CC BY
24
УДК 621.378.325
ГЕНЕРАЦИЯ РЕГУЛЯРНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ МИКРОЦУГОВ КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ С ДИСКРЕТНО ВАРЬИРУЕМЫМ ПЕРИОДОМ СЛЕДОВАНИЯ
М. В. Горбунков1, Ю. Я. Маслова, В. А. Петухов, М. А. Семенов, Ю. В. Шабалин
В М<1:УАР лазере с ламповой накачкой, управляемом оптоэлектронной отрицательной обратной связью на основе электр о оптического кристалла ДКДП, реализован режим генерации миллисекундной последовательности микроцугов коротких импульсов с дискретно варьируемым периодом следования. Периоды следовать микроцугов фиксированы и определяются резонансами сдвиговых акустических колебаний кристалла. Конструкция резонатора позволила реализовать селективное возбуждение первых десяти акустических мод в диапазоне периодов 8 — 0.5 мкс.
Ключевые слова: твердотельный пикосекундный лазер, автоколебания, сдвиговые акустические волны, электрооптический модулятор.
Системы отрицательной обратной связи (ООС) используются как для стабилизации мощности выходного лазерного излучения, так и для синхронизации мод [1, 2]. Область устойчивости лазерных систем, управляемых ООС, ограничена: при увеличении усиления они демонстрируют нелинейную динамику в виде регулярных или хаотических пульсаций. Отдельный интерес представляет генерация большого числа микроцугов пикосекундных импульсов с заданным периодом следования. Возможность использования режима генерации миллисекундных последовательностей регулярных микроцугов пикосекундных импульсов обсуждалась нами в работе [3]. Рассматривалось их применение в спектроскопии больших органических молекул, охлажденных в сверхзвуковой
струе, а также в целях повышения эффективности томсоновского лазерно-электронного генератора рентгеновского излучения для медицинских применений. Режим регулярной последовательности микроцугов пикосекундных импульсов с регулируемым периодом был изучен теоретически и экспериментально [3]. Он был реализован за счет опто-электронной системы ООС, использующей излучение, отраженное от поляризатора внутрирезонаторной ячейки Поккельса. Было показано, что для практического применения пригодны режимы с периодом Т, равным 25-75 времен обхода резонатора ТТ. Для резонатора стандартной длины Тт — 5— 10 не Т лежит в субмикросекундном диапо-зоне. В экспериментах [3] использовался модулятор из ТаЫОз, для которого характерно отсутствие вторичного электрооптического эффекта. При воздействии напряжения на кристалл, обладающий вторичным электрооптическим эффектом, деформация кристалла за счет обратного пьезоэффекта вызывает существенную дополнительную деполяризацию вследствие упругооптического эффекта. При использовании такого кристалла в составе ячейки Поккельса воздействие периодического напряжения с частотой, соответствующей собственным сдвиговым акустическим колебаниям кристалла, многократно уменьшает (по сравнению со статическим значением) величину напряжения, необходимого для 100% модуляции света [4, 5]. Существенно, что при этом амплитуда пьезо-оптических резонансов практически не зависит от частоты колебаний. Резонансные частоты колебаний [6] определяются по формуле [7]:
где п = 1,3,5,...2к — 1, к - целое число, V - скорость сдвиговых волн в кристалле, <1 сторона квадратного сечения кристалла. На рис. 1 показано пропускание ячейки Поккельса в поперечном сечении в условиях резонансного возбуждения четырех первых мод сдвиговых акустических колебаний в кристалле квадратного сечения. Существенное проявление вторичного электрооптического эффекта в кристаллах группы симметрии 42т отмечалось еще в ранней работе [4].
При разработке импульсно-периодических лазеров с использованием модуляторов на основе кристаллов группы симметрии 42т (КДП, АДП, ДКДП), проявление вторичного электрооптического эффекта является крайне нежелательным, его подавление осуществляется специальной конструкцией кристалла и его крепления [8]. С другой стороны, вторичный электрооптический эффект был использован для осуществления режима регулярных пульсаций в лазере с отрицательной электрооптической обратной связью. Использовалась внутрирезонаторная ячейка Поккельса на основе кристалла
(1)
Рис. 1. Пропускание ячейки Поккелъса в поперечном сечении кристалла в условиях резонансного возбуждения четырех первых мод сдвиговых акустических колебаний в кристалле квадратного сечения. Оптимальное положение лазерного пучка в сечении кристалла соответствует максимальному пропусканию ячейки Поккелъса.
ДКДП с поперечным сечением 6x6 мм2 [9]. Был получен устойчивый режим регулярных пульсаций длительностью ~0.2 мке с практически постоянным периодом следования, который соответствует первой резонансной частоте оптоэлектрониого кристалла модулятора. При превышении энергии пороговой накачки в 2-5 раз период лежал в диапазоне 5.7-5.9 мкс.
