная световая волна когерентна с входной. Предложенное устройство названо нами опто-электронным усилителем света на основе модуляции. Оно не имеет аналогов в современной лазерной технике. Идея этого усилителя зародилась в процессе проведения исследований так называемой опто-электронной петли (источник света с обратной связью) применяемой для стабилизации мощности излучения лазеров [1]. В первых экспериментах с опто-электронной петлей был обнаружен эффект усиления света с коэффициентом усиления 6,7 раза. Столь небольшое усиление было связанно с использованием электро-оптического модулятора света в качестве основного элемента, требующего для своего управления напряжений в сотни вольт. Для развития эффекта была предложена схема оптического усилителя на основе акусто-оптического модулятора света. В результате управляющие напряжения снизились почти на два порядка, и стало возможным перейти от демонстрации эффекта в область возможных практических приложений. Таким образом, целью данного диссертационного исследования явилось осуществление нового принципа усиления света и выявление его основных закономерностей.

Второе из упомянутых устройств - опто-электронный генератор света - содержит опто-электронный усилитель в качестве ключевого элемента. Аналоги опто-электронного генератора света на основе модуляции известны в научной литературе, однако свойства таких генераторов как преобразователей когерентного лазерного излучения не изучены.

Чтобы установить место опто-электронного усилителя света среди других, упомянем наиболее распространенные типы усилителей:

- усилитель с инверсией рабочих уровней (на вынужденном испускании света),

- усилители на процессах вынужденного рассеяния: на вынужденном комбинационном рассеянии, на вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ),

- параметрический усилитель,

- фоторефрактивный усилитель,

- усилители на двух- и четырехволновом смешении, и так далее.

Перечисленные усилители, за исключением усилителя с инверсией рабочих уровней, требуют когерентной лазерной накачки. Поскольку для работы опто-электронного усилителя также необходима когерентная лазерная накачка, его следует сопоставлять именно с этой группой усилителей. Наиболее сильной привлекательной чертой опто-электронного усилителя является практически неограниченный коэффициент усиления. По этому параметру единственным конкурентом может служить лишь усилитель на ВРМБ. Однако требуемая мощность накачки для опто-электронного усилителя при сравнимых коэффициентах усиления на несколько порядков меньше. Для накачки опто-электронного усилителя достаточны десятки и сотни милливатт лазерной мощности. По требованиям к мощности накачки лишь фоторефрактивные усилители сопоставимы с опто-электронными. Кроме того, опто-электронный усилитель может работать в непрерывном режиме. Усиление оптических сигналов в непрерывном режиме свойственно лишь усилителям на вынужденном испускании (и фоторефрактивным), а все другие усилители используются лишь при импульсной накачке. Возможность непрерывного режима при опто-электронном усилении связана с принципиальной особенностью: опто-электронный усилитель является устройством линейной оптики, в то время как другие усилители с когерентной накачкой относятся к нелинейно-оптическим устройствам и поэтому требуют для своей работы значительных интенсивностей пучка накачки. Кроме того, узлы опто-электронного усилителя допускают вариацию параметров в широких пределах, что не всегда осуществимо в случае нелинейных сред. Именно эти обстоятельства делают исследования опто-электронного усиления актуальными.

Необходимо отметить, что известные оптические усилители имеют весьма отличающиеся области применения. Так, усилители с инверсией пригодны для усиления пространственно сложных пучков несущих изображение. Усилители на процессах вынужденного рассеяния оказались привлекательными в связи с возможностью укорочения длительности световых импульсов. Параметрические усилители привлекательны из-за возможности перестройки длин волн усиливаемого излучения. Возникает вопрос о возможной области применения опто-электронного усилителя света. Очевидными областями применения опто-электронного усилителя являются:

- спектральная фильтрация, излучения, осуществляемая благодаря большим коэффициентам усиления;

- генерация когерентного света в режиме преобразования лазерного излучения накачки. В рамках диссертационного исследования был создан опто-электронный генератор когерентного света, в котором опто-электронный усилитель является главным звеном. Такой генератор является по существу преобразователем лазерного излучения. Наши исследования, проведенные в рамках данной диссертационной работы, показали, что в процессе этого преобразования характеристики лазерного излучения (стабильность мощности и частоты) могут быть улучшены. Таким образом, практическое значение диссертационного исследования связано с опто-электронным генератором света.

