Система обозначений энергетических уровней атомов (отступление)

Данная система основана на использовании квантовых чисел.

Квантовые числа определяют возможные дискретные значения физических величин атома, молекулы, элементарной частицы и т.д.

Для описания физических свойств валентных ионов (например Cr³⁺, Nd³⁺) используют следующие квантовые числа:

L - полный орбитальный момент атома;

S - полный спин атома;

J - полный момент атома;

Квантовое число полного орбитального момента атома L, определяемого движение всех электронов может принимать значения L = 0, 1, 2, 3…

Каждой цифре соответствует буква

L =
L =	S	P	D	F	G	H	I

 

Полный момент атома J может принимать значения от J = |L-S| до J = |L+S| с интервалом 1.

В итоге, атомный энергетический уровень записывают в виде символа состоящего из трех квантовых чисел:

Например у Nd³⁺: три валентных электрона образовали суммарный спин (спин электрона = ½) S = 3/2, основные состояния энергетических уровней задаются числом L=6, за счет спин-орбитальных взаимодействий состояние ⁴I расщепилось на 4, соответственно J может принимать значения , , , .

Таким образом основные состояния обозначаются:

, , ,

Возбужденное состояние Nd³⁺ задается числом L = 3, соответственно J = , , , .

______________________________________________________________________________

 

Рассмотрим энергетические уровни Nd³⁺, Er³⁺, Yb³⁺.

Рис. 58

Из данного рисунка видно, что для ионов Nd³⁺ возможно реализация генерации излучения по 4-ех уровневой схеме, а для Er³⁺ по 3-ех уровневой схеме.

Т.к. ионы активаторы располагаются внутри молекулы АС, то на ионы действует электрическое поле элементов, окружающих ионы активатора. Это приводит к расщеплению и смещению энергетических уровней ионов (эффект Штарка), причем конкретное значение положений энергетических уровней определяется конкретным видом матрицы АС, т.е. окружающими ионы активатора элементами.

Так, например, схема энергетических уровней Er³⁺ в кварцевом стекле имеет вид:

Рис. 59

Каждый из энергетических уровней расщеплен на ряд подуровней из-за взаимодействия ионов Er³⁺ с внутрикристаллическим полем кварцевого стекла (эффект Штарка): основной уровень расщепляется на 8 штарковских подуровней, первый возбужденный уровень – на 7 штарковских подуровней, второй возбужденный уровень – на 4.

Энергетические зазоры между штарковскими подуровнями сравнимы по величине с средней тепловой энергией kT при комнатной температуре, поэтому населенность верхних и нижнего штарковских подуровне как для основного состояния , так и для первого возбужденного уровня сильно различаются. Поэтому накачка ионов Er³⁺ возможна и при переходе → .

Как говорилось ранее спектр излучения и поглощения ионов активатора сильно зависит от матрицы АС, т.е. от окружающих элементов или активатора.

На следующем рисунке в качестве примера приведены спектры излучения Er³⁺ в кварцевом стекле с различными добавками:

Из данных рисунков видно, что за счет соответствующего выбора стекла и добавок к нему можно значительно расширить полосу люминесценции ионов Er³⁺ (и соответственно уменьшить τ_имп). Однако технология получения теллуритного стекла, обладающего максимальной спектральной шириной люминесценции гораздо сложнее нежели чем для обычного кварцевого стекла.

Аналогичная картина расщепления энергетических уровней возможна и для ионов Yb³⁺ в стеклах и кристаллах:

В некоторой литературе даже говорят о такой схеме энергетических уровней Yb3+ как о квазичетырехуровневой

Рис. 60 – Схема энергетических уровней в кристалле Yb:KYW

Большая популярность использования ионов Yb³⁺ в качестве активатора обусловлена следующими факторами:

- очень малые стоксовые потери ;

- схема энергетических уровней данного иона такова, что возможна реализация больших концентраций ионов в АС без негативных последствий, концентрация может достигать значений 5..10%. Например для АИГ: Nd оптимальная концентрация ≈ 1%.

