КОМПРЕССИЯ ИМПУЛЬСОВ МИКРОЧИП-ЛАЗЕРА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ ПРИ ВСТРЕЧНОМ ВКР-ПРЕОБРАЗОВАНИИ
Компрессия импульсов микрочип-лазера при встречном ВКР-преобразовании
31
УДК 621.373.826
С. В. ГАГАРСКИЙ, В. В. КИЙКО, В. А. КОНДРАТЬЕВ, А. Н. СЕРГЕЕВ, В. Ю. ХРАМОВ, В. Э. ЯКОБСОН
КОМПРЕССИЯ ИМПУЛЬСОВ МИКРОЧИП-ЛАЗЕРА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ ПРИ ВСТРЕЧНОМ ВКР-ПРЕОБРАЗОВАНИИ
Экспериментально исследован процесс обратного ВКР-преобразования излучения субнаносекундного микрочип-лазера c диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности. В кристалле нитрата бария достигнута эффективность обратного ВКР-преобразования выше 50 % и коэффициент компрессии импульса во времени, равный 6,4. Предложена схема дополнительного усиления первой стоксовой компоненты при „кегельном“ режиме генерации излучения микрочип-лазера.
Ключевые слова: обратное ВКР-преобразование, микрочип-лазер, нелинейная оптика.
Введение. Лазерные импульсы пикосекундного диапазона нашли широкое распространение при микрообработке материалов, в научных исследованиях, дальнометрии, медицине и других областях благодаря обеспечению высокой степени локализации световой энергии в области взаимодействия. Наряду с лазерами с синхронизацией мод, которые имеют достаточно сложную конструкцию, перспективными источниками, позволяющими получать импульсы субнано- и пикосекундного диапазонов, являются микрочип-лазеры с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности [1—4]. Микрочип-лазер с пассивной модуляцией добротности представляет собой, как правило, композитную сборку, состоящую из активного лазерного элемента, пассивного затвора и, в некоторых случаях, дополнительных прозрачных теплоотводов и нелинейных преобразователей частоты. Эти элементы либо диффузно сварены между собой, либо соединены механически с минимальными воздушными зазорами. Зеркала резонатора наносятся на внешние торцы композитной сборки. Излучение накачки вводится через дихроичное глухое зеркало. Общая длина резонатора определяется суммарной длиной элементов и составляет, как правило, единицы миллиметров, что позволяет сравнительно легко получить одночастотный режим генерации.
Длительность импульса, генерируемого микрочип-лазером, определяется коэффициентом усиления активной среды, начальным пропусканием и временем релаксации пассивного затвора, оптической длиной и добротностью резонатора. Типичные значения длительностей импульса для коммерчески доступных микрочип-лазеров составляют сотни пикосекунд [5]. При использовании сверхтонких элементов достигаемая длительность одночастотных импульсов составляет десятки пикосекунд [6].
Дополнительное сокращение длительности генерируемых импульсов возможно путем их преобразования в различных внешних нелинейно-оптических устройствах. В частности, хорошо известно, что при использовании эффекта обратного вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), помимо дискретного преобразования частоты излучения импульса лазера накачки, происходит временная компрессия импульса на комбинационной частоте с одновременным повышением пиковой мощности преобразованного импульса [7, 8]. Особый интерес для разработки компактных лазеров с ВКР-преобразованием представляют ВКР-конверторы на основе кристаллов [9, 10]. Максимальным инкрементом усиления среди наиболее известных конденсированных комбинационно-активных сред обладают кристаллы нитрата бария BaNO3 (стоксов сдвиг 1047 см–1, погонный инкремент усиления g=47 см–1 для длины волны накачки λp = 532 нм, время дефазировки T2=25 пc). В настоящей статье представлены результаты
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
32 С. В. Гагарский, В. В. Кийко, В. А. Кондратьев и др.
исследования процесса обратного ВКР-преобразования в кристаллах BaNO3 излучения килогерцового Nd3+:YAG:Cr4+-микрочип-лазера, реализующего различные режимы генерации.
Эксперимент и обсуждение результатов. В качестве источника излучения в экспериментальной установке (рис. 1) использовался микрочип-лазер на основе композитного элемента Nd3+:YAG—Cr4+:YAG. Импульсы накачки длительностью до 200 мкс доставлялись по оптическому волокну и объективом фокусировались в активную среду. В объективе располагался малоконтрастный поляризатор для излучения накачки, использование которого совместно с конструкцией крепления активного элемента позволяло задать фиксированную поляризацию излучения, генерируемого микрочип-лазером. Часть выходного пучка направлялась на скоростной фотоприемник для синхронизации со стрик-камерой VICA-03 с пикосекундным временным разрешением. Лазерное излучение на длине волны 1064 нм удваивалось по частоте в кристалле KTP. Излучение второй гармоники (λp=532 нм), выполняющее функцию накачки для ВКР-конвертора, фокусировалось линзой в комбинационно-активный кристалл RC1. Линии задержки 1 и 2 обеспечивали синхронизацию стрик-камеры с регистрируемым импульсом генерации и калибровку временной шкалы фоторегистратора.
