Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 12, с. 881-884
© 2015 г. 25 июня
Самоорганизация режима с одновременной
синхронизацией мод в диодно-накачиваемом Nd:YAG-лaзepe
Д. В. Яковпн, А. В. Грибанов Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия
Поступила в редакцию 15 мая 2015 г.
Сообщается о первом наблюдении нового режима генерации твердотельного лазера с С^-втуНсЬ и синхронизацией мод, в котором С^-втуНсЬ "самопроизвольно" формируется на частоте релаксационных колебаний. Новый режим генерации реализуется с помощью ранее предложенного метода акустического модулятора бегущей волны в сочетании со сферическим зеркалом резонатора. В диодно-накачиваемом М:¥АС-лазере со средней выходной мощностью ~ 3 Вт наблюдались стабильные цуги импульсов с частотой повторения ^30 кГц и длительностью ^2мкс. Внутри каждого цуга содержалось около 200 равноотстоящих моноимпульсов с длительностью ^45 пс.
БО!: 10.7868/80370274X15120024
1. Введение. В работах [1-3] предложен оригинальный метод осуществления одновременно модуляции добротности резонатора и синхронизации мод твердотельного лазера с помощью сферического зеркала (СЗ) и акустооптического модулятора (АОМ) бегущей волны (метод СЗАОМ). При этом частота повторения импульсов Q-switch регулируется АОМом. При частотах повторения <т-1 пиковая мощность увеличивается в т/тс раз (здесь г - время жизни верхнего рабочего уровня, тс - время жизни фотона в резонаторе). Дальнейшее увеличение пиковой мощности происходит за счет синхронизации мод (СМ). Для типичного Nd:YAG-лазера, работающего в режиме QCM с керровским элементом в резонаторе, увеличение пиковой мощности по отношению к средней составляло ~ 107 раз [1, 2].
В настоящей работе мы сообщаем о первом наблюдении в твердотельном лазере нового режима QCM, в котором модуляция добротности "самопроизвольно" происходит на частоте релаксационных колебаний. Такой "aBToQCM-режим" также осуществляется с помощью метода СЗАОМ при подаче на модулятор непрерывного питающего сигнала ультразвуковой частоты (в отличие от обычного QCM-режима с периодическим отключением ультразвуковой частоты, которое задает частоту повторения Q-switch).
2. Описание установки и экспериментальные результаты. Экспериментальная схема лазера с четырехзеркальным Z-образным резонатором показана на рис. 1. Активным элементом служил кри-
-^e-mail: donin@iae.nsk.su
Рис.1. Схема эксперимента: М1-М4 - зеркала резонатора, АОМ - акустооптический модулятор, Nd:YAG -активный элемент, ЬВО - нелинейный кристалл, РБ -лавинный фотодиод, О - осциллограф, А - анализатор спектра, Ы и Ь2 - линзы, Р1-РЗ - внешние плоские зеркала, ЕЬ - электронная схема запуска, АСАТ -стрик-камера Агат-СФЗМ, БС - видеокамера
сталл МФУАС диаметром 2 мм и длиной 63 мм с поперечной диодной накачкой на длине волны 808 нм. Радиусы кривизны сферических зеркал М1, М2, МЗ и М4 составляли 300, —900, 200 и 150 мм соответственно. Коэффициент отражения зеркал М2-М4 на рабочей длине волны А = 1064 нм составлял более 99.5 %. Зеркало М1 являлось выходным и имело пропускание 14 % на 1064 нм. Оптическая длина резонатора составляла Ь « 151 см. Акустооптический модулятор располагался под углом Брэгга к оптической оси резонатора рядом с концевым сферическим зеркалом М1. Центр модулятора, имеющего скосы под
882
В. И.Донпн, Д. В. Яковпн, А. В. Грибанов
Рис. 2. Осциллограммы релаксационных колебаний, (а, Ь) - Непрерывный режим, (с-е) настройке длины резонатора. (Г) - Авто(ЗМЬ-режим при отстройке Д = 0.5 мм
AßToQML-режим при точной
углом Брюстера, был удален от отражающей поверхности зеркала на расстояние, равное радиусу кривизны этого зеркала. На пьезопреобразователь АОМа подавалась рабочая частота / = 49.5 МГц, равная половине межмодового интервала, с/2Ь = 2/. Выходное излучение лазера фокусировалось линзой Ы в нелинейный кристалл (ЬВО длиной 20 мм, синхронизм 1-го типа). Плоские зеркала Р1 и Р2 обладали высоким отражением на 1064 и 532 нм, а зеркало РЗ - высоким отражением на 1064 нм и высоким пропусканием на 532 нм. Таким образом, при помощи системы зеркал Р1-РЗ излучение второй гармоники направлялось в в^еак-камеру АГАТ, а излучение на
основной длине волны - в электронную схему запуска EL. Схема запуска производила деление частоты повторения Q-switch и формирование отдельных импульсов. В результате запуск камеры производился одиночными импульсами длительностью « 2 не, следующими с частотой 8 Гц. Одновременно характеристики излучения, проходящего сквозь плотное зеркало М2, регистрировались лавинным фотодиодом PD (ЛФД-2), сигнал с которого направлялся на осциллограф и анализатор спектра SF 300 (RohdefeSchwarz). Изображение с экрана АГАТа записывалось на цифровую видеокамеру DC. Кадры видеозаписи обрабатывались в программе Mathcad. По результатам
Самоорганизация режима Q-switch с одновременной синхронизацией мод.
883
их обработки строились денситограммы. Калибровка камеры АГАТ осуществлялась при помощи пластинки лейкосапфира толщиной 12.2мм. Пластинка устанавливалась перед камерой таким образом, чтобы поделить луч на две части. Одна часть попадала в камеру, минуя пластинку, другая проходила через нее, получая при этом задержку рз 31 пс. Это соответствовало сдвигу в 4 пикселей на снимках, полученных из видеозаписи.