Однако у данного иона есть существенный недостаток:

- спектр ширины излучения ограничен полосой ~ 100 см^-1, поэтому предельная длительность импульса излучения для среды с Yb³⁺ находится в районе 100 фс.

На следующем рисунке приведены сечения поглощения и люминесценции для материалов активированных Yb³⁺.

 

На данных рисунках приведены графики для Yb:KLuW, для АС: Yb:KYW, Yb:KGdW графики аналогичны.

Поглощение Yb:KYW характеризуется полосами на длинах 940, 980 нм, что находится вблизи длин волн генерации инжекциооных InGaAs-лазеров.

Таким образом, для накачки Yb:KYW можно использовать дешевые и компактные полупроводниковые лазеры с высоким КПД, что является преимуществом Yb³⁺ сред.

Из данных рисунков также видно, что сечение поглощения и люминесценции в кристаллах может достигать гораздо больших значений чем в стеклах, из-за неоднородного уширения последних.

Принципиальное отличие кристаллов от стекол в качестве матрицы АС заключается в следующем.

Кристаллы обладают кристаллической решеткой, соответственно места, в которых могут находиться ионы активатора, строго определены. В итоге каждый ион активатора окружают одинаково расположенные атомы кристалла, т.е. на каждый ион активатора действует одинаковое внутрикристаллическое электрическое поле.

В отличии от кристаллов у стекла нет кристаллической решетки, поэтому ионы активатора окружают по-разному расположенные и разные атомы стекла. В итоге на ионы активатора действуют разные электрические поля, что по-разному расщепляет энергетические уровни ионов активатора. В результате спектральные линии поглощения и люминесценции ионов активатора неоднородно уширяются и сечение поглощения и люминесценции гораздо меньше, чем для кристаллов.

В подтверждение этому ниже приведен пример полосы люминесценции для перехода → для иона Nd³⁺.

 

Типичные значения ширины линии для перехода между парой отдельных штарковских уровней при комнатной температуре в случае кристаллов ~ 10 см^-1, в случае стекла ~ 100 см^-1.

Если вероятность поглощения или испускания P_ab(ν) на частоте ν;, приводящая к квантовому переходу a → b, одинакова для всех атомов, находящихся на уровне а, то линию называют однородно уширенной. В противном случае неоднородно уширенной.

 

Лазеры УКИ

Существует большое количество разнообразных схем построения лазеров УКИ. В данной главе рассмотрим некоторые наиболее показательные схемы построения лазеров УКИ.

Начнем с лазеров 2-ого поколения.

 

 

ФС-лазеры на красителях с ПСМ

Схема кольцевого лазера на красителе со сталкивающимися в струе поглотителя импульсами приведена на следующем рисунке.

31 – 34 – сферические зеркала;

30 – плоское зеркало.

Рис. 64

Как говорилось ранее, использование схемы лазера на красителях со сталкивающимися импульсами позволяет генерировать самые короткие импульсы для лазеров 2-ого поколения.

ОК имеют время жизни возбужденного состояния несколько нс (см рис. 54, т.е. это время шире люминесцентного перехода S₁ → S₀), поэтому требуют большой мощности накачки для поддержания постоянного уровня инверсии населенности (например время жизни лазерных переходов у Nd³⁺ составляет величину ~ 10^-4 с). Для снижения уровня накачки инверсию населенности получают в малом объеме, т.е. лазерный пучок с помощью сферических зеркал 34-33 фокусируют в АС и излучение накачки фокусируется в малую область АС. Также использование АС больших размеров ведет к большим проявлениям эффектов дисперсионного расплывания и ФСМ. В итоге струя ОК имеет ширину порядка 10 – 200 мкм. Чтобы нелинейность поглощения излучения в просветляющемся поглотителе проявлялась в большей степени, то излучение также фокусируется в поглотитель с помощью сферических зеркал 32 – 31.