Таким образом, привлекательными чертами опто-электронного усилителя являются: большой коэффициент усиления, низкие требования к мощности накачки, а значит и возможность работы в непрерывном режиме. Узкая полоса усиления опто-электронного усилителя (сотни кГц) не может рассматриваться как недостаток, поскольку в ряде приложений, связанных со спектральной фильтрацией излучения, такая полоса может оказаться весьма полезной. К недостаткам опто-электронного усилителя можно отнести требование пространственной когерентности усиливаемого излучения и волны накачки.

На основании вышеизложенного, в задачу данного диссертационного исследования вошло: создание опто-электронного усилителя света на основе акусто-оптической модуляции; исследование его свойств и в особенности собственных шумов; создание генератора света на основе опто-электронного усилителя; исследование режимов его работы и изучение характеристик генерируемого света.

Диссертационная работа состоит из пяти глав. В первой главе описаны принцип действия и конструкция опто-электронного усилителя, а также теоретически исследованы его основные характеристики:

- коэффициент усиления,

- полоса частот,

- собственные шумы,

- диапазон линейности, и т.п.

Приведены основные соотношения, описывающие характеристики усилителя.

Во второй главе описаны результаты экспериментального исследования характеристик опто-электронного усилителя. Основное внимание уделено изучению собственных шумов усилителя. По результатам исследований сделано заключение о применимости усилителя в качестве генератора света.

В третьей главе описаны результаты исследований генератора света основанного на опто-электронном усилителе. Представлены данные о пороге генерации, КПД и модовой структуре. Приведены также расчетные формулы для этих характеристик. Сделано

Опто-электронный усилитель света - новый прибор квантовой электроники, предложенный в [2,3]. Он относится к классу линейных фазонечувствительных и фазосохраняющих усилителей. Оптическая схема опто-электронного усилителя приведена на рис.1. Процесс усиления в нем происходит в два этапа. На первом этапе входной оптический сигнал преобразуется с помощью гетеродинного фотодетектора в радиочастотный сигнал с сохранением амплитудных и фазовых соотношений между компонентами сигнала. На втором этапе усиленный радиочастотный сигнал преобразуется в звук в акусто-оптическом модуляторе (АОМ) и производит дифрагированную световую волну на исходной частоте, эквивалентную входному сигналу. Для работы опто-электронного усилителя необходим пучок когерентного (лазерного) света, который служит как в качестве гетеродинной волны, так и для "запитки" АОМ. При этом за счет энергии лазерного излучения мощность выходящего света может быть сделана на несколько порядков выше мощности входного сигнала. Полоса усиления опто-электронного усилителя определяется областью рабочих частот АОМ, что составляет сотни кГц. Величина коэффициента усиления в таком усилителе может варьироваться в весьма широких пределах за счет коэффициента усиления электронного тракта. Наиболее серьезное ограничение опто-электронного усилителя состоит в том, что усилению подлежат только сигналы, пространственно когерентные с излучением лазера накачки.

К числу наиболее важных характеристик оптического усилителя относится:

Рис. 1. Схема опто-электронного усилителя света на основе акустооптического модулятора.

АОМ - акустооптический модулятор,

ФД - фотодиод,

СД - светоделительное зеркало.

- Величина коэффициента усиления

- Спектральная ширина полосы усиления

- Требования к пространственной когерентности

- Уровень шумов

- Уровень мощности сигнала, насыщающего усилитель. Все эти характеристики подвергнуты изучению в процессе диссертационного исследования.

Основные результаты проведенных исследований относятся к двум новым устройствам квантовой электроники: оптическому усилителю на основе акусто-оптического модулятора и опто-электронному генератору (преобразователю) света на основе акусто-оптического модулятора.