Ток непрерывной накачки устанавливался близким к оптимальному для выходной мощности лазера и составлял 18.5-21.5 А. При этом выходная мощность менялась в пределах IV = (2—3) Вт. Частота межмодовых биений лазера и появление поперечных мод контролировались анализатором спектра.
На рис. 2а и Ь представлены осциллограммы релаксационных колебаний, полученные при токе 19 А в чисто непрерывном режиме генерации (т.е. без ультразвуковой волны в АОМе). При подаче звукового сигнала с частотой 49.5 МГц и мощностью 2 Вт (соответствующая дифракционная эффективность ~ 5 %) на АОМ характер генерации лазера кардинально меняется и возникает "автоС^СМ-режим", иллюстрируемый рис. 2с-Г.
Временное разрешение регистрационной системы (фотодиод и осциллограф) ^ 3 не не позволяло определять длительность импульсов внутри цуга. Поэтому на рис. 3 представлены результаты ее измерения с камерой АГАТ.
3. Обсуждение результатов. Релаксационные колебания в лазерах являются результатом обмена между энергией генерируемого поля в резонаторе и энергией, запасенной в возбужденных атомах [4]. Они наиболее характерны для лазеров с большими временами жизни возбужденного рабочего уровня, т » тс (класс В), и характеризуются двумя основными константами [5]:
/я =
1
27Г V hrrc'
9 /0
TR = 2т—,
(1)
(2)
где /д и тд - частота и время затухания релаксационных колебаний соответственно.
В нашем случае при изменении тока накачки (18.5-21.5 А) измеренная /д менялась. В автоС^СМ-режиме она составляла 26-33 кГц. Вычисленное по (1) при т = 250 мке и измеренным ]¥ и /д отношение ///о составило 0.11-0.18. При этом тс ^ 130 нс было определено по ширине полосы "холодного" резонатора, Аи = са/2тгЬ = 1 /тс, где а - полные потери на двойной проход (^ 24 %). В непрерывном ре-
1
0.4 0.6 0.8 1.0 Time (ns)
Рис.3. Денситограммы импульсов на шкале 0.68нс/см (предельное временное разрешение рз 12пс). (а) - При точной настройке длины резонатора. (Ь, с) - При отстройке А = 0.5 мм. Здесь N - % импульсов от их общего числа
жиме (рис. 2а и Ь) частота /д была больше (50 кГц) за счет отсутствия дифракционных потерь АОМа, т.е. возрастания I/Iq ~ G/a ~ 0.3, где G - ненасыщенное усиление. Несмотря на некоторую "хаотичность" пульсаций, на рис. 2Ь наблюдается характерное tr ~ 1.5 мс, что согласуется с (2).
В aBToQCM-режиме при точной настройке длины резонатора на рабочую частоту АОМа (т.е. при c/2L = 2/) пульсации приобретают форму регулярных коротких импульсов (рис. 2с и d), следующих с частотой /д = 28 кГц. Внутри каждого такого импульса наблюдается цуг более коротких импульсов, следующих с межмодовой частотой c/2L = 99 МГц (рис. 2е). По существу, это новый QCM-режим генерации, который "самопроизвольно" формируется на частоте релаксационных колебаний лазера. Поскольку режим Q-switch также хорошо описывается моделью затухающего осциллятора, по измеренной длительности импульса ^ 2 мке и соотношению (2) мож-
884
В. И. До нин, Д. В. Яковнн, A.B. Грибанов
но получить оценку ///о ~ 250, что приблизительно на порядок меньше т/гс. На рис. 2d видна дополнительная структура пиков, отстоящих на ~ 200 не. Пики вверху и внизу осциллограммы сдвинуты по фазе на 7i. Это свидетельствует о колебательном процессе с характерным временем, близким к тс ~ 100 не.
Отметим, что в обычном QCM-режиме [1,2] за счет возрастания ///о ~ т/тс длительность импульса гд сокращается приблизительно до одного колебания, тс ~ 100 нс.
Как видно из рис. За, при точной настройке длины резонатора на рабочую частоту АОМа наблюдается моноимпульсная структура пикосекундных импульсов. При этом точность "нулевой" настройки резонатора определялась джиттером (jitter) рабочей частоты модулятора ±3 кГц (что равноценно отстройке длины резонатора Д = ±0.05мм). При отстройке порядка Д = 0.5 мм наблюдалась хаотичность релаксационных колебаний (рис. 2f) и наряду с доминирующими моноимпульсами появлялась немо-ноимпульсная структура (рис.ЗЬ и с). Эта структура связана с возбуждением поперечных мод, которые, как показали измерения со спектроанализато-ром, отстоят от ТЕМоо-моды на 1 МГц2'. С учетом временного разрешения стрик-камеры и факта измерения длительности импульса по второй гармонике (которая в л/2 раз короче) измеренная длительность
импульса генерации на 1064 нм составляет 45 ± 10 пс для моноимпульсов рис. За.
В заключение отметим, что влияние периодической низкочастотной модуляции потерь (порядка частоты релаксационных колебаний) на упорядоченность релаксационных колебаний неоднократно наблюдалось ранее (см., например, [6, 7]). Однако возникновение QCM-режима генерации в них обнаружено не было.
Авторы выражают благодарность A.B. Трубецкому за полезные обсуждения.
1. В. И. Донин, Д. В. Яковин, А. В. Грибанов, Квантовая электроника 42, 107 (2012).
2. V. I. Donin, D. V. Yakovin, and А. V. Griba
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.