§ 6.2. Задающие твердотельные генераторы

В настоящем параграфе мы кратко обсудим основные характеристики задающих твердотельных генераторов, используемых в фемтосекундных лазерных системах, имея в виду, что физические основы генерации пикосекундных импульсов с исчерпывающей полнотой освещены в литературе Основное внимание уделяется последним достижениям в области повышения спектрального качества, стабильности, воспроизводимости и уменьшения длительности импульсов задающих генераторов.

Пикосекундные импульсные твердотельные лазеры. Основным преимуществом импульсно накачиваемых твердотельных лазеров с пассивной синхронизацией мод является высокая энергия импульсов, сочетающаяся со сравнительно малой начальной длительностью.

Рис. 6.1. Схема импульсного твердотельного лазера с пассивной синхронизацией мод и электронным управлением добротностью резонатора: 1 — зеркало с кюветой, 2— электрооптический затвор, 3 — диафрагма, 4 — активный элемент, 5 — блок призм, 6 — выходное зеркало; 7 — вспомогательная призма, 8 и 9 — фотодиоды, 10 — усилитель, 11 — блок лавинных транзисторов, 12 — блок задержки; 13 — блок формирования импульса, управляющего добротностью [4]

Напомним типичные характеристики лазера на алюмоиттриевом гранате с пассивной синхронизацией мод: полная энергия цуга генерации до единичного импульса до при длительности от 20 до Лазеры на гранате могут работать с частотой повторения в единицы и десятки герц. Существенное улучшение стабильности и воспроизводимости генерационных характеристик подобных систем достигается за счет введения электронного управления добротностью резонатора [4, 103]. Схема генератора приведена на рис. 6.1. В качестве активного элемента использован двулучепреломляющий кристалл вырезанный вдоль оси В. Блок из трех призм обеспечивает настройку лазера на длину волны излучения Для пассивной синхронизации мод применялся раствор красителя № 3955 в изобутиловом спирте, помещенный в кювету, находившуюся в контакте с глухим зеркалом резонатора.

Рис. 6.2. Изменение во времени добротности резонатора и огибающей цуга излучения лазера I при управлении добротностью [4]

Управление добротностью осуществляется с помощью электрооптического затвора. Вначале на него подается запирающее напряжение, снижающее добротность резонатора (рис. 6.2). Часть энергии цуга, генерируемого в режиме пассивной синхронизации мод, отводится на фотодиоды. По достижении некоторого порогового значения мощности излучения, электронная схема вырабатывает синхроимпульс и включает цепь отрицательной обратной связи, которая снижает добротность резонатора до значения, близкого к порогу генерации. В это

время энергия пичков генерации поддерживается на постоянном уровне, а их длительность за счет действия поглотителя уменьшается. Этот процесс продолжается в течение регулируемого промежутка времени не. Затем формируется отпирающий импульс большой амплитуды, увеличивающий добротность резонатора до максимального значения. Благодаря высокому уровню инверсии активного элемента генерируется мощных пикосекундных импульсов.

Экспериментальные исследования этого генератора [4] показали, что за счет управления добротностью длительность генерируемых импульсов уменьшается с 35 до стандартное отклонение длительности и флуктуации энергии излучения, измеренные по второй гармонике, уменьшаются с десятков процентов до единиц.

Рис. 6.3. Уменьшение длительности частотно-модулированного импульса пр» его усилении: зависимость интенсивности и текущей частоты исходного-импульса от времени; контур линии усиления; в — выходной импульс

Наличие синхроимпульса, опережающего генерации на время, плавно регулируемое в пределах 300—1500 не с погрешностью ±5 не, позволяет решать технические проблемы синхронизации с другими импульсными устройствами. Применения этого задающего генератора в схемах формирования фемтосекундных импульсов видимого и УФ диапазонов приводятся в § 6.3, 6.5.

Перспективное направление совершенствования подобных систем связано с использованием контролируемой внутрирезонаторной фазовой самомодуляции. По расчетным данным [5] в резонаторах с малым числом Френеля фазовая самомодуляция однородна по сечению пучка, ее наличие приводит к уменьшению длительности импульсов вплоть до минимальных значений в определяемых шириной полосы усиления активного элемента. Физическая картина уменьшения длительности частотно-модулированного импульса при его усилении иллюстрируется рис. 6.3.

Активные элементы на основе силикатного или фосфатного стекла с неодимом имеют широкую полосу усиления (свыше и поэтому позволяют усиливать и генерировать субпикосекундные импульсы. Однако на практике пока не удается осуществить синхронизацию мод в пределах всей полосы усиления. Типичные значения

тельности импульсов заключены в интервале при энергии до Заметим, что высокое спектральное качество достигается, как правило, в начале цуга генерации. В условиях широкой неоднородно-уширенной линии усиления фазовая самомодуляция играет негативную роль, приводя к развитию автомодуляционной неустойчивости, появлению субструктуры и ухудшению спектрального качества.