Микрочип-лазер Теплоотвод Nd:YAG
Выходное зеркало R=50 % Cr.YAG T0=50 % Набор фильтров
Светофильтр
КТР
Зеркало HR@1064 нм HТ@808 нм
Система импульсной LDPPS диодной накачки
Приемник для синхронизации со стрик-камерой
Блок электронной задержки (0—29,8 нс)
RC1 f=80 мм
RC2 ДзеирхкраолиочноеСветИмоозфмщиенлроьистттреиль
Стрик-камера Линия задержки 2
Линия задержки 1
Рис. 1
В качестве ВКР-преобразователя использовался кристалл нитрата бария высокого опти-
ческого качества длиной 80 мм. Коэффициент линейной экстинкции (поглощение и рассея-
ние на неоднородностях) излучения накачки в кристалле не превышал 4⋅10–4 см–1, а ориента-
ция кристаллографических осей относительно плоскости поляризации излучения накачки
обеспечивала минимум влияния нежелательных термоиндуцированных искажений, возни-
кающих в области фокусировки в результате наличия квантового дефекта при ВКР-
преобразовании. Параметры фокусировки выбирались исходя из сочетания, во-первых, усло-
вий, при которых обеспечивается преимущество встречного ВКР относительно попутного
[10—12], и, во-вторых, максимально возможной частоты повторения импульсов при гаранти-
рованном отсутствии оптического пробоя в кристалле.
На первом этапе экспериментов исследовалось преобразование импульсов второй гар-
моники излучения микрочип-лазера, работающего в одномодовом одночастотном режиме ге-
нерации. Фотохронограмма импульса накачки для ВКР-преобразования с задержанным для
калибровки по времени дубликатом и соответствующий профиль мощности W2ω(t) показаны
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Компрессия импульсов микрочип-лазера при встречном ВКР-преобразовании
33
на рис. 2, а. Измеренная длительность импульса составила 0,86 нс. Энергия импульса второй
гармоники на входе в кристалл нитрата бария с учетом потерь на согласующей оптике дости-
гала 50 мкДж. Близкое к дифракционному качество пучка накачки позволяло сравнительно
легко реализовать условие эффективного обратного ВКР-преобразования fL/Zf ~ 25 для fL = =5…8 см, здесь fL — фокусное расстояние линзы, Zf — параметр Когельника для пучка [11, 12]. Уровень интенсивности в перетяжке сфокусированного пучка в кристалле нитрата бария составил величину порядка 12 ГВт/см2. Подавление попутного ВКР обеспечивалось истощением
излучения накачки, обусловленным встречным ВКР в области каустики, а также выполнением
условия синхронизма для 4-фотонного параметрического взаимодействия, которое сущест-
венно, впрочем, только для малых энергий импульса накачки [13]:
G ∆k
≡
ks
gI + ka − 2kp
≥1,
где g, G — погонный и полный (в пределах каустики на оси пучка) инкременты ВКР-
усиления соответственно; ∆k — волновая расстройка; I — интенсивность в каустике, усред-
нения по ее длине; ks, ka, kp — волновые числа для стоксовой волны, антистоксовой волны и волны накачки соответственно.
а) б)
W2ω, o.e.
Ws, o.e.
0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4
0,2 0,2
0 1,0 2,0 3,0 4,0 t, нс
0
1,0 2,0 3,0 t, нс
Рис. 2
Для указанных выше условий G/∆k=3,5. Заметим, что выбранные условия фокусировки не
являются оптимальными для получения максимального коэффициента сжатия, предельная
оценка которого составляет 12—14. Эти условия определялись компромиссом при сочетании
высоких значений коэффициентов преобра- η
зования с максимально достижимыми частотами повторения импульсов (до 1 КГц).
0,5
Кроме того, в данных условиях практически
не наблюдалась конкурирующая генерация 0,4
второй стоксовой компоненты. Фотохроно-
грамма импульса на длине волны первой 0,3
стоксовой компоненты (λs1=564 нм) и его
временной профиль Ws(t) приведены на 0,2
рис. 2, б. Зависимость эффективности η
встречного ВКР-преобразования от энергии 0,1
Ер импульса накачки показана на рис. 3.