Для уменьшения потерь в резонаторе, а следовательно снижения порога генерации и необходимой мощности накачки, струи красителя и поглотителя располагают под углом Брюстера. Это приводит к астигматизму пучка. Для компенсации астигматизма фокусирующие зеркала должны быть наклонены под определенным углом.

Быстрая замена ОК в области генерации излучения осуществляется посредством свободно текущей струи ОК. Придав выходным соплам надлежащую форму, создав достаточно высокое давление и используя достаточно вязкий растворитель (этиленгликоль), можно создавать ламинарный поток ОК высокой оптической однородности с высокой скоростью течения.

АС – родамин 6Ж

поглотитель – медленный насыщающийся поглотитель DODCI

Толщина струи поглотителя равнялась 10 мкм. Такое малое значение толщины обусловлено условием тонкости поглотителя. Именно с использованием тонких поглотителей τ_имп гораздо меньше, чем с использованием толстых поглотителей.

Максимальные эффекты когерентного перекрытия двух импульсов в поглотителе достигаются если оба импульса одинаково усиливаются АС. Это условие достигается, когда расстояние между АС и поглотителем = L/4, где L – длина кольцевого резонатора. Докажем эти факты. Ниже приведена схема эквивалентного резонатора для случая кольцевого резонатора:

Рис. 65

Рассмотрим момент времени τ₀, когда оба импульса (распространяющихся по часовой и против часовой стрелки) перекрываются в поглотителе. Обозначим эти импульсы следующим образом:

П – распространяется против часовой стрелки;

Л – по часовой стрелке.

Время прихода П и Л импульсов в АС отображено на следующем рисунке:

Рис. 66

Чтобы импульсы П и Л одинаково усиливались в АС, необходимо, чтобы за интервалы времени между импульсами Кус АС принимал одинаковые значения.

Так как мощность накачки постоянна, то одинаковое значение Кус достигается за одинаковые интервалы времени => Δ₁ = Δ₂.

Из равенства интервалов времени Δ₁ и Δ₂ можно записать уравнение:

Т.е. мы доказали, что для того, чтобы Л и П импульсы одинаково усиливались АС, необходимо, чтобы расстояние между АС и поглотителем = L/4.

Для уменьшения τ_имп внутрь резонатора помещен призменный компрессор. За счет явлений ФСМ и дисторсии в АС и поглотителе, излучение приобретает частотную модуляцию, поэтому за счет использования компрессоров можно уменьшить τ_имп.

При отсутствии компрессора τ_имп = 65 – 90 фс.

При компрессоре и линейной геометрии резонатора без режима сталкивающихся импульсов τ_имп = 33 фс.

При компрессоре и режиме сталкивающихся импульсов τ_имп 27 фс.

Таким образом, использование внутрирезонаторных схем компрессии и режима сталкивающихся импульсов позволят значительно уменьшить τ_имп.

Лазеры с синхронной накачкой

1) Типовая схема устройства лазера на красителе с синхронной накачкой показана на следующем рисунке:

Рис. 67

Излучение лазера накачки с помощью сферического зеркала фокусируется в струе ОК. Резонатор лазера состоит из трех сферических зеркал, через одно из которых выводится излучение.

Использование схем с разгрузкой резонатора [cavity dumping], т.е. вместо выходного зеркала располагается селектор, позволяет увеличить энергию выходного импульса за счет снижения частоты повторения импульсов.

Селектор состоит из пары сферических зеркал и дефлектора, который выводит импульс из резонатора после нескольких десятков проходов.

Под действием управляющего сигнала дефлектор переключается и осуществляется вывод излучения из резонатора.

Т.к. в исходном состоянии дефлекторы в схеме с разгрузкой резонатора излучение из резонатора не выводится, то β_потерь меньше чем при обычной схеме резонатора. Так как при этом накачка не изменяется по сравнению с обычной схемой, то при уменьшении β_потерь, τ_имп увеличивается. А так как (К_ус – β_потерь) увеличивается, то Е_вых увеличивается.

В итоге схема с разгрузкой резонатора позволяет увеличить энергию импульса на порядок при увеличении τ_имп в 2..3 раза.

