CC BY
20
УДК 621.378.325
ЭФФЕКТ СТАБИЛИЗАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ГЕНЕРАЦИЯ ПИКОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ Ш:УАС ЛАЗЕРОМ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НЕЛИНЕЙНОГО ЗЕРКАЛА НА
КРИСТАЛЛЕ КТР
М. В. Горбунков, Л. А. Фомин, Ю. В. Шабалин
Обнаружен новый эффект стабилизации лазерного излучения при использовании нелинейного зеркала (на основе удвоителя частоты и дихроичного зеркала) в режиме самосинхронизации мод. В условиях стабилизации с помощью нелинейного зеркала на кристалле КТР и системы внешней отрицательной обратной связи достигнуто заметное сокращение длительности стабильных ультракоротких импульсов Nd:YAG лазера. Минимальная длительность на длине волны 1.064 мкм не превышала 7 пс. Предложен механизм такого режима генерации.
Для генерации твердотельными лазерами пикосекундных импульсов все чаще находит применение режим самосинхронизации мод с использованием нелинейного зеркала, которое образовано внутрирезонаторным кристаллом - удвоителем частоты и дихро ичным зеркалом [1-3]. Главное преимущество такого подхода - переход к чисто твердотельной технологии без использования жидкостных насыщающихся поглотителей. Другой положительной особенностью является попутная генерация излучения на удвоенной частоте. Достижению предельно короткой длительности светового импульса препятствует эффект группового запаздывания взаимодействующих волн [3]. Характер]* масштаб группового запаздывания составляет несколько пикосекунд. Для удвоителе л с оее типом взаимодействия (при преобразовании излучения с длиной волны 1.064 .п а таким является кристалл КТР) указывалось на негативную роль спектральной селек ции по механизму, аналогичному действию поляризационного фильтра Лио [1]. Именно
спектральная селекция считалась основной причиной генерации импульсов длительностью 25 - 30 пс непрерывным [3] и стабилизированным отрицательной обратной связью импульсным [2] лазерами при использовании КТР в качестве элемента нели-
нейного зеркала. В настоящей работе мы сообщаем о наблюдении эффекта стабилизации излучения УУс/:УА(7 лазера с внутрирезонаторным кристаллом КТР, который сопровождался значительным сокращением длительности импульса.
Рис. 1. Экспериментальная установка.
Эксперименты проводились на установке, схема которой показана на рис. 1. Для достижения повышенной мощности излучения в кристалле КТР размерами 4x4x6 мм' был использован несимметричный трехзеркальный резонатор с областью острой фо кусировки вблизи выходного дихроичного зеркала 3. В экспериментах использовалось дихроичное зеркало с коэффициентом отражения 26% на основной частоте и 98% на частоте второй гармоники.
Зеркала 3 и 2 - вогнутые с радиусами кривизны 50 и 300 мм соответственно, зеркало 1 - плоское. Все подложки зеркал - клиновидные. Расстояние между зеркалами
1 и 2 выбрано равным 1210 мм, между 2 и 3 - 210 мм, что соответствует середине области устойчивости. При этом радиус перетяжки составляет IV = 60.ик\и; расстояние от перетяжки до дихроичного зеркала - 48 .ил»; характерная длина перетяжки
2 = "Г2" = 1 см- Ддя селекЦии низшей поперечной моды вблизи зеркала 2 установлена переменная диафрагма с минимальным диаметром 0.6 мм.
В качестве активного элемента использовался 1\<1:УАС стержень размерами об х 60 мм. Лазер работал в импульсном режиме с частотой повторения 1 Гц. Энергия накачки регулировалась и составляла приблизительно 40 Дж. Для стабилизации излучения и генерации ультракоротких импульсов применена система внешней оптоэлектроннои отрицательной обратной связи. Использован внутрирезонаторный затвор, состоящий из ячейки Поккельса на основе кристалла БКБР размерами 8x8x20 .vi.it3 (продольный электрооптический эффект) и многослойного поляризатора, установленного под углом, немного превышающим угол Брюстера. Полуволновое напряжение составляло 4.8 к В при двух проходах через кристалл. В качестве управляющего полупроводникового элемента, фототок которого заряжает емкость ячейки, использована многокомпонентная кремниевая высоковольтная структура с предельным напряжением > ЗкВ [4]. При менена схема управления на основе простейшего релаксатора, аналогичная [5]. Для управления используется прошедшее через зеркало 3 излучение на длине волны 1.06 мкм. Световой пучок коллимируется линзой с фокусным расстоянием 40 мм, проходит через поворотную призму и, отразившись от зеркала, попадает на полупроводниковый элемент оптоэлектронной системы управления. Передвигая призму, можно было менять величину оптической задержки, подбирая ее таким образом, чтобы обеспечить оптимальный режим синхронизации мод.