20 25 30
35 40 45 Ер, мкДж
Максимальная квантовая эффектив-
Рис. 3
ность встречного ВКР-преобразования в первую стоксову компоненту была достигнута для
импульсов накачки с энергией Ер = 50 мкДж и составила 53 %. Длительность стоксова
импульса составила 0,135 нс, что соответствует коэффициенту компрессии 6,4. Как видно из
фотохронограммы (см. рис. 2, б), в структуре стоксова импульса присутствует довольно
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
34 С. В. Гагарский, В. В. Кийко, В. А. Кондратьев и др.
протяженная „хвостовая“ часть, содержащая до 50 % полной энергии при максимальном уровне используемой накачки. Такая временная структура хорошо согласуется с результатами расчетов, выполненных по модели, приведенной в работе [13]. В максимуме энергетического преобразования отношение пиковых мощностей импульса на длине волны λs1 и импульса накачки составило 2,3.
Режим генерации излучения микрочип-лазера существенно зависит от соотношения поперечного размера прокачанной области активного элемента и диаметра основной моды резонатора, а также от поперечного распределения активных или диссипативных потерь в резонаторе. В случае равномерных потерь одномодовый режим реализуется при мощности накачки, соответствующей порогу генерации, и при небольшом превышении размера прокачанной области относительно размера основной моды.
При увеличении поперечного размера прокачанной области в активном элементе с одновременным увеличением энергии импульса накачки одномодовый режим генерации переходит в другой, так называемый „кегельный“ режим. При этом режиме в пространственновременной структуре импульсов можно выделить первый „лидирующий“ субимпульс со спектром, соответствующим основной моде резонатора, а также один или более отстающих по времени субимпульсов, энергия которых определяется общим объемом прокачанной зоны активного элемента [4, 14]. Временной интервал между субимпульсами определяется конфигурацией резонатора и профилем распределения коэффициента усиления. Этот интервал может изменяться в пределах от полного перекрытия до значений, в несколько раз превышающих длительность отдельных субимпульсов. Особенность субимпульсов, связанных моментом начала просветления пассивного затвора, состоит в том, что они обладают практически одинаковой расходимостью. Увеличение расходимости пучка с изменением параметра M 2 для мод высшего порядка компенсируется увеличением его диаметра. Энергия второго „многомодового“ субимпульса может быть сравнима с энергией „лидирующего одномодового“ субимпульса и даже превышать ее, если импульс накачки имеет достаточную энергию. Условно импульсы с подобной пространственно-временной структурой можно назвать „кегельимпульсами“. Пример временного профиля W(t), фотохронограмма (а) и поперечное распределение энергии E(r) (б) кегель-импульса приведены на рис. 4.
а) W, o.e.
б) Е, o.e.
0,8 0,15
0,6
0,4 0,1
0,2 0,05
0
0
1,0 2,0 3,0 t, нс
–3 –2 –1 0 1 2 r
Рис. 4
Особый интерес представляет схема усиления стоксова импульса, инициированного
„лидирующей“ частью кегель-импульса на фундаментальной частоте, в дополнительном ком-
бинационно-активном кристалле, расположенном до фокусирующей линзы. Для этого в экс-
периментальную установку вносится дополнительный ВКР-активный кристалл RC2 (см. рис. 1). Он располагается на расстоянии Lopt от кристалла RC1, которое определяется временным интервалом τd между субимпульсами:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Компрессия импульсов микрочип-лазера при встречном ВКР-преобразовании
35
Lopt
τd c 2
,
где с — скорость света.
Диаметр входного пучка подбирается таким образом, чтобы величина полного инкре-
мента ВКР-усиления в кристалле RC2 была значительно ниже порога генерации стоксовой компоненты. Дифракционная расходимость нелинейно отраженного из объема кристалла RC1 пучка на стоксовой частоте в условиях полного насыщения минимум в λs1/λp раз выше излучения накачки. Кроме того, диаметр этого пучка при обратном проходе может регулироваться
уровнем насыщения усиления в кристалле RC1. Поэтому эффективное ВКР-усиление может проходить по всему объему кристалла RC2, заполненному многомодовым излучением накачки. Как известно, это практически не ухудшает качество усиливаемого пучка [8]. Для управ-
ления значением τd может быть использовано выходное зеркало с неравномерным профилем коэффициента отражения по поперечному сечению, например активное зеркало, представ-
ляющее собой интерферометр Фабри — Перо с неплоскими зеркалами [14].