 

2) При рассмотрении лазеров УКИ с синхронной накачкой, говорилось, что длины резонаторов лазеров должны быть очень точно согласованными (равны или кратны друг другу). Изменение внешних условий, например температуры может изменить параметры УКИ или даже привести к срыву СМ. Поэтому в лазерных системах для генерации высокостабильных УКИ используются один или несколько контуров регулирования.

Схема лазера с 2-мя контурами регулирования приведена ниже:

Рис. 68

Контур быстрой регулировки посредством измерения τ_имп вырабатывает сигнал для модулятора лазера накачки с СМ. Тем самым возможно изменение параметров импульса накачки: τ^нак, Е^нак.

Двойной контур небыстродействующего регулирования позволяет перемещать выходное зеркало и тем самым изменять длину резонатора. Этот контур обеспечивает долговременную генерацию стабильных лазерных импульсов, уменьшая низкочастотные флуктуации параметров импульса.

3) Синхронную накачку можно осуществлять с помощью цугов мощных пикосекундных импульсов, генерируемых твердотельными лазерами с ПСМ (лазерами 2-ого поколения) или системами, работающими в режиме двойной модуляции: СМ + МД (модуляция добротности).

При использовании режима двойной модуляции достигаются гораздо большие значения Р_пик нежели, чем при СМ. Однако не стационарность параметров импульсов накачки ведет к тому, что параметры сгенерированных импульсов меняются в пределах цуга. Это отображено на следующем рисунке.

(1) – задержка генерируемых импульсов относительно импульсов накачки;

(2) – энергия импульсов генерации;

(3) – длительность импульсов генерации.

Первые импульсы накачки создают в АС усиление достаточное для генерации излучения. При этом т.к. К_ус начинает расти от «0» то требуется много энергии накачки, которая содержится в нескольких импульсах цуга накачки.

Как только К_ус > β_потерь, то происходит генерация излучения. Длительность первых сгенерированных импульсов равна интервалу времени, когда К_ус > β_потерь. При последующих импульсах накачки, сгенерированный импульс уже насколько раз пройдет по резонатору, а значит его энергия увеличится, а τ_имп уменьшится. При этом задержка генерируемых импульсов относительно импульсов накачки ↓.

При уменьшении энергии импульсов накачки, энергия сгенерированных импульсов уменьшается, при этом время задержки начинает увеличиваться, т.к. Кус начинает превышать β_потерь во все более поздние моменты времени. Т.к. Е_имп сгенерированных ↓, то Кус медленнее уменьшается под действием вынужденного излучения => τ_имп ↑.

 

 

Лазеры на вибронных кристаллах

1) Для лазеров 3го поколения стала классической схема «z» -образного резонатора, при этом ПСМ достигается за счет самофокусировки. Изготавливают лазеры с АС: Ti³⁺: сапфир; Cr^3+:: форстерит и другими [В]К.

Данная схема отображена на рисунке:

Рис. 70

Для получения высокой плотности мощности, необходимой для создания инверсной населенности в малом объеме излучения накачки фокусируется в АС с помощью линзы f1 и через дихромное зеркало 32 вводится в АС. Дихромное зеркало 32 пропускает излучение накачки и отражает сгенерированное излучение, т.к. для [В]К λ_н и λ_г значительно различны, то изготовить такое зеркало не является проблематичным.

Для уменьшения потерь в резонаторе торцы АЭ располагаются под углом Брюстера, что приводит к астигматизму резонатора, который компенсируется наклоном зеркал 32 и 34. Сферические зеркала фокусируют излучение в АС. Малый диаметр пучка в АС нужен для достижения высокой интенсивности, необходимой для самофокусировки.

Внутри резонатора располагается призменный двухпроходной компрессор (П1, П2, 34).