1. Предложен и экспериментально реализован оптический усилитель на новом принципе, где усиление когерентного излучения осуществляется за счет преобразования усиливаемого света в радиочастотный сигнал с последующим обратным преобразованием в свет. Данный опто-электронный усилитель сохраняет фазу усиливаемой световой волны независимо от ее величины на входе. Основными характеристиками данного усилителя являются: величина коэффициента усиления, определяемая как коэффициентом усиления радиочастотного сигнала в электронном тракте, так и мощностью лазерного излучения, используемого для накачки. Энергия усиленного излучения черпается из энергии пучка накачки, что ограничивает сверху область линейности данного усилителя. Экспериментально достигнуты коэффициенты усиления до 10 по интенсивности.

- полоса усиления, определяемая шириной полосы рабочих частот АОМ и составляющая в реализованном усилителе 400 кГц.

- принципиальным шумом усилителя является пуассоновский шум гетеродинной волны, его величина в единицах "фотон на моду" (отнесенная ко входу) составляет 1/rjT (rj - квантовая эффективность входного фотодиода, Т - пропускание входного зеркала), что может лишь незначительно превосходить квантовый предел, равный 1-1/G. В реализованном усилителе шумы превосходят квантовый предел "один фотон на моду" на 44% (в широком диапазоне коэффициентов усиления) в хорошем согласии с теоретическими оценками.

Возможной областью применения данного усилителя является генерация света в преобразователях лазерного излучения.

Другой возможной областью применения опто-электронного усилителя является узкополосная фильтрация излучения с одновременным усилением. По ширине полосы пропуская ему нет равных в оптике. Крайне привлекательным свойством такого фильтра является возможность усиления в 106 раз и более.

2. Реализован опто-электронный генератор когерентного излучения на основе опто-электронного усилителя света. Данный генератор является преобразователем пространственно когерентного лазерного излучения с изменением частоты на величину рабочей частоты АОМ, т.е. - на десятки МГц. Основными характеристиками генератора являются:

- порог генерации, определенный, главным образом, величиной эффективного напряжения АОМ, а также коэффициентом усиления усилителя в электронном тракте. В реализованном устройстве порог генерации составляет десятки мВт.

- КПД преобразования, который может быть близок к единице; реализован КПД около 90%.

Основной областью применения опто-электронного генератора является преобразование лазерного излучения со стабилизацией его характеристик: мощности и частоты.

2.а. С ростом мощности накачки опто-электронный генератор демонстрирует последовательность режимов:

- режим стационарной генерации;

- режим пульсации выходного излучения с "основным" периодом(20 мкс);

- режим удвоения периода пульсаций;

- режим динамического хаоса.

Качественно, последовательность режимов соответствует известному сценарию возникновения динамического хаоса в нелинейных системах. Оценена размерность динамического хаоса в ОЭГ. Она оказалась близкой к значению 2,3.

2.6. В условиях стационарной генерации ОЭГ реализован режим стабилизации мощности излучения. Продемонстрировано, что в диапазоне сотен Гц подавление флюктуации входной мощности в 10 раз.

2.в. Предсказана возможность осуществления режима стабилизации частоты выходного излучения ОЭГ. Для такой стабилизации необходимо внести временную задержку в световой пучок, падающий на АОМ, величина которой равна задержке в электронном тракте АОМ.

2.г. Предсказана возможность измерения ширины линии лазерного излучения по ширине спектра радиочастотного сигнала ОЭГ, работающего в режиме стабилизации частоты.

В заключение хотелось бы выразить искреннюю признательность моему научному руководителю Масалову Анатолию Викторовичу за активную помощь и поддержку в ходе данной работы. Также хотелось бы поблагодарить участников исследований, проводимых в группе квантовой оптики, в частности Васильева М.В. и Конопского В.Н., а также Молчанова В.Я. за создания уникальных акусто-оптических модуляторов.

Заключение

1. Masalov A.V., Putilin A. A., Vasilyev M.V. Anticorrelation state of light and photocurrent shot-noise suppression in closed optoelectronic loop. Laser Physics, vol.4, No. 4, 1994, pp.653-662.

2. Masalov A.V., Putilin A.A., Vasilyev M.V. Sub-Poissonian light and photocurrent shot-noise suppression in closed optoelectronic loop. Journal of Modern Optics, 1994, vol. 41, No. 10, 1941-1953.

3. Земсков К.И., Казарян M.A., Петраш Г.Г., Труды ФИАН 206, 1991, 3-62.