Заключение. В результате проведенного исследования процесса обратного ВКР-
преобразования излучения микрочип-лазера в кристалле нитрата бария впервые, насколько
известно авторам, экспериментально показана возможность эффективного ВКР-преобразо-
вания во встречном направлении для импульсов с энергией на уровне нескольких десятков
микроджоулей при частотах повторения импульсов до 1 кГц. При выбранных параметрах фо-
кусировки максимально полученный коэффициент ВКР-преобразования в 1 стоксову компо-
ненту в однокаскадной схеме составил более 50 %, а максимальный коэффициент временной
компрессии — 6,4. Частота повторения импульсов ограничивалась лишь возникновением абер-
рированной тепловой линзы в микрочип-лазере. Предложена схема ВКР-преобразования с
дополнительным усилением компрессированного стоксова импульса в поле второго субим-
пульса микрочип-лазера, работающего в „кегельном“ режиме генерации.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы при разработке про-
стых компактных лазеров, генерирующих пикосекундые импульсы миллиджоульного уровня
с высокой частотой повторения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Molva E. Microchip lasers and their applications in optical microsystems // Optical Materials. 1999. Vol. 11. P. 289—299.
2. Zayhowski J. J. Microchip lasers // Optical Materials. 1999. Vol. 11. P. 255—267.
3. Zayhowski J. J. Passively Q-switched Nd:YAG microchip lasers and applications // J. of Alloys and Compounds. 2000. Vol. 303—304. P. 393—400.
4. Okhrimchuk A. G., Shestakov A. V. The time and spatial dinamics of the YAG:Nd3+/YAG:Cr4+ microchip laser emission // Proc. of SPIE. 2007. Vol. 6610. P. 661002-1—661002-10.
5. Электронный ресурс: .
6. Braun B., Kärtner F. X., Zhang G., Moser M., Keller U. 56-ps passively Q-switched diode-pumped microchip laser // Optics Letters. 1997. Vol. 22, N 6. P. 381—383.
7. Maier М., Kaiser W., Giordmaine J. A. Backward stimulated Raman scattering. // Physical Rev. 1969. Vol. 177, N 2. P. 580—599.
8. Грасюк А. З. Генерация и усиление света на основе вынужденного рассеяния // Тр. ФИАН им. П. Н. Лебедева. 1974. Т. 76. С. 75—116.
9. Zverev P. G., Basiev T. T., Prokhorov A. M. Stimulated Raman scattering of laser radiation in Raman crystals // Optical Materials. 1999. Vol. 11. P. 335—352.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
36 С. В. Гагарский, В. В. Кийко, В. А. Кондратьев и др.
10. Карпухин С. Н., Яшин В. Е. Генерация и усиление излучения при ВКР в кристаллах // Квантовая электроника. 1984. Т. 11, № 10. С. 1992—1999.
11. Иванов В. Б., Мак А. А., Паперный С. Б., Серебряков В. А. Формирование пикосекундных импульсов при обратном ВКР // Там же. 1986. Т. 13, № 4. С.857—861.
12. Горбунов В. А., Иванов В. Б., Паперный С. Б., Старцев В. П. Сжатие импульсов во времени при обратном вынужденном рассеянии // Изв. АН СССР. Сер. физическая. 1984. Т.48, № 4. С. 1580—1590.
13. Zaporozhchenko R. G., Zakharova I. S., Kotaev G. G. Laser pulses shortening at transient backward SRS and forward scattering suppression // J. of Modern Optics. 1992. Vol. 39, N 4. P. 863—870.
14. Гагарский С. В., Кийко В. В., Кондратьев В. А., Подвязников В. А., Сергеев А. Н., Чевокин В. К. Управление временными характеристиками излучения ND+3:YAG:CR+4-минилазера с использованием активной внутрирезонаторной оптики // Настоящий выпуск. С. 18—25.
