Способ генерации ультракоротких световых импульсов

Способ генерации ультракоротких световых импульсов при пассивной синхронизации мод внутрирезонаторной поглощающей средой относится к физике лазеров и может быть использован для создания лазерных источников стабильных импульсов света фемто-аттосекундного диапазона длительности. Способ заключается в формировании световых импульсов со спектром шире спектра линии усиления, при этом полные линейные внутрирезонаторные потери поля и потери на зеркалах выбирают превышающими линейное усиление усиливающей среды, поглощающую и усиливающую среды выбирают, используя один или различные материалы, и величина дипольного момента рабочего перехода усиливающей и поглощающей сред превышает один Дебай, при этом лазер генерирует импульсы длительностью порядка одного периода волны лазерного перехода, коэффициент усиления усиливающей среды выбирают достаточным для обеспечения пикового значения Раби частоты импульса в окрестности частоты лазерного перехода (1014-1015 Гц), а соотношение поперечных сечений пучков в усиливающей и поглощающей средах выбирают в широком диапазоне значений (±30%) вблизи значения, равного отношению дипольного момента усиливающей среды к удвоенному дипольному моменту поглощающей среды. Технический результат заключается в обеспечении возможности генерации импульсов длительностью в один оптический период путем выбора усиливающей среды с большим значением коэффициента усиления и оптического резонатора с малыми потерями на зеркалах и путем использования фокусирующей системы, позволяющей управлять шириной пучка в поглощающей среде. 1 ил.

 

Изобретение относится к физике лазеров, в частности к оптическим генераторам ультракоротких световых импульсов, и может быть использовано для создания лазерных источников стабильных импульсов света фемто-аттосекундного диапазона длительности.

Известные способы генерации последовательности оптических импульсов, основанные на помещении внутрь резонатора лазера поглощающей среды (насыщающегося поглотителя), характеризуются слабонелинейным и некогерентным откликом усиливающей среды, а именно Раби-частота генерируемого импульса (ΩR) и ширина спектра генерируемого импульса (Δωp), обе не превышают ширину спектра усиливающей среды (Δωg): ΩR, Δωp<Δωg. Такие способы не реализуют возможности генерации импульсов длительностью порядка единиц фемтосекунд, поскольку минимально возможная длительность τp при этом не может быть ниже величины, равной обратной ширине линии усиления: τp>Δωg-1. Как правило, твердотельные и полупроводниковые среды имеют ширину линии усиления порядка единиц процента частоты лазерного перехода ω0. Титан-сапфировый лазер характеризуется максимально широкой линией усиления, Δωg~0.5ω0. Таким образом, генерация импульсов длительностью в один оптический период невозможна в стандартных схемах синхронизации мод.

Аналогами к заявляемому способу являются способы генерации ультракоротких импульсов с использованием методов пассивной синхронизации мод с поглощающей средой (насыщающимся поглотителем) и методы самосинхронизации мод с помощью наведенной керровской линзы в полупроводниковых лазерах, описанные в патентах: [1] (Т. Shimizu, H. Yokoyama, М.Yamaguchi, Mode-locked semiconductor laser and method of driving the same, US Patent 6,031,851, Feb. 29, 2000 г.), [2] (S.T.Sanders, Multi-wavelength mode-locked laser, US Patent 7,613,214 B2, Nov. 3, 2009 г.), [3] (W.Yang, L.Zhang, Self-mode-locked semiconductor laser, US Patent 2007/0098031 A1, May 3, 2007 г.), [4] (J.L.Chilla, В.Resan, R.R.Austin, Mode-locked external-cavity surface-emitting semiconductor laser, US Patent 2009/0290606 A1, Nov. 26, 2009 г.). Эти полупроводниковые лазеры способны генерировать импульсы пикосекундной длительности, тогда как в заявленном способе получаемые длительности импульсов на три порядка величины короче.

Другим аналогом заявляемого способа является способ генерации сверхкоротких оптических импульсов с использованием рамановского резонатора [5] (патент РФ №2237957, МПК H01S 3/30, дата приоритета 01.02.2000 г., дата публикации 10.10.2004 г.). Для реализации этого способа необходимо использование одного или двух лазеров, возбуждающих рамановские вращательные линии в водороде, которые затем синхронизуются по фазе, образуя сверхкороткий импульс. В предлагаемом способе в применении лазера нет необходимости, кроме как для генерации затравки, после чего лазер, предлагаемый нами, будет работать в автономном режиме. Предполагается также возможным, что затравку можно получить иным способом, модулируя параметры схемы, и таким образом обойтись вообще без использования лазеров.

