Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 4, с. 250-253 © 2015г. 25 февраля
Синхронизация мод в лазере с когерентным поглотителем
М. В. Архипов+1\ Р. М. Архипов+*х V, А. А. Шимко+, И. Бабушкин0 ^
+ Физический факультет, С.-Петербургский государственный университет, 198504 Старый Петергоф, Россия
* Weierstrass Institute, 10117 Berlin, Germany xHumbold-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, 12489 Berlin, Germany °Institute of Quantum Optics, Leibniz University Hannover, 30167 Hannover, Germany Поступила в редакцию 17 декабря 2014 г.
В работе экспериментально рассматривается синхронизация мод в непрерывном узкополосном перестраиваемом лазере на красителе, в резонаторе которого размещены поглощающие ячейки с парами молекулярного йода. При настройке длины волны излучения лазера на красителе на линии поглощения паров молекулярного йода во внутрирезонаторной ячейке временной ход генерации приобретал вид коротких импульсов, следующих с периодом, равным или кратным времени обхода светом резонатора. При этом длительность импульсов генерации составила около 1нс, что значительно меньше времени фазовой памяти в парах йода. В такой ситуации синхронизация мод возникает в условиях и за счет когерентного характера взаимодействия лазерного излучения с узкими резонансами поглощения в парах молекулярного йода.
DOI: 10.7868/S0370274X15040049
1. Введение. Лазеры с пассивной синхронизацией мод являются источниками ультракоротких импульсов (УКИ) с высокой частотой повторения и находят многочисленные применения в науке и технике [1-7]. Такие лазеры содержат ячейку с насыщающимся поглотителем, который служит нелинейным модулятором потерь. В настоящее время данный подход, использующий насыщение поглощения в поглотителе и насыщение усиления в усиливающей среде, используется во всех типах двухсекционных лазеров, работающих в режиме пассивной синхронизации мод. Однако он позволяет генерировать УКИ, длительность которых ограничена обратной спектральной шириной профиля усиления и поглощения внутрирезонаторных сред. В последнее время появились теоретические работы, посвященные новому типу синхронизации мод - когерентной синхронизации мод (КСМ). В них теоретически исследуется возможность возникновения КСМ в лазерах за счет когерентного характера взаимодействия света с веществом поглотителя [8, 9], а также усилителя и поглотителя [10-15]. Отметим, что особенности когерентного взаимодействия света с поглощающими и усиливающими средами известны давно (см., например, [16-19]). В теоретических работах [10-15]
-^e-mail: arkhipm@mail.wplus.net; arkhipov@wias-berlin.de; babushkin@iqo.uni-hannover.de
показано, что режим КСМ возникает за счет формирования 27г-импульса самоиндуцированной прозрачности (СИП) для поглощающей среды и 7г-импульса для усиливающей среды, когда вещества усилителя и поглотителя перемешаны в объеме, и для возникновения генерации необходима дополнительная ин-жекция короткого импульса от внешнего лазера. В наших работах [20, 21] была впервые продемонстрирована возможность КСМ в двухсекционном лазере, когда усиливающая и поглощающая среды разнесены в пространстве. Данный режим является самостартующим, инжекции затравочного импульса не требуется. Подход к генерации УКИ на основе КСМ с практической точки зрения интересен тем, что длительность импульса генерации тр меньше времени фазовой памяти внутрирезонаторных сред Т-2- Поэтому ширина полосы усиления и поглощения перестает быть лимитирующим фактором для длительности генерируемых импульсов. Однако несмотря на существование теоретических работ по КСМ, до сих пор не известно ни одной экспериментальной демонстрации эффекта КСМ в лазерах. В настоящей работе мы делаем важный шаг на пути к практической реализации КСМ, показывая экспериментально возможность генерации коротких импульсов в режиме синхронизации мод в лазере с поглотителем, длительность которых меньше времени фазовой релаксации в поглотителе.
Синхронизация мод наблюдалась нами в непрерывном перестраиваемом узкополосном лазере на красителе с помещенными в резонатор лазера в качестве поглотителя резонансно поглощающими парами молекулярного йода I2. Режим синхронизации мод в генерации лазера возникал, когда узкая линия генерации лазера настраивалась на линии поглощения ячеек с парами молекул йода, и исчезал, когда частоту генерации лазера отстраивали от частоты перехода. Режим синхронизации мод наблюдался нами на нескольких переходах молекулы йода I2, попадавших в область перестройки длины волны излучения лазера.
2. Описание установки и результаты экспериментов. В экспериментах по наблюдению возникновения режима синхронизации мод был использован непрерывный перестраиваемый лазер T&D scan laser system (производство компании Технос-кан, г.Новосибирск, РФ). Лазер работал на растворе родамина 6Ж и имел длину резонатора 97 см. Режим узкополосной генерации обеспечивали два селектора: широкополосный селектор фильтр Лио (ФЛ) и узкополосный селектор интерферометр Фабри-Перо (ИФП). Источником накачки красителя служил стабилизированный одночастотный лазер компании Coherent Inc. (модель Verdi VIO).