Сергей Валерьевич Гагарский
Вадим Вениаминович Кийко Владимир Андреевич Кондратьев Андрей Николаевич Сергеев
Валерий Юрьевич Храмов
Виктор Эрнстович Якобсон
Сведения об авторах — канд. физ.-мат. наук; Санкт-Петербургский национальный исследо-
вательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: s.gagarsky@mail.ru — канд. техн. наук; Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, кафедра мощных лазеров, Москва; E-mail: hkww@mail.ru — аспирант; Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, кафедра мощных лазеров, Москва; E-mail: vladkondr-88@mail.ru — аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: mg_phooenix@yahoo.com — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; заведующий кафедрой; E-mail: khramov@grv.ifmo.ru — канд. физ.-мат. наук; ОAO «Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения Всероссийского научного центра „ГОИ им. С. И. Вавилова“», Санкт-Петербург; ведущий научный сотрудник; E-mail: Jacobson@goi.ru, jacobsonve@yandex.ru
Рекомендована кафедрой лазерной техники и биомедицинской оптики
Поступила в редакцию 26.04.13 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
31
УДК 621.373.826
С. В. ГАГАРСКИЙ, В. В. КИЙКО, В. А. КОНДРАТЬЕВ, А. Н. СЕРГЕЕВ, В. Ю. ХРАМОВ, В. Э. ЯКОБСОН
КОМПРЕССИЯ ИМПУЛЬСОВ МИКРОЧИП-ЛАЗЕРА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ ПРИ ВСТРЕЧНОМ ВКР-ПРЕОБРАЗОВАНИИ
Экспериментально исследован процесс обратного ВКР-преобразования излучения субнаносекундного микрочип-лазера c диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности. В кристалле нитрата бария достигнута эффективность обратного ВКР-преобразования выше 50 % и коэффициент компрессии импульса во времени, равный 6,4. Предложена схема дополнительного усиления первой стоксовой компоненты при „кегельном“ режиме генерации излучения микрочип-лазера.
Ключевые слова: обратное ВКР-преобразование, микрочип-лазер, нелинейная оптика.
Введение. Лазерные импульсы пикосекундного диапазона нашли широкое распространение при микрообработке материалов, в научных исследованиях, дальнометрии, медицине и других областях благодаря обеспечению высокой степени локализации световой энергии в области взаимодействия. Наряду с лазерами с синхронизацией мод, которые имеют достаточно сложную конструкцию, перспективными источниками, позволяющими получать импульсы субнано- и пикосекундного диапазонов, являются микрочип-лазеры с диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности [1—4]. Микрочип-лазер с пассивной модуляцией добротности представляет собой, как правило, композитную сборку, состоящую из активного лазерного элемента, пассивного затвора и, в некоторых случаях, дополнительных прозрачных теплоотводов и нелинейных преобразователей частоты. Эти элементы либо диффузно сварены между собой, либо соединены механически с минимальными воздушными зазорами. Зеркала резонатора наносятся на внешние торцы композитной сборки. Излучение накачки вводится через дихроичное глухое зеркало. Общая длина резонатора определяется суммарной длиной элементов и составляет, как правило, единицы миллиметров, что позволяет сравнительно легко получить одночастотный режим генерации.
Длительность импульса, генерируемого микрочип-лазером, определяется коэффициентом усиления активной среды, начальным пропусканием и временем релаксации пассивного затвора, оптической длиной и добротностью резонатора. Типичные значения длительностей импульса для коммерчески доступных микрочип-лазеров составляют сотни пикосекунд [5]. При использовании сверхтонких элементов достигаемая длительность одночастотных импульсов составляет десятки пикосекунд [6].
Дополнительное сокращение длительности генерируемых импульсов возможно путем их преобразования в различных внешних нелинейно-оптических устройствах. В частности, хорошо известно, что при использовании эффекта обратного вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), помимо дискретного преобразования частоты излучения импульса лазера накачки, происходит временная компрессия импульса на комбинационной частоте с одновременным повышением пиковой мощности преобразованного импульса [7, 8]. Особый интерес для разработки компактных лазеров с ВКР-преобразованием представляют ВКР-конверторы на основе кристаллов [9, 10]. Максимальным инкрементом усиления среди наиболее известных конденсированных комбинационно-активных сред обладают кристаллы нитрата бария BaNO3 (стоксов сдвиг 1047 см–1, погонный инкремент усиления g=47 см–1 для длины волны накачки λp = 532 нм, время дефазировки T2=25 пc). В настоящей статье представлены результаты
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
32 С. В. Гагарский, В. В. Кийко, В. А. Кондратьев и др.
исследования процесса обратного ВКР-преобразования в кристаллах BaNO3 излучения килогерцового Nd3+:YAG:Cr4+-микрочип-лазера, реализующего различные режимы генерации.
Эксперимент и обсуждение результатов. В качестве источника излучения в экспериментальной установке (рис. 1) использовался микрочип-лазер на основе композитного элемента Nd3+:YAG—Cr4+:YAG. Импульсы накачки длительностью до 200 мкс доставлялись по оптическому волокну и объективом фокусировались в активную среду. В объективе располагался малоконтрастный поляризатор для излучения накачки, использование которого совместно с конструкцией крепления активного элемента позволяло задать фиксированную поляризацию излучения, генерируемого микрочип-лазером. Часть выходного пучка направлялась на скоростной фотоприемник для синхронизации со стрик-камерой VICA-03 с пикосекундным временным разрешением. Лазерное излучение на длине волны 1064 нм удваивалось по частоте в кристалле KTP. Излучение второй гармоники (λp=532 нм), выполняющее функцию накачки для ВКР-конвертора, фокусировалось линзой в комбинационно-активный кристалл RC1. Линии задержки 1 и 2 обеспечивали синхронизацию стрик-камеры с регистрируемым импульсом генерации и калибровку временной шкалы фоторегистратора.