Реализация более высокочастотных пульсаций с периодом < 1 мкс за счет возбуждения основной моды сдвиговых акустических колебаний требует соответствующего уменьшения поперечника кристалла (см. формулу (1)) и сопряжено со сложностью обра ботки кристалла и настройки лазера. Настоящая работа посвящена генерации регулярной последовательности микроцугов пикосекундных импульсов с дискретно варьируемым периодом следования за счет резонансного возбуждения не основной, а высших мод сдвиговых акустических колебаний. Переключение между режимами осуществлялось выбором положения лазерного пучка в сечении кристалла ДКДП, соответствующего пучности стоячей акустической волны (см. рис. 1). Для резонансного возбуждения высших мод диаметр лазерного луча в кристалле не должен превышать г>/(2/„), а для ДКДП V = 1.64 х 105 см/с [7].
Эксперименты проводились на установке, схема которой представлена на рис. 2. Режим самосинхронизации мод осуществлялся за счет выбора задержки в цепи опто-электронной 00С, при которой потери ячейки Поккельса во время прохода лазерного импульса минимальны. Особенности синхронизации мод, когда модулятор управляется напрямую фототоком оптоэлектронных структур, подробно описаны в [12]. При использовании модулятора на основе кристалла ДКДП такой режим ^управления позволяет
Рис. 2. Миллисекундный Nd:YAG лазер с ламповой накачкой. АЭ - Nd:YAG активный элемент, П - поляризатор; 3\, 32 - зеркала резонатора; З3, 34 - зеркала оптической задержки; Пр - призма; ИД - ирисова диафрагма; ЗТ - зеркальный телескоп; ДКДП - электрооптический кристалл ячейки Поккельса; СУ - оптоэлектронная управляющая система.
генерировать ультракороткие импульсы с минимальной длительностью ~150-200 пс. Лазер работал в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения 1 Гц. Были использованы два блока питания: субмиллисекундного БПЛ-33-60 (блок 1) и миллисекундного источника питания с неполным разрядом ЬР1-2000-350/30000 (блок 2). Длительность колоколообразного импульса накачки блока 1 составляла 130 мкс, энергия накачки находилась в пределах 15-60 Дж. Управление параметрами выходного импульса блока 2 производилось с помощью ЭВМ. Это дало возможность изменять дл ¡1 тельность импульса с точностью 0.1 мс, а напряжение с точностью 1.5 В. Максимальная частота повторения импульсов для блока 2 составляла 200 Гц с учетом максимальной выходной мощности 2 кВт, а максимальные значения длительности импульса, зарядного напряжения и энергии разряда составляли соответственно 3.9 мс, 350 В и 250 Дж Оба блока питания работали в режиме дежурной дуги (ток ~ 1 А).
Активным элементом служил стержень М:УАС (<¿>6.3x60 мм), помещенный в термо статированный квантрон К-104 Г. Резонатор был образован двумя плоскими зеркалами с коэффициентами отражения 0.98 и 0.35 на клиновидных подложках и имел длину ~ 150 см (время обхода 10 не). Зеркальный телескоп с коэффициентом увеличения 3:1 состоял из двух сферических зеркал с радиусами кривизны 100 и 300 мм. Использование телескопа позволило уменьшить диаметр лазерного луча в сечении кристалла ДКДП до < 425 мкм (ширина на полувысоте по интенсивности). Для селекции низшей попереч ной моды в резонатор была установлена ирисова диафрагма (рабочий диаметр 3 мм). Кроме того, использование телескопа позволило увеличить объем моды в активном эле-
Ж
мммымыыныыым
(г)
ли
200 не
Щ 1 Ш
М 200 пс АЕх1/10з 570 шВ Т-»у1.31200 цс
К1 2.00 В М 200 пс АЕгй/Юв 570 шВ > ; ; !т-»у 1.31200 цс_
Рис. 3. Осциллограммы цугов пикосекундных импульсов: ((а), (б)) - обзорная картина генерации, (а) - режим стабилизации, (б) - возбуждение самопульсаций (во времени не разрешены, соответствуют более светлому серому); (в) - гармоническая модуляция огибающей, 70 мкс после начала генерации; (г) - режим генерации микроцугов пикосекундных импульсов, 110 мкс после начала генераци.
менте, повысить выходную мощность и уменьшить влияние насыщения активном < реды в процессе генерации, управляемой системой ООС.