Под дисперсией групповой скорости (ДГС) понимают изменение групповой скорости U от частоты (аналогично дисперсии показателя преломления) ДГС характеризуется коэффициентом К₂ в свою очередь

ДГС: (См. формулу (6))

ФСМ и дисперсия излучения в АС ведут к появлению частотной модуляции, т.е. изменению частоты излучения, соответственно изменяется .

В итоге, появление частотной модуляции за счет ФСМ и дисперсии ведет к увеличению ДГС.

Призменный компрессор эквивалентен среде с аномальной дисперсией длиной L_k – длиной при которой τ_имп минимальна. Как говорилось ранее, при длине L_k ФМ импульса отсутствует, т.е. призменный компрессор устраняет ФМ импульса, а т.к. ФМ однозначно связана с ДГС то компрессор уменьшает ДГС. Поэтому компрессор часто называют компенсатором ДГС. Диафрагма Д используется как «жесткая» диафрагма. ПСМ за счет керровской нелинейности, а также с помощью перемещения диафрагмы. Можно осуществлять перестройку длины волны генерации, т.к. в плоскости зеркала есть смещение излучения в зависимости от λ (см. призменный компрессор).

Для включения механизма ПСМ на основе керровской линзы требуется в резонаторе затравочного импульса определенной мощности. Его появления можно добиться, например, при резком перемещении П2 вдоль ее оси.

2) При генерации предельно коротких лазерных импульсов ≤10 фс существенными являются явления, связанные с дисперсией третьего порядка (зависимости ДГС от ω). Для компенсации этих нежелательных явлений лучше подходят чирпированные зеркала или призменные компрессоры, т.к.подбором соответствующего материала и толщины слоев можно добиться нужной зависимости ДГС от частоты. Очевидно, чирпированные зеркала сложно изготавливать, чем призменные компрессоры. Для каждого лазера свои чирпированные зеркала.

На следующем рисунке отображена схема лазера УКИ на Ti: сапфире с использованием чирпированных зеркал:

Рис. 71

 

Данная схема подобна выше рассмотренной, за исключением того, что в ней вместо призменного компрессора используются чирпированные зеркала.

Необходимо отметить, что уменьшение длины АС ведет к сокращению длительности УКИ (т.к. меньше проявляются явления ФСМ и дисперсии, которые пропорциональны относит пройденному расстоянию), поэтому длина АС может достигать 2..3 мм. Однако при уменьшении АС уменьшается и E_имп, поэтому на практике длину АС делают порядка см, что на порядкок..на два меньше, чем для лазера с модуляцией добротности (выполнить ДЗ).

 

Твердотельный лазер на ионах Yb³⁺.

В основу данного лазера положен метод ПСМ с использованием зеркала, который является полупроводниковым насыщающимся поглотителем (SESAM – semiconductor saturable absorber mirror).

Структура SESAM отображена на следующем рисунке

Рис. 72

По сути своей SESAM является тонким насыщающимся поглотителем.

 

На следующем рисунке представлена схема ФС-лазера на кристалле Yb: KYW с использованием SESAM

Рис. 73

Для уменьшения размеров резонатора его схема сложена в пространстве с использованием плоских зеркал 31, 32. Для получения высокой плотности мощности, необходимой для создания инверсной населенности в малом объеме, излучение накачки с выхода волокна светодиода фокусировалось в объем АС с помощью линзы f1. “λ/2” (полуволновая пластинка) использовалась для согласования поляризации падающего излучения накачки с осью максимального поглощения кристалла.

Для компенсации ДГС использовались чирпированные зеркала Ч33 и Ч34. Для фокусировки излучения в SESAM использовалось сферическое зеркало С33. Радиус кривизны зеркала подбирался таким образом, чтобы обеспечить на SESAM интенсивность излучения, превышающую интенсивность насыщения поглотителя.

τ_имп=71 фс

 

 

Волоконные лазеры УКИ

1) Волоконный лазер с ПСМ за счет нелинейного вращения поляризации. Схема такого лазера отображена на следующем рисунке

Рис. 74

Излучение накачки на λ=1480 нм с помощью мультиплексора наводится в активное волокно активированным Er²⁺.