Микрочип-лазер Теплоотвод Nd:YAG
Выходное зеркало R=50 % Cr.YAG T0=50 % Набор фильтров
Светофильтр
КТР
Зеркало HR@1064 нм HТ@808 нм
Система импульсной LDPPS диодной накачки
Приемник для синхронизации со стрик-камерой
Блок электронной задержки (0—29,8 нс)
RC1 f=80 мм
RC2 ДзеирхкраолиочноеСветИмоозфмщиенлроьистттреиль
Стрик-камера Линия задержки 2
Линия задержки 1
Рис. 1
В качестве ВКР-преобразователя использовался кристалл нитрата бария высокого опти-
ческого качества длиной 80 мм. Коэффициент линейной экстинкции (поглощение и рассея-
ние на неоднородностях) излучения накачки в кристалле не превышал 4⋅10–4 см–1, а ориента-
ция кристаллографических осей относительно плоскости поляризации излучения накачки
обеспечивала минимум влияния нежелательных термоиндуцированных искажений, возни-
кающих в области фокусировки в результате наличия квантового дефекта при ВКР-
преобразовании. Параметры фокусировки выбирались исходя из сочетания, во-первых, усло-
вий, при которых обеспечивается преимущество встречного ВКР относительно попутного
[10—12], и, во-вторых, максимально возможной частоты повторения импульсов при гаранти-
рованном отсутствии оптического пробоя в кристалле.
На первом этапе экспериментов исследовалось преобразование импульсов второй гар-
моники излучения микрочип-лазера, работающего в одномодовом одночастотном режиме ге-
нерации. Фотохронограмма импульса накачки для ВКР-преобразования с задержанным для
калибровки по времени дубликатом и соответствующий профиль мощности W2ω(t) показаны
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Компрессия импульсов микрочип-лазера при встречном ВКР-преобразовании
33
на рис. 2, а. Измеренная длительность импульса составила 0,86 нс. Энергия импульса второй
гармоники на входе в кристалл нитрата бария с учетом потерь на согласующей оптике дости-
гала 50 мкДж. Близкое к дифракционному качество пучка накачки позволяло сравнительно
легко реализовать условие эффективного обратного ВКР-преобразования fL/Zf ~ 25 для fL = =5…8 см, здесь fL — фокусное расстояние линзы, Zf — параметр Когельника для пучка [11, 12]. Уровень интенсивности в перетяжке сфокусированного пучка в кристалле нитрата бария составил величину порядка 12 ГВт/см2. Подавление попутного ВКР обеспечивалось истощением
излучения накачки, обусловленным встречным ВКР в области каустики, а также выполнением
условия синхронизма для 4-фотонного параметрического взаимодействия, которое сущест-
венно, впрочем, только для малых энергий импульса накачки [13]:
G ∆k
≡
ks
gI + ka − 2kp
≥1,
где g, G — погонный и полный (в пределах каустики на оси пучка) инкременты ВКР-
усиления соответственно; ∆k — волновая расстройка; I — интенсивность в каустике, усред-
нения по ее длине; ks, ka, kp — волновые числа для стоксовой волны, антистоксовой волны и волны накачки соответственно.
а) б)
W2ω, o.e.
Ws, o.e.
0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4
0,2 0,2
0 1,0 2,0 3,0 4,0 t, нс
0
1,0 2,0 3,0 t, нс
Рис. 2
Для указанных выше условий G/∆k=3,5. Заметим, что выбранные условия фокусировки не
являются оптимальными для получения максимального коэффициента сжатия, предельная
оценка которого составляет 12—14. Эти условия определялись компромиссом при сочетании
высоких значений коэффициентов преобра- η
зования с максимально достижимыми частотами повторения импульсов (до 1 КГц).
0,5
Кроме того, в данных условиях практически
не наблюдалась конкурирующая генерация 0,4
второй стоксовой компоненты. Фотохроно-
грамма импульса на длине волны первой 0,3
стоксовой компоненты (λs1=564 нм) и его
временной профиль Ws(t) приведены на 0,2
рис. 2, б. Зависимость эффективности η
встречного ВКР-преобразования от энергии 0,1
Ер импульса накачки показана на рис. 3.