Наиболее близким по физической сущности и достигаемому техническому эффекту является выбранный в качестве прототипа способ генерации ультракоротких импульсов при синхронизации мод с внутрирезонаторной поглощающей средой [6] (Kozlov V.V. Self-induced transparency soliton laser via coherent mode locking.// Phys. Rev. A - 1997. - Vol.56, P.1607-1612). Этот способ позволяет генерировать импульсы, спектр которых удовлетворяет соотношению Δωp>Δωa, Δωg, и, в частности, таких, что Δωp0, то есть длительностью в один оптический период. Способ позволяет использовать один и тот же материал для поглощающей и усиливающей сред, что является важным практическим преимуществом, но обладает тем недостатком, что ширина поперечного сечения пучка в поглощающей среде должна быть в точности равна половине ширины сечения пучка в усиливающей среде, что затрудняет практическую реализацию способа. Возможно также использование различных материалов для усиливающей и поглощающей сред, при этом также отсутствие управления шириной сечения пучка является недостатком.

Последовательность операций для реализации способа в прототипе состоит в помещении внутрь кольцевого резонатора однонаправленной волны двух сред, одна из которых служит усиливающей средой, а другая поглощающей средой (поглотителем). Предполагается, что эти среды помещены в разные плечи резонатора, сконструированного таким образом, что ширина поперечного сечения пучка в поглощающей среде оказывается в точности равна половине ширины сечения пучка в усиливающей среде (в той лазерной конфигурации, где в качестве усиливающей и поглощающей сред используется один и тот же материал). Одним из способов инициации генерации в этой лазерной системе является подача мощного импульса от стороннего лазера. Возможны и другие способы инициации.

Недостатки прототипа заключаются в следующем: неспособность генерировать импульсы с шириной спектра, равной частоте центрального оптического перехода усиливающей среды, отсутствие способа контролировать ширину пучка в поглощающей среде.

Решается задача генерации импульсов длительностью в один оптический период путем выбора усиливающей среды с большим значением коэффициента усиления и оптического резонатора с малыми потерями на зеркалах и путем использования фокусирующей системы, позволяющей управление шириной пучка в поглощающей среде.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагается способ генерации ультракоротких импульсов при пассивной синхронизации мод лазера, осуществляемый с помощью внутрирезонаторной насыщающейся поглощающей среды (поглотителя), при котором формируются световые импульсы со спектром шире спектра линии усиления вплоть до значений, равных центральной частоте перехода усиливающей среды, для этого полные линейные внутрирезонаторные потери поля и потери на зеркалах выбирают превышающими линейное усиление усиливающей среды, поглощающую и усиливающую среды выбирают с использованием как различных материалов, так и одного и того же материала, используют усиливающую и поглощающую среды с величиной дипольного момента рабочего перехода, превышающей один Дебай, коэффициент усиления усиливающей среды выбирают достаточным для обеспечения пикового значения Раби-частоты импульса в окрестности частоты лазерного перехода (1014-1015 Гц), а соотношение поперечных сечений пучков в усиливающей и поглощающей средах выбирают в широком диапазоне значений (±30%) вблизи значения, равного двум (в той лазерной конфигурации, где в качестве усиливающей и поглощающей сред используется один и тот же материал).

Предлагаемый способ генерации импульсов состоит в реализации режима синхронизации мод, в котором и Раби-частота генерируемого импульса, и ширина спектра генерируемого импульса превышают ширину спектра усиливающей среды: ΩR, Δωp<Δωg. Как одно из необходимых условий достижение этого режима требует повышения уровня накачки усиливающей среды, так что интенсивность внутрирезонаторного поля (I) удовлетворяет неравенству: , где с - скорость света в вакууме, ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, n - показатель преломления усиливающей среды, ħ - постоянная Планка, d - дипольный момент лазерного перехода усиливающей среды. В частности, генерация импульсов длительностью в один оптический период подразумевает интенсивность . Поскольку твердотельные среды характеризуются малыми дипольными моментами, этот диапазон интенсивностей превосходит значения, при которых происходит разрушение материала, поэтому предлагаемый способ генерации предельно коротких импульсов длительностью в один оптический период не может быть реализован в существующих твердотельных лазерах. Предлагаемый способ может быть реализован в газовых и полупроводниковых лазерах с дипольными моментами порядка одного Дебая и выше. Особенно перспективны квантовые точки с гигантскими дипольными моментами в десятки и сотни Дебай. В предлагаемом режиме синхронизации мод длительности генерируемых импульсов обратно пропорциональны пиковой Раби-частоте внутрирезонаторного поля, а именно . В свою очередь, для получения длительностей в один оптический период необходима накачка, при которой ΩR≈ω0.