4. Poelker М., Kumar P. Optics Letters, vol.17,№ 6,1992,399-401.

5. Smithey D.T., Belsley M., Wedding K., and Raymer M.G., Phys.Rev. Letters 67, №18, 1991, 2446-2449.

6. Клышко Д.Н. ЖЭТФт. 90, вып. 4, 1986, 1172-1181.

7. Клышко Д.Н. Фотоны и нелинейная оптика, Москва "Наука", 1980.

8. Одулов С.Г., Соскин М.С., Хижняк А.И. Лазеры на динамических решетках, Москва "Наука", 1990.

9. Быков В.П., Дубрович В.К. Краткие сообщения по физике №9(1989).

10. П.Зельдович Б.Я., Собельман И.И. УФН, 101, 1 (1970).

11. Люиселл У. Излучение и шумы в квантовой электронике, Москва "Наука", 1972.

12. Haus Н.А., Mullen J.A. Phys. Rev., 128, 2407 (1962).

13. Caves C.M. Phys. Rev. D 1982. V. 26. N 8. P. 1817-1839.

14. Клышко Д.Н. Квантовая Электроника т.4, 1977, с 1056.

15. Morley R.J., Baker H.J., Hall D.R., Harris M., Vaughan J.M.Applied Optics vol. 33,№ 18, 1994,3951-3963.

16. Масалов A.B., Путилин A.A. Квантовые шумы модуляционного усилителя света. Оптика и Спектроскопия, 1997, том 82, No.6, с. 896900.

17. Бабкина Т.В., Григорьянц В.В., Ильин Ю.Б.,Прокофьев В.А. Квантовая электроника 18, №2(1991), 259-261.

18. Бабкина Т.В., Григорьянц В.В., Ильин Ю.Б., Лобанов А.А., Квантовая электроника, 18, №12 (1991)1498-1502.

19. X.Steve Yao, Lute Maleki JOSA В 13, №8, 1725-35(1996).

20. X.Steve Yao, Lute Maleki Journal of Quantum Electronic , QE-32, (1996) p 1141-49.

21. X.Steve Yao, Lute Maleki Optics Letters vol. 21,№ 21 (1996)383-385.

22. Neyer A., Voges E., Appl. Phys. Lett. 40, 6 (1982).

23. X.Steve Yao, Lute Maleki, Electron. Lett. 30, 1525 (1994).

24. Konopsky V.N., Masalov A.Y., Putilin A.A., Vasilyev M.V. "Optical amplifier and oscillator based on modulation" in Coherence and Quantum Optics VII, Eds. J.Eberly, L.Mandel, E.Wolf, Plenum Press, New York, 1996, p. 167.

25. Konopsky V.N., Masalov A.V., Putilin A.A., Vasilyev M.V. Quantum noise of light during amplification and oscillation in opto-electronic loop. Proceedings SPIE, 1996, vol. 2799, pp.172-181.

26. Мун Ф., Хаотические колебания, Москва, Мир, 1990, стр.35.

27. Масалов А.В., Ораевский А.Н., Квантовая электроника, 23, №Ю(1996), 933-937.

28. Haken Н., Synergetics (Springer, Berlin, 1978).

29. Nicolis G. and Prigogine I., Self-Organization in Non-equilibrium Systems (Wiley, N.Y., 1977).

30. Фейгенбаум M. УФН, 141, 343 (1983).

31. Garmire E., Marburger J.H., Allen S.D. Apll. Phys. Lett. 32(5),1978, 320-321.

32. Grigorieva E.V., Kashchenko S.A., Loiko N.A. and Samson A.M., PhysicaD 59, (1992), 297-319.

33. Ораевский A.H. Труды ФИАН, 171,3 (1986).

34. Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники №10, 1997.

35. Abarbanel Н., Tools for the Analysis of Chaotic Data, inNonlinear Signal and Image Analysis, eds by J.Robert Buchler and Henry Kandrup, NY 1997.

36. Sparrow C. The Lorenz Equation: Bifurcations, Chaos, and Strange Attractors (Springer-Verlag, 1982, New York Heidelberg Berlin).

37. Балакший В.И., Нагаева И.А., Квантовая электроника, 23, №3(1996), 261-264.