Мультиплексор – устройство с одним выходом и одним входом

В качестве компенсатора ДГС используется отрезок одномодового волокна, обладающего аномальной дисперсией на λ=1550 нм – SMF -28. Степень нужного двулучепреломления достигается с помощью регуляторов двулучепреломления, которые представляют собой несколько витков волокна SMF-28, число которых и радиус изгиба обеспечивает определенную степень двулучепреломления.

В качестве поляризатора используется изолятор Фарадея, который так же обеспечивает однонаправленный режим работы кольцевого лазера, т.е. излучение по кольцевому резонатору распространяется только в одном направлении.

Действие изолятора Фарадея отображено на следующем рисунке:

Рис. 75

 

В ячейке Фарадея под действием внешнего магнитного поля осуществляется поворот плоскости линейно поляризованного излучения на 45⁰. В итоге, изменение состояния поляризации излучения по кольцевому резонатору имеет следующий вид:

Рис. 76

 

Рамановский конвертер

За счет явления комбинационного рассеяния (явления Рамана) – неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества, сопровождающееся заметным изменением частоты излучения, можно преобразовать длину волны излучения 1.061 в 1.448 мкм.

Уменьшение частоты излучения, стоксово рассеяние, (соответственно увеличение длины волны) можно объяснить следующим рисунком:

При поглощении излучения молекула вещества переходит из основного энергетического состояния 1 в возбужденное состояние 2. При последующем переходе молекулы из возбужденного состояния в основное, она не на уровень 1, а на 1’, который является колебательным, вращательным энергетическим подуровнем уровня 1. В итоге испускается квант света с меньше энергией и соответственно с меньшей частотой (длина волны больше).

Схема диодного модуля накачки Yb³⁺ лазера с рамановским конвертером отображена на следующем рисунке:

Рис. 77

При большой интенсивности света, падающее излучение на молекулу и КР излучение действует на молекулу таким образом, что заставляют их еще больше колебаться на частоте Δν, соответствующей колебательному уровню. Это приводит к увеличения интенсивности рассеянного света, что в свою очередь усиливает колебания молекулы. Таким образом сам рассеянный свет вынуждает дальнейший процесс рассеяния. Такое рассеяние получило название [В]КР (вынужденное комбинационное рассеяние). Т.к. при [В]КР интенсивность рассеянного, т.е. излучения, преобразованного λ, больше, чем для КР, то именно [В]КР получило применение для преобразования частоты излучения.

Брегговские решетки (распределенный брегговский отражатель) – это слоистая структура, в которой коэффициент преломления материала периодически изменяется в одном пространственном направлении (перпендикулярно слоям).

 

При прохождении света через такую слоистую структуру он отражается от каждой границы раздела и интерферирует. В итоге брегговские решетки можно использовать как зеркала с высоким коэффициентом отражения и узкой спектральной шириной коэффициента отражения.

Для накачки рамановского конвертера используется Yb-лазер, который в свою очередь накачивается полупроводниковым лазером с λ=978. Резонатор волоконного Yb-лазера сформирован двумя внутриволоконными брегговскими решетками с длиной волны отражения 1061 нм.

В качестве АС рамановского волоконного конвертера используется одномодовый волоконный световод с сердцевиной на основе фосфоросиликатного стекла. В таком световоде за счет [В]КР генерируется излучение на двух длинах волн: 1.24 мкм, 1.48 мкм. Резонатор рамановского конвертера образован парами брегговских волоконных решеток с резонансными длинами волн отражения 1235 нм и 1478 нм. Кроме того для отражения непреобразованной части излучения Yb-лазера на выходе схемы находится брегговская решетка с резонансной длиной волны отражения 1061 нм. Квантовая эффективность рамановского конвертера может достигать 10-40%.

2) Субпикосекундные волоконные лазеры.

В случаях, когда необходимая τ_имп составляет единицы-десятки доли пикосекунд используют более простую схему волоконных лазеров, без компенсатора ДГС

Рис. 78

Резонатор лазера образован отражающей частью полупрозрачного насыщающегося поглотителя и торцом волокна.