Помещение в резонатор частотного фильтра может радикально изменить ситуацию [6]. Авторы исследовали генерационные характеристики импульсного лазера на фосфатном стекле с активной синхронизацией мод и модуляцией добротности. В качестве фильтра использовался эталон Фабри Перо толщиной с шириной полосы пропускания Благодаря фазовой самомодуляции и ограничению полосы усиления длительность импульсов в цуге монотонно уменьшалась от 40 до Наивысшее спектральное качество достигалось в конце цуга.

Непрерывно накачиваемые твердотельные лазеры с активной синхронизацией мод. Другим принципиально важным для фемтосекундной оптики классом задающих генераторов являются непрерывно накачиваемые твердотельные генераторы с активной синхронизацией мод. Использование квазинепрерывных систем открывает широкие возможности на стадии обработки сигналов: работа в режиме накопления, применение техники синхронного усиления, детектирования и т. д. Они генерируют импульсы длительностью с частотой повторения и средней выходной мощностью Стандартное отклонение флуктуаций выходной мощности на основной частоте излучения не превышает Удвоение частоты в кристалле КТР приводит к следующим значениям параметров: флуктуации мощности на уровне Импульсы этих лазеров на основной и удвоенной частотах успешно сжимаются с помощью волоконно-оптических компрессоров более чем в сто раз (обзор экспериментальных данных в § 6.4). Одной из основных областей их применения является синхронная накачка перестраиваемых по частоте лазеров на красителях.

Рис. 6.4. Схема YAG : Nd3+ лазера, работающего в режиме активной синхронизации мод и модуляции добротности: 1 — глухое сферическое зеркало, 2 — брюстеровская пластинка, 3 — активный элемент, 4 — акустооптический модулятор добротности, работающий в режиме бегущей волны, 5 — акустооптический синхронизатор мод, работающий в режиме стоячей волны, 6 — выходное зеркало [7]

Твердотельные лазеры с активной синхронизацией мод и модуляцией добротности. Преимущества импульсных (высокая энергия) и квазинепрерывных (высокая частота повторения, стабильность) систем удачно сочетаются в непрерывно накачиваемых твердотельных лазерах, работающих в режиме активной синхронизации мод и модуляции добротности. Одна из возможных схем лазера с двойной модуляцией представлена на рис. 6.4 [7]. Синхронизация мод

осуществляется акустооптическим модулятором со стоячей волной, для модуляции добротности используется акустооптический модулятор с бегущей волной. В режиме двойной модуляции излучение лазера представляет собой совокупность цугов пикосекундных импульсов, следующих с регулируемой частотой повторения Средняя мощность излучения на основной частоте средняя длительность импульса пиковая мощность - 2 МВт, число импульсов в цуге — 30, флуктуации энергии на уровне Эффективное удвоение частоты в кристалле КТР приводит к длительности импульсов второй гармоники при пиковой мощности

Рис. 6.5. Диаграмма работы YAG : Nd3 и лазера с двойной модуляцией: 1 — эффективность дифракции в акустооптическом модуляторе добротности, 2 — эффективность дифракции в синхронизаторе мод, 3 — огибающая цуга лазерного излучения [8]

Дальнейшее улучшение генерационных характеристик лазера на гранате с двойной модуляцией достигается за счет введения электронного управления добротностью резонатора и специального выбора режима работы [8] (рис. 6.5). Предварительное формирование временной структуры излучения производится в условиях низкой добротности резонатора, а затем, при резком увеличении добротности, происходит быстрое развитие цуга генерации. Электронная система обратной связи обеспечивает скачкообразный рост добротности резонатора в промежутке между пичками предварительной генерации. При оптимальном значении длительности свободной генерации формировались цуги спектрально-ограниченных импульсов с длительностью пиковой мощностью свыше (при частоте следования и уровнем флуктуаций энергии не более Частоту повторения цугов можно варьировать в интервале от единиц до десятков килогерц. Авторы [8] отмечают, что при использовании специальных режимов модуляции добротности частоту можно увеличить до сотен килогерц.

Генераторы с двойной модуляцией на основной или удвоенной частоте успешно используются для синхронной накачки лазеров на красителях, центрах окраски и параметрических генераторов, что

позволяет перекрыть весьма широкий диапазон длин волн спектрально-ограниченными импульсами с пиковой мощностью в десятки киловатт.

По-прежнему, широко применяются лазеры на ионах инертных газов (аргоновые и криптоновые). В режиме синхронизации мод они генерируют импульсы длительностью порядка с частотой повторения и средней мощностью свыше Основная область их применения — накачка лазеров на красителях.