20 25 30
35 40 45 Ер, мкДж
Максимальная квантовая эффектив-
Рис. 3
ность встречного ВКР-преобразования в первую стоксову компоненту была достигнута для
импульсов накачки с энергией Ер = 50 мкДж и составила 53 %. Длительность стоксова
импульса составила 0,135 нс, что соответствует коэффициенту компрессии 6,4. Как видно из
фотохронограммы (см. рис. 2, б), в структуре стоксова импульса присутствует довольно
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
34 С. В. Гагарский, В. В. Кийко, В. А. Кондратьев и др.
протяженная „хвостовая“ часть, содержащая до 50 % полной энергии при максимальном уровне используемой накачки. Такая временная структура хорошо согласуется с результатами расчетов, выполненных по модели, приведенной в работе [13]. В максимуме энергетического преобразования отношение пиковых мощностей импульса на длине волны λs1 и импульса накачки составило 2,3.
Режим генерации излучения микрочип-лазера существенно зависит от соотношения поперечного размера прокачанной области активного элемента и диаметра основной моды резонатора, а также от поперечного распределения активных или диссипативных потерь в резонаторе. В случае равномерных потерь одномодовый режим реализуется при мощности накачки, соответствующей порогу генерации, и при небольшом превышении размера прокачанной области относительно размера основной моды.
При увеличении поперечного размера прокачанной области в активном элементе с одновременным увеличением энергии импульса накачки одномодовый режим генерации переходит в другой, так называемый „кегельный“ режим. При этом режиме в пространственновременной структуре импульсов можно выделить первый „лидирующий“ субимпульс со спектром, соответствующим основной моде резонатора, а также один или более отстающих по времени субимпульсов, энергия которых определяется общим объемом прокачанной зоны активного элемента [4, 14]. Временной интервал между субимпульсами определяется конфигурацией резонатора и профилем распределения коэффициента усиления. Этот интервал может изменяться в пределах от полного перекрытия до значений, в несколько раз превышающих длительность отдельных субимпульсов. Особенность субимпульсов, связанных моментом начала просветления пассивного затвора, состоит в том, что они обладают практически одинаковой расходимостью. Увеличение расходимости пучка с изменением параметра M 2 для мод высшего порядка компенсируется увеличением его диаметра. Энергия второго „многомодового“ субимпульса может быть сравнима с энергией „лидирующего одномодового“ субимпульса и даже превышать ее, если импульс накачки имеет достаточную энергию. Условно импульсы с подобной пространственно-временной структурой можно назвать „кегельимпульсами“. Пример временного профиля W(t), фотохронограмма (а) и поперечное распределение энергии E(r) (б) кегель-импульса приведены на рис. 4.
а) W, o.e.
б) Е, o.e.
0,8 0,15
0,6
0,4 0,1
0,2 0,05
0
0
1,0 2,0 3,0 t, нс
–3 –2 –1 0 1 2 r
Рис. 4
Особый интерес представляет схема усиления стоксова импульса, инициированного
„лидирующей“ частью кегель-импульса на фундаментальной частоте, в дополнительном ком-
бинационно-активном кристалле, расположенном до фокусирующей линзы. Для этого в экс-
периментальную установку вносится дополнительный ВКР-активный кристалл RC2 (см. рис. 1). Он располагается на расстоянии Lopt от кристалла RC1, которое определяется временным интервалом τd между субимпульсами:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Компрессия импульсов микрочип-лазера при встречном ВКР-преобразовании
35
Lopt
τd c 2
,
где с — скорость света.
Диаметр входного пучка подбирается таким образом, чтобы величина полного инкре-
мента ВКР-усиления в кристалле RC2 была значительно ниже порога генерации стоксовой компоненты. Дифракционная расходимость нелинейно отраженного из объема кристалла RC1 пучка на стоксовой частоте в условиях полного насыщения минимум в λs1/λp раз выше излучения накачки. Кроме того, диаметр этого пучка при обратном проходе может регулироваться
уровнем насыщения усиления в кристалле RC1. Поэтому эффективное ВКР-усиление может проходить по всему объему кристалла RC2, заполненному многомодовым излучением накачки. Как известно, это практически не ухудшает качество усиливаемого пучка [8]. Для управ-
ления значением τd может быть использовано выходное зеркало с неравномерным профилем коэффициента отражения по поперечному сечению, например активное зеркало, представ-
ляющее собой интерферометр Фабри — Перо с неплоскими зеркалами [14].