Внутрирезонаторный модулятор на основе эффекта Поккельса состоял из кристалла ДКДП и многослойного поляризатора, расположенного под углом Брюстера. Кристалл ДКДП размером 8x8x11 мм3 (продольный электрооптический эффект, У\/4 < 3.4 кВ) был установлен непосредственно на плате оптоэ лек тронной схемы. Использовалась система оптоэлектронной ООС на основе выскоковольтной кремниевой мезоструктуры с напряжением лавинного прибоя 1200 В [10]. Отраженное от поляризатора излучение через систему оптической задержки отводилось на мезоструктуру. Элемент на основе одного р — п перехода, в отличие от многопереходной кремниевой струтуры [11], обладает повышенной (примерно в 10 раз) чувствительностью. Это, наряду с использованием внутрирезонаторного телескопа, дает возможность заметно расширить диапазон уровня стабилизации мощности излучения.
Излучение лазера регистрировалось с помощью pm-диода и осциллографов С1-97 и цифрового TDS-3052 (5 GS/s, 500 MHz). Временной ход управляющего напряжения исследовался с помощью специально разработанного высокочастотного делителя и скоростного осциллографа С7-19 (полоса 5 ГГц). Тонкая временная структура излучения исследовалась с помощью электронно-оптической камеры с линейной разверткой АГАТ СФ-ЗМ (разрешение < 2 пс).
Рис. 4. Временной ход излучения лазера в условиях генерации цуга пикосекундных импульсов примерно одинаковой амплитуды (верхняя осциллограмма) и накачки (свечения лампы). Использовался источник питания с неполным разрядом LP1-2000-350/30000. Время разряда 3.9 мс, 0.5 мс в клетке (осциллограф С8-14/
На рис. 3(a) представлен временной ход излучения при предельном усилении в режиме генерации гладких цугов коротких импульсов с использованием субмиллисекундного блока 1. Увеличение усиления приводит к развитию гармонической модуляции огибающей (рис. 3(b)), которая переходит в режим регулярных пульсаций в виде микроцугов коротких импульсов (рис. 3(г)). При увеличении усиления регулярный характер генера ции микроцугов сохраняется до проявления насыщения системы отрицательной обратной связи. Возникающие при определенном уровне усиления пульсации не затухают до конца генерации. Измерения показали, что период следования микроцугов примерно совпадает с периодом гармонической модуляции и составляет ~0.76 мкс. Большему усилению соответствует меньшая длительность микроцугов большей амплитуды. Минимальная длительность микроцуга составила 120 не - 12 импульсов. Общее число микроцугов превышало 150 при длительности накачки 130 мкс (рис. 3(6)). Для сокращения длительности импульсов использовался полимерный пассивный затвор на основе полиметинового красителя с начальным пропусканием 74% при нормальном падении,
установленный под углом Брюстера. При этом длительность импульсов составляла десятки пикосекунд.
Развитие микроцугов с периодом 1.9 мкс
Отдельный микроцуг (осциллограф TDS-3052) Зг
Рост усиления
Обзорная картина генерации (осциллограф С8-14, 0.5 мкс в клетке)
Рис. 5. Развитие регулярных микроцугов коротких импульсов с периодом 1.9 мкс и тонкая временная структура отдельного микроцуга.
Использование блока 2 позволило существенно обогатить режимы генерации. Без использования насыщающегося поглотителя был получен длинный цуг пикосекунд-ных импульсов одинаковой амплитуды. Максимальное количество импульсов составило 3.5 х 105, минимальная длительность импульса ~200 пс. Благодаря миллисекундной длительности и стабильности разряда блока 2 были получены режимы с дискретным набором периодов (см. табл. 1), значения которых находятся в хорошем соответствии с частотами первых 10 сдвиговых мод кристалла ДКДП ячейки Поккельса. Переключение между режимами осуществлялось выбором положения лазерного луча в сечении кристалла ДКДП, соответствующего пучности стоячей акустической волны. Для возбуждения мод высшего порядка необходимое положение луча смещалось к периферийной области (см. рис. 1).
Таблица 1
Период акустических колебаний: рассчитанный по формуле (1) и полученный _экспериментально, мкс_
Номер моды Расчет Эксперимент
1 7.60 7.78
3 3.12 3.28
5 1.92 1.89
7 1.38 1.37
9 1.08 1.09
11 0.88 0.89
13 0.75 0.76
15 0.65 -
17 0.57 0.58
19 0.51 0.52
Эксперименты показали, что в условиях резонансов на модах п = 1 и п = 3 сдвиговых акустических колебаний (периоды 7.78 и 3.28 мкс) режим самосинхронизациии мод не реализуется. Аксиальный интервал заполнен излучением пичковой временной структуры (характерная длительность 100 - 200 пс). При переходе к моде п = 5, соответствующей периоду 1.89 мкс, временная структура излучения сформирована в виде одиночных на аксиальном интервале субнаносекундных импульсов. Самосинхронизация мод наблюдалась вплоть до минимально зарегистрированного периода пульсаций 0.52 мкс. Для реализации режимов с субмикросекундным периодом следования микро цугов характерно миллисекундное время развития.