Энергия излучения измерялась калориметром ИМО-2. Форма импульсов регистри ровалась на экране запоминающего осциллографа С8-12 с помощью быстрого кремни евого рт-диода и фиксировалась на фотопленку. Для исследования тонкой временной структуры излучения и измерения длительности отдельных импульсов использовалась электронно-оптическая камера с линейной разверткой "Агат-СФЗМ". Была применена специальная система синхронизации, которая давала возможность выделять излучение из разных мест цуга в диапазоне задержек 1 - 100 мкс при нестабильности синхрони зации ±150 пс. Это позволяло регистрировать излучение в каждой вспышке лазера на максимальной скорости развертки "Агат-СФЗМ" при предельном временном разрешении 2 пс.
Эксперименты, выполненные при отключенной системе отрицательной обратной связи, показали, что в зависимости от величины фазового набега между основным излучением и излучением второй гармоники на пути кристалл КТР - дихроичное зеркало и подстройки угла синхронизма, удавалось получать цуги ультракоротких импульсов, существенно отличающиеся как по форме огибающей, так и по длительности отдел!, ных импульсов. Эффект стабилизации излучения устойчиво наблюдался (необходима
Рис. 2. Цуг импульсов в режиме стабилизации. Внешняя отрицательная связь отключена. Цена деления 0.5 мкс/дел.
угловая подстройка), когда величина расстояния между кристаллом КТР и дихроич-ным зеркалом составляла 45 - 60 мм. При увеличении расстояния свыше 65 мм ста билизация не достигалась. В режиме самосинхронизации мод при задержке 65 75 мм генерировались цуги ультракоротких импульсов с колоколообразной формой огибающей длительностью 200 - 300 не. Длительность отдельного импульса была на уровне 40 60 пс. При стабилизации длительность огибающей многократно увеличивалась, наблю дался характерный срез вершины. Вид такого цуга показан на рис. 2. Максимальная длительность цуга импульсов составляла 4 - 5 мкс, а длительность отдельного импульса сокращалась до 15 - 40 пс. Режим самосинхронизации имел статистический характер, воспроизводимость цугов не достигалась. Вероятность генерации одиночного на аксиальном интервале'ямпульса не превышала 60%. Эксперименты, выполненные с использованием внешней отрицательной обратной связи, которая обеспечила высокую воспроизводимость параметров излучения, позволили детально проследить процесс сокращения длительности импульса в режиме стабилизации, показали возможность достижения ее предельного значения.
Настройка лазерной системы производилась в следующей последовательности. Вначале в отсутствие кристалла КТР подбиралась оптическая задержка и за счет действия сдвинутой во времени отрицательной обратной связи осуществлялся режим самосинхронизации мод. Длительность импульса при оптимальной задержке составляет 150-200 пс. Далее устанавливается кристалл КТР, а величина задержки увеличива ется на приращение оптического пути в кристалле. Следует отметить, что при внесении сильно расстроенного из условий синхронизма кристалла наблюдалось многократ-
ное увеличение длительности импульсов, которое связано с селектирующим действием непросветленного кристалла КТР. При приближении к фазовому синхронизму происходило резкое возрастание излучения второй гармоники и сокращение длительности импульсов.
Рис. 3. Цуг импульсов. Расстояние от кристалла КТР до дихроичного зеркала 6.5 см. Цена деления 20 мкс/дел.
В условиях, когда стабилизация не достигается, максимальное сокращение дли тельности реализовывается при уменьшении чувствительности цепи отрицательной обратной связи (и увеличении средней мощности) до предельного значения, соотве! ствующего возникновению самомодуляции огибающей на вершине цуга. Дальнейшее незначительное уменьшение чувствительности приводит к развалу огибающей на отдельные импульсы микросекундной длительности. Лучший результат в этом случае - генерация длинных (60 мкс) гладких цугов ультракоротких импульсов длительностью 30 - 40 пс. Причем минимальная длительность реализуется вблизи максимума огибающей. Вид такого цуга представлен на рис. 3.
Установка кристалла в положение, в котором без отрицательной обратной свят генерировались микросекундные цуги импульсов, позволила реализовать дополнительную стабилизацию излучения. При этом удавалось значительно снизить чувствитель ность цепи отрицательной обратной связи без развала огибающей. Характерны!, вид огибающей цуга показан на рис. 4.
Рис. 4. Режим дополнительной стабилизации. Цена деления 10 .икс в клетке.
На начальном этапе формируется гладкая огибающая. В момент времени, когда цуг, полученный в условиях без стабилизации, претерпевает развал, наблюдается быстрый рост до конечного значения интенсивности, переходной процесс и установление на новом уровнее мощности. Затем, когда интенсивность падает ниже определенного уровня, про исходит второе переключение и образуется резкий задний фронт цуга импульсов (рис. 4). Максимальная длительность, измеренная между моментами переключений, соста вила 60 мкс. Воспроизводимость таких цугов была практически 100%. Усредненная по цугу мощность излучения второй гармоники, прошедшей через зеркало 2, коэффициент отражения которого на длине волны 0.53 мкм был менее 6%, составила 5 - 7 Вт.