Заключение. В результате проведенного исследования процесса обратного ВКР-
преобразования излучения микрочип-лазера в кристалле нитрата бария впервые, насколько
известно авторам, экспериментально показана возможность эффективного ВКР-преобразо-
вания во встречном направлении для импульсов с энергией на уровне нескольких десятков
микроджоулей при частотах повторения импульсов до 1 кГц. При выбранных параметрах фо-
кусировки максимально полученный коэффициент ВКР-преобразования в 1 стоксову компо-
ненту в однокаскадной схеме составил более 50 %, а максимальный коэффициент временной
компрессии — 6,4. Частота повторения импульсов ограничивалась лишь возникновением абер-
рированной тепловой линзы в микрочип-лазере. Предложена схема ВКР-преобразования с
дополнительным усилением компрессированного стоксова импульса в поле второго субим-
пульса микрочип-лазера, работающего в „кегельном“ режиме генерации.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы при разработке про-
стых компактных лазеров, генерирующих пикосекундые импульсы миллиджоульного уровня
с высокой частотой повторения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Molva E. Microchip lasers and their applications in optical microsystems // Optical Materials. 1999. Vol. 11. P. 289—299.
2. Zayhowski J. J. Microchip lasers // Optical Materials. 1999. Vol. 11. P. 255—267.
3. Zayhowski J. J. Passively Q-switched Nd:YAG microchip lasers and applications // J. of Alloys and Compounds. 2000. Vol. 303—304. P. 393—400.
4. Okhrimchuk A. G., Shestakov A. V. The time and spatial dinamics of the YAG:Nd3+/YAG:Cr4+ microchip laser emission // Proc. of SPIE. 2007. Vol. 6610. P. 661002-1—661002-10.
5. Электронный ресурс: .
6. Braun B., Kärtner F. X., Zhang G., Moser M., Keller U. 56-ps passively Q-switched diode-pumped microchip laser // Optics Letters. 1997. Vol. 22, N 6. P. 381—383.
7. Maier М., Kaiser W., Giordmaine J. A. Backward stimulated Raman scattering. // Physical Rev. 1969. Vol. 177, N 2. P. 580—599.
8. Грасюк А. З. Генерация и усиление света на основе вынужденного рассеяния // Тр. ФИАН им. П. Н. Лебедева. 1974. Т. 76. С. 75—116.
9. Zverev P. G., Basiev T. T., Prokhorov A. M. Stimulated Raman scattering of laser radiation in Raman crystals // Optical Materials. 1999. Vol. 11. P. 335—352.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
36 С. В. Гагарский, В. В. Кийко, В. А. Кондратьев и др.
10. Карпухин С. Н., Яшин В. Е. Генерация и усиление излучения при ВКР в кристаллах // Квантовая электроника. 1984. Т. 11, № 10. С. 1992—1999.
11. Иванов В. Б., Мак А. А., Паперный С. Б., Серебряков В. А. Формирование пикосекундных импульсов при обратном ВКР // Там же. 1986. Т. 13, № 4. С.857—861.
12. Горбунов В. А., Иванов В. Б., Паперный С. Б., Старцев В. П. Сжатие импульсов во времени при обратном вынужденном рассеянии // Изв. АН СССР. Сер. физическая. 1984. Т.48, № 4. С. 1580—1590.
13. Zaporozhchenko R. G., Zakharova I. S., Kotaev G. G. Laser pulses shortening at transient backward SRS and forward scattering suppression // J. of Modern Optics. 1992. Vol. 39, N 4. P. 863—870.
14. Гагарский С. В., Кийко В. В., Кондратьев В. А., Подвязников В. А., Сергеев А. Н., Чевокин В. К. Управление временными характеристиками излучения ND+3:YAG:CR+4-минилазера с использованием активной внутрирезонаторной оптики // Настоящий выпуск. С. 18—25.
Сергей Валерьевич Гагарский
Вадим Вениаминович Кийко Владимир Андреевич Кондратьев Андрей Николаевич Сергеев
Валерий Юрьевич Храмов
Виктор Эрнстович Якобсон
Сведения об авторах — канд. физ.-мат. наук; Санкт-Петербургский национальный исследо-
вательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: s.gagarsky@mail.ru — канд. техн. наук; Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, кафедра мощных лазеров, Москва; E-mail: hkww@mail.ru — аспирант; Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, кафедра мощных лазеров, Москва; E-mail: vladkondr-88@mail.ru — аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: mg_phooenix@yahoo.com — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; заведующий кафедрой; E-mail: khramov@grv.ifmo.ru — канд. физ.-мат. наук; ОAO «Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения Всероссийского научного центра „ГОИ им. С. И. Вавилова“», Санкт-Петербург; ведущий научный сотрудник; E-mail: Jacobson@goi.ru, jacobsonve@yandex.ru
Рекомендована кафедрой лазерной техники и биомедицинской оптики
Поступила в редакцию 26.04.13 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9