С увеличением мощности накачки и/или напряжения [1СМ период пульсаций увеличивался не более чем на 2%. На рис. 5 показано развитие пульсаций с периодом 1.9 мкс в виде микроцугов коротких импульсов и тонкая временная структура отдельного микроцуга. При увеличении усиления наблюдалась бифуркация удвоения периода следования микроцугов (рис. 6 и 7). На рис. 7 показана кинетика генерации лазера, соответствующая удвоению периода при возбуждении сдвиговых акустических колебаний с периодом 0.52 мкс (п = 19). В более высокочастотном режиме при увеличении усиления удвоение периода проявляется не только в отличии амплитуд соседних микроцугов, но и в почти полном подавлении группы микроцугов меньшей амплитуды, следующих с периодом 2Т. С дальнейшим увеличением накачки происходит хаотизация динамики.
Рис. 6. Бифуркация удвоения периода микроцугов при возбуждении сдвиговых акустических колебаний с периодом 1.37 мкс (мода п = 7): внизу - обзорная картина генерации, 0.5 мс в клетке, вверху - фрагмент длительностью 13 мкс.
Таким образом, реализованы режимы регулярных пульсаций с дискретным набором периодов от 7.8 мкс до 0.52 мкс в 1Чс1:УАС лазере с ламповой накачкой, управляемом оптоэлек трон ной отрицательной обратной связью на основе кристалла ДКД11. Периоды пульсаций соответствуют первым 10 модам сдвиговых акустических колебаний кристалла ДКДП (сечение 8x8 мм2). Переключение между режимами осуществлялось путем выбора положения лазерного луча в сечении кристалла, соответствующего пучности стоячей акустической волны. Начиная с моды п = 5, реализуется самосин-хрониазция мод, а точность соответствия расчетных и экспериментально полученных периодов позволяет рассчитать размеры кристалла ДКДП для осуществления режима генерации микроцугов коротких импульсов с заданным суб- и микросекундным периодом. Длительность импульсов, полученных в режиме самосинхронизации мод. может быть сокращена до десятков пикосекунд за счет использования насыщающегося поглотителя. Хаотизация регулярной последовательности'микроцугов осуществляется через
3 t, мкс
Рис. 7. Почти полное подавление группы микроцугов меньшей амплитуды в условиях бифуркации удвоения периода для частоты, соответствующей моде п — 19 (Г = 0.52 мкс).
удвоение периода.
Авторы выражают благодарность А. В. Виноградову, В. А. Русову, В. Г. Тункину и A.M. Чекмареву за полезные обсуждения. Работа проведена при частичной поддержке РФФИ, проекты N 08-08-00108а, 09-02-00638а, 09-02-01190а, Программы фундаментальных исследований Отделения физических наук РАН "Фундаментальные проблемы фотоники и физики новых оптических материалов", Программы поддержки молодежи УНК ФИ АН и программы Президиума РАН "Поддержка молодых ученых".
ЛИТЕРАТУРА
[1] В. К. Макуха, В. С. Смирнов, В. М. Семибаламут, КЭ 4, 1023 (1977).
[2] Д. В. Ворчик, М. В. Горбунков, Труды МФТИ, М., 4 (1995).
[3] М. V. Gorbunkov, Yu. Ya. Maslova, V. A. Petukhov, et al., Applied Optics 48, 2267 (2009).
[4] J. F. Stephany, JOSA 55(2), 136 (1965).
[5] Д. В. Синько, Б. В. Аникеев, КЭ 20, 1199 (1993).
[6] Н. Ekstein, Phys. Rev. 66(5, 6) (1944).
[7] А. М. Маругин, В. М. Овчинников, ОМП 2, 79 (1970).
[8] Т. А. Кузовкова, А. М. Маругин, Е. В. Нилов, В. М. Овчинников, ОМП 2 57 (1977).
[9] А. В. Агашков, Ю. Ф. Моргун, ЖПС 3, 384 (1983).
[10] М. В. Горбунков, Ю. В. Шабалин, Краткие сообщения по физике ФИАН, N 8, 38 (1998).
[11] Д. Б. Ворчик, М. В. Горбунков, Краткие сообщения по физике ФИАН, N 11-12, 70 (1997).
[12] М. В. Горбунков, Ю. Я. Маслова, О. И. Чабан, Ю. В. Шабалин, Краткие сообщения по физике ФИАН, 36(5), 39 (2009).
[13] М. V. Gorbunkov, Yu. Ya. Maslova, Yu. V. Shabalin, and A. V. Vinogradov, in WDS'07 Proceedings of Contributed Papers: Part III - Physics (eds. J. Safrankova and J. Pavlu), (Prague, Matfyzpress, 2007), p. 140.
[14] M. V. Gorbunkov and Yu. V. Shabalin, Proc. SPIE 4751, 463 (2002).
Поступила в редакцию 9 июня 2009 г.