Безусловно Er³⁺ волокно можно было и сразу накачивать полупроводниковым лазером на 0.98 мкм без Yb-лазера и рамоновского конвертера, однако в данном случае КПД будет гораздо меньше.

 

Особенности усиления УКИ.

Энергия УКИ фемтосекундной длительности обычно не превышает 10кДж, причем уменьшению длительности импульса сопутствует уменьшение энергии импульса. В ряде приложений требуется Е_имп гораздо больше 10кДж, поэтому энергию лазерных импульсов необходимо усиливать с помощью лазерных усилителей (ЛУС) из-за малой энергии УКИ. Необходимо использовать ЛУС с огромным коэффициентом усиления до 10¹⁰-10¹¹ раз.

Для этих целей можно использовать многопроходные ЛУС с большим числом проходов (в которых G гораздо больше, чем в однопроходных).

Схема многопроходного ЛУС:

Рис. 79

1) При многократно проходе лазерного импульса через АС происходит сужение спектра излучения (импульс становится более монохроматичным), т.к. спектральные части импульса с большей интенсивностью больше усиливаются:

 

Соответственно при уменьшении Δω увеличивается τ_имп. Этот эффект особенно сильно проявляется, когда длительность импульса порядка фемтосекунд.

 

 

Рис. 80

2) Спонтанное излучение. Чтобы за один проход через ЛУС лазерное излучение усиливалось в большое число раз, необходимо создать в АС большое значение К_ус, соответственно чем больше К_ус, тем больше спонтанное излучение.

Таким образом при огромных значениях G ЛУС контраст усиленного лазерного импульса на фоне спонтанного излучения уменьшается.

3) Сложность юстировки многопроходных ЛУС

4) При τ_имп порядка фемтосекунд и энергиях импульса от 0.1 мДж..1 Дж интенсивность импульса принимает гигантские значения:

Также огромное значение интенсивности ведет к проявлению нелинейных эффектов, в частности к самофокусировке. В итоге плотность мощности может превысить порог лучевой стойкости ~10¹⁰-10¹³ Вт/см², что повлечет разрушение АС. С учетом всех недостатков многопроходных ЛУС их целесообразно использовать при умеренном G~10³. На практике многопроходные ЛУС в большинстве в качестве последнего усилительного каскада, тогда не требуется большое G из-за того, что нужно большое η:

Особого внимания заслуживают многопроходные ЛУС на эксимерных средах. В некоторых приложениях необходима генерация УКИ УФ диапазона. Соответственно вторая или третья гармоники ФС-лазера попадает в спектральную область усиления эксимерных сред. Т.к. эксимерная АС является газообразной, то можно использовать огромный объем АС, используемый объем ограничивается лишь сложностью накачки.

Для того, чтобы усиление УКИ было эффективным, т.е. КПД ЛУС был высок, необходимо, чтобы плотность энергии входного лазерного импульса была порядка плотности энергии насыщения Q_нас=hν/σ. При такой энергии входного импульса К_ус ЛУС существенно уменьшится (см. семинары), т.е. почти вся запасенная энергия в АЭ ЛУС посредством создания инверсной населенности перейдет в энергию усиленного импульса. Ниже приведены плотности энергии насыщения для различных АС, которые используются в ЛУС:

АС	Qнас (Дж/см2)	Спектральная область, нм
Красители	~0.001	Видимый диапазон
Эксимеры	~0.001	УФ
Ti: сапфир	~1	~800
Nd: стекло	~5	~1054
Yb: стекло	~40	~1000

Из приведенных данных видно, что АС по значению Q_нас можно разделить на 2 группы:

- АС с малой плотностью энергии насыщения: красители и эксимеры

- АС с большой энергией насыщения: твердотельные среды.