Детальные измерения временной структуры импульса проводились на длине волны 1.064 мкм. На входную щель камеры "Агат-СФЗМ" направлялся пучок света, отраженного от поляризатора. Измерения показали, что после начального этапа формировани я длительностью порядка 5 мкс, на аксиальном интервале генерировался одиночный им пульс. Сразу после первого переключения длительность импульса составляет 40-50 пс.
Во время установления возможно возникновение крыльев и тонкой временной структуры импульса. В дальнейшем импульс становится гладким и бесструктурным, а его длительность монотонно уменьшается. Минимальная длительность зарегистрирована за5-10жксдо момента второго переключения. Без учета конечного временного разре шения камеры она составила 6 ± 1.3 пс. Фотография с экрана камеры "Агат-СФЗМ" и соответствующая ей микроденситограмма почернения представлена на рис. 5. Оценка длительности гауссова импульса, спектр которого ограничен пропусканием поляриза-
•.• % ямн
fe.'.' 1ЙЙ
Jt: £ •
г ■
'г
ШШ^Шт
. *••..••• •>'•••;• . . • Л"
Рис. 5. Фотография с экрана камеры "Агат-СФЗМ" и соответствующая ей микроденси-тограмма импульса минимальной длительности.
ционного фильтра, образованного кристаллом КТР, в комбинации с конечной шириной линии усиления активной среды (вблизи момента второго переключения достигалось более чем пятикратное усиление) дает не менее 4.5 пс. Таким образом, режим стабили зации позволил достигнуть почти предельную в условиях эксперимента длительное i ь импульса.
Обнаруженный эффект стабилизации мощности излучения, который никак не своп ственен режиму пассивной самосинхронизации мод, позволяет сделать вывод о pea лизации механизма формирования ультракороткого импульса, отличного от механиз ма действия нелинейного зеркала, предложенного в [1]. На наш взгляд, реализованный в экспериментах режим по механизму близок к режиму нелинейной фазовой самосин хронизации мод за счет применения внутрирезонаторной малоинерционной Керровскон среды и быстрого насыщающегося поглотителя, роль которых играл кристалл КТР. Новые свойства этого элемента нелинейного зеркала, по нашему мнению, связаны с возникновением эффективного нелинейного показателя преломления при генерации второй гармоники в условиях небольшой отстройки от угла фазового синхронизма [6], которое приводит к нелинейной фазовой самомодуляции импульса. При взаимодействии такого импульса со спектральным фильтром происходит уменьшение длительности и измене ние формы. Существенно, что потери энергии импульса в этом случае зависят от спек трального уширения импульса, вызванного самомодуляцией, и увеличиваются с ростом
мощности излучения. Это позволяет реализовать стабилизацию лазерного излучения за счет внутренней отрицательной обратной связи. Роль нелинейного зеркала сводит ся к устранению характерных крыльев, возникающих при прохождении спектрального фильтра импульсом света с нелинейной самомодуляцией фазы. Положительная связь, присущая нелинейному зеркалу, в режиме стабилизации подавляется отрицательной Отметим, что в дополнение к эффекту стабилизации в пользу предложенной модели ге нерации свидетельствует и близкая к предельной длительность импульса, характерная для режима нелинейной фазовой синхронизации мод [7].
В заключение авторы выражают благодарность Н. А. Борисевичу, В. А. Петухову и А. В. Масалову за полезные обсуждения, М. А. Семенову и Г. Г. Дьяченко за помощь в обработке результатов.
Работа частично поддержана Федеральной Программой "Интеграция" (проект А0133), ФЦП, подпрограмма "Физика квантовых и волновых процессов" проект N 108-01 (00-п), грантами РФФИ N 00-02-17060 и N 00-02-16419.
ЛИТЕРАТУРА
[1] S t а п k о V К. А.,
[2] В и с h V а г о V I., 51 (1995).
[3] С е г u 1 1 о G-, D (1994).
[4] Gorbuncov М. V., V о г с h i к D. В. CLEO/Europe'96, CtH161, p. 282.
[5] Г о р б у н к о в М. В., В о р ч и к Д. Б. МФТИ, Москва, 1994, с. 123-127.
[6] О с т р о в с к и й Л. А. Письма в ЖЭТФ, 5, вып. 9, 331 (1967).
[7] Von der Linde D. and M a 1 v e z z i A. M. Appl. Phys. B, 37, 1 (1985).
Поступила в редакцию 20 декабря 2000 г.
Jethwa J. Opt. Comm., 66, no. 1, 41 (1988). Satiel S., Gagarskii S. Opt.Comm., 118. no. 1-2,
a n a i 1 о v M. В. et al. Appl. Phys. Lett., 66, no. 19, 2392