Регистрация длины волны излучения осуществлялась при помощи блока контроля спектра, который входил в состав перестраиваемого лазера на красителе. Временные характеристики излучения регистрировались при помощи скоростного фотоприемника 11HSP-V2 и цифрового запоминающего осциллографа Agilent DS09104A. Это обеспечивало временное разрешение около 300 пс и возможность запоминать данные на интервалах времени до 2 мс со скоростью записи данных 20 гигасэмплов в секунду. В качестве резонансного когерентного поглотителя брались две стандартные ячейки с парами молекулярного йода, которые до этого использовались в резонаторах стабилизированных гелий-неоновых лазеров. Ячейки можно было одновременно и порознь расположить в резонаторе перестраиваемого лазера.
Выбор паров молекулярного йода при комнатной температуре в качестве "когерентного" поглотителя в наших экспериментах не случаен. Это классический объект для наблюдения когерентного взаимодействия в видимом диапазоне длин волн (см., например, работы по наблюдению фотонного эха, переходных нутаций и затухания свободной поляризации в наносекундном диапазоне длительностей, где время жизни возбужденных состояний переходов составляет около 1 мкс, а времена фазовой памяти Т2
равны десяткам и сотням наносекунд [22-26]). Кажущимся на первый взгляд недостатком молекулярного йода является высокая плотность расположения линий поглощения в области генерации лазера на родамине 6Ж. Однако это дало нам возможность наблюдать эффект синхронизации мод на разных линиях поглощения, которые попадали в область перестройки лазера.
Эксперименты проводились следующим образом. В резонаторе лазера располагались ячейки с йодом. Из резонатора лазера удалялся ИФП, и при помощи перестройки ФЛ определялись области длин волн, на которых в спектре генерации лазера отчетливо наблюдались провалы, связанные с внутрирезонатор-ным поглощением паров молекулярного йода в ячейке. Настройка на линии поглощения также сопровождалась интенсивной люминесценцией вдоль лазерного пучка в ячейках. После нахождения областей поглощения в резонаторе вновь размещали ИФП и, меняя его наклон, настраивали длину волны генерации в ту область длин волн, которая по показаниям блока измерения должна была соответствовать настройке на поглощение в ячейках. При мощности лазера накачки от 8 до 10 Вт "попадание" на линию поглощения сопровождалось интенсивной люминесценцией вдоль лазерного пучка в ячейке с молекулярным йодом и появлением модуляции на осциллограммах интенсивности генерации лазера на красителе с характерным временем обхода резонатора. Это однозначно говорит о возникновении режима синхронизации мод в лазере под влиянием поглощения в ячейке. На рис. 1а представлена осциллограмма генерации лазера с ФЛ и ИФП без ячеек при развертке 200 мкс/дел и показаниях измерителя длины волны 585.181 нм. Постоянная интенсивность сигнала с фотоприемника наблюдалась во всей области перестройки лазера при отсутствии ячеек в его резонаторе. На рис. 1Ь дана осциллограмма при тех же показаниях измерителя длины волны, но с ячейкой с парами йода в резонаторе лазера. В таком случае генерация сопровождается глубокой модуляцией излучения в течение времени не менее 2мс.
Вид импульсов генерации в этом случае показан на рис. 2а. Они следуют с периодом около 6.5 не, который соответствует времени двойного прохода светом длины резонатора. Эффект синхронизации мод возникал и в других областях поглощения. При этом вид импульсов, возникавших в режиме синхронизации, был различен для разных участков спектра, где было зарегистрировано поглощение в ячейках. На рис. 2Ь и с приведены примеры импульсов при других показаниях измерителя длин волн. И наконец,
252
М. В. Архипов, Р. М. Архипов, А. А. Шпмко, И. Бабушкин
Рис. 1. Осциллограммы временного хода интенсивности генерации при развертке 200 мкс на деление в отсутствие в резонаторе лазера паров молекулярного йода (а) и при их наличии (Ь). Показания измерителя длин волн 585.181 нм. На этом и последующих рисунках длины волн указаны в вакууме и приводятся картины экранов цифрового осциллографа
когда частота лазера попадала в окно прозрачности между областями поглощения (пример такой осциллограммы приведен на рис. 2с1), модуляция излучения отсутствовала, интенсивность излучения была постоянной.
3. Обсуждение и выводы. На представленных примерах отчетливо видно, что при настройке на линии поглощения молекулярного йода лазер начинает работать в режиме синхронизации мод, который длится не менее 2 мс и в течение этого времени генерирует импульсы, следующие с периодом обхода резонатора.
Обнаруженный эффект может быть объяснен когерентным характером взаимодействия лазерного излучения с парами молекулярного йода. Дело в том, что наблюдаемые в эксперименте длительности импульсов генерации (порядка не) значительно меньше времени релаксации поляризации йода То (сотни не). В этом случае, как мы считаем, эффект синхронизации мод во
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.