Для УКИ плотность мощность, соответствующая Q_нас для твердотельных АС превышает порог лучевой стойкости материалов АС. Для преодоления этого обстоятельства используют специальный метод усиления УКИ – метод усиления чирпированных импульсов (CPA – метод, Chirped Pulse Amplification). Суть данного метода заключается в следующем: импульс, подлежащий усилению, пропускается через устройство с большой ДГС, в следствии дисперсионного расплывания τ_имп значительно увеличивается до 10⁵ раз и импульс приобретает частотную модуляцию, т.е. становится чирпированным. Т.к. τ_имп увеличивается, то P_пик уменьшается. Такой импульс можно эффективно усилить, без повреждения оптических элементов. После усиления импульс снова пропускают через устройство с той же ДГС, но с противоположным знаком дисперсии. В результате импульс сжимается, компенсируя первоначальное дисперсионное расплывание, и τ_имп становится близким к первоначальному. На следующем рисунке отображена диаграмма данного метода

Рис. 81

Устройство, в котором реализуется большая ДГС называется стретчером (от англ. Stretch – растягивание).

В большинстве случаев дисперсию стретчера делают нормальной, а компрессора – аномальной.

В главе «компрессия ЛИ» мы подробно рассматривали решетчатый компрессор, говорили что данное устройство обладает аномальной дисперсией. Если внутри такого компрессора поместить телескоп с видимым увеличением Г=-1, то такое устройство уже будет обладать нормальной дисперсией.

Данный стретчер стал классическим, его оптическая схема приведена на рисунке:

Рис. 82

Телескопическая система переворачивает изображение, в результате оптический путь для длины волны λ` меньше, чем для λ. Соответственно где T – время прохождения оптического пути, и D – дисперсионный параметр, а значит дисперсия нормальная.

 

Для каждого разделения входного и выходного излучения вместо зеркала используют «зеркало-призму»:

Рис. 83

Т.е. после отражения от такой конструкции излучение распространяется в новой плоскости.

На практике используют более совершенные схемы стретчеров. В частности, стретчеры, в которых нет линз, фокусировка производится с помощью искривленных зеркал. Нежелательность использования линз обусловлена тем, что в них излучения испытывает дисперсионное расплывание, что тяжело скомпенсировать в компрессоре. Например, если

То в компрессоре не будет компенсироваться ДГС в линзах, что ведет к увеличению τ_имп.

Регенеративный усилитель

Типичная частота следования УКИ составляет величину ~100 МГц, во многих приложениях не требуется такая большая частота повторения импульсов. Поэтому в данном приложении можно использовать регенеративный усилитель для значительного усиления ФС-импульсов, G до 10⁷. Регенеративное усиление – самый эффективный метод усиления. Регенеративный усилитель основан на том, что частота следования лазерных импульсов значительно уменьшается на выходе ЛУС, соответственно один лазерный импульс может распространиться на ЛУС большое количество раз до того, как придет следующий импульс.

 

Схема регенеративного ЛУС представлена на следующем рисунке:

Рис. 84

ФС-импульсы от задающего генератора, пройдя стретчер попадают на поляризатор П1. П1 и П2 такие поляризаторы, которые пропускают поляризованное излучение в одной плоскости и отражают, если плоскость поляризации перпендикулярна.

В качестве таких поляризаторов может выступать, например, призма Фуко

Лазерный импульс отражается от П1 и попадает на ЯП1. ЯП – это устройство, основанное на линейном элетрооптическом эффекте (эффект Покельса), который заключается в том, что под действием электрического поля можно поворачивать плоскость поляризации линейно поляризованного излучения на определенный угол, зависящий от величины электрического поля и длины электрооптического кристалла.

Если на ЯП1 не подать электрическое поле, то поляризация импульса не изменится и излучение отразится от П1 и не попадет в усилитель. Как только к ЯП1 приложено электрическое поле, т.е. подан управляющий сигнал, то плоскость поляризации излучения повернется на 90⁰ и лазерный импульс пройдет сквозь П1 и попадет в ЛУС. Это называется инжекция (ввод) импульса. Для того, чтобы из последовательности ФС-импульсов, генерируемых лазе