С целью достижения режима генерации, при котором импульсный режим предпочтительнее непрерывного режима, следует поместить внутрь резонатора насыщающуюся поглощающую среду. Концентрация центров поглощающей среды должна быть такой, чтобы полные линейные внутрирезонаторные потери поля и потери на зеркалах превышали линейное усиление усиливающей среды. В существующих способах генерации ультракоротких импульсов выбираются поглощающие среды, такие, что ширина спектра поглощения поглотителя Δωa превышает ширину спектра генерируемого импульса , Δωa>Δωp.Эти способы имеют тот недостаток, что для генерации импульсов длительностью в один оптический период требуется выбирать поглощающие среды с шириной спектра поглощения, превышающей частоту лазерного перехода: Δωa>Δω0. Таких поглотителей в настоящее время не существует.

В предлагаемом способе генерации ультракоротких импульсов не требуется выбирать поглощающие среды, для которых верно неравенство Δωa>Δωp.Наоборот, выбираются поглощающие среды с обратным соотношением ширин: Δωa<Δωp. Способ генерации импульсов в лазере с такими внутрирезонаторными поглотителями был предложен в [7] (Комаров К.П., Угожаев В.Д. Стационарные 2π-импульсы при пассивной синхронизации лазерных мод. // Квант, электрон. - 1984. - Т.11, №6. - С.1167-1173). Однако соотношение между ширинами спектра усиливающей среды и спектра импульса было таковым: Δωg>Δωp, так что генерация импульсов длительностью в один оптический период в этой схеме недостижима.

Способ генерации ультракоротких импульсов при выполнении соотношения Δωg<Δωp между ширинами спектра усиливающей среды и спектра импульса без использования внутрирезонаторного поглотителя и с использованием схемы активной синхронизации мод, предложенный в [8] (Harvey J.D., Leonhardt R., Drummond P.D., Carter S.J. Superfluorescent generation of mode-locked (pulses // Phys. Rev. A - 1989. - Vol.40, №8. - P.4789-4792), обладает тем недостатком, что внутрирезонаторный модулятор потерь управляется электрическими импульсами, скорость переключения которых не превышает 1 ГГц. При этом спектральная ширина генерируемых импульсов не превышает нескольких десятых процента от лазерной частоты перехода, то есть генерация импульсов длительностью в один оптический период недостижима. Указанный недостаток устраняется в предлагаемом способе, в котором возможны вариации соотношений ширин поперечных сечений пучков в пределах 30% вблизи половинного значения в той лазерной конфигурации, где в качестве усиливающей и поглощающей сред используется один и тот же материал.. При соотношении ширин, равном 0.7, при прочих равных условиях удается достичь порога генерации лазера при половинных значениях накачки, что важно для практических приложений. Осуществление управления соотношением поперечных пучков требует помещения внутрь резонатора фокусирующего устройства. Именно использование в лазере устройства управления поперечным сечением пучка отличает данный способ от прототипа [6] (Kozlov V.V. Self-induced transparency soliton laser via coherent mode locking.// Phys. Rev. A - 1997. - Vol.56, P.1607-1612). Другим отличием является использование больших мощностей накачки, что позволяет получать более короткие по длительности импульсы. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что интенсивный импульс лазерного излучения уширяет линию лазерного перехода посредством эффекта полевого уширения. Чем интенсивнее импульс, тем шире линия и тем меньшую длительность имеет этот импульс. Условием оптимальной реализации режима является возможность управления поперечным сечением пучка в поглощающей или усиливающей среде внутрирезонаторной фокусирующим устройством. Это позволяет понизить порог генерации по мощности накачки до половинного значения по сравнению со схемой, предложенной в [6] (Kozlov V.V. Self-induced transparency soliton laser via coherent mode locking. // Phys. Rev. A - 1997. - Vol.56, P.1607-1612). Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, достигается тем, что по способу генерации ультракоротких лазерных импульсов при пассивной синхронизации мод, осуществляемой с помощью внутрирезонаторной поглощающей среды, согласно заявляемому изобретению управление реализуют путем обеспечения высокого коэффициента усиления в высокодобротном резонаторе полупроводникового лазера с внутрирезонаторной линзой или призмами.

Заявляемый способ иллюстрируется чертежом, на котором представлена схема устройства, реализующего способ генерации ультракоротких световых импульсов. Устройство содержит: кольцевой резонатор, состоящий из трех зеркал 1, 2, 3, усиливающую среду 4, поглощающую среду 5, линзу, или систему линз, или призму 6 (здесь и далее фокусирующая система).

Устройство работает следующим образом. Импульс, циркулирующий в кольцевом резонаторе, испытывает усиление в усиливающей среде 4. Затем он испытывает выходные потери на частично-прозрачном зеркале 3, после чего проходит через фокусирующую систему 6, которая обеспечивает подходящий радиус пучка в поглощающей среде 5 и проходит через поглощающую среду 5, формообразующую проходящий импульс и одновременно вносящую потери, затем цикл замыкается. Стационарный режим реализуется, когда полные потери импульса в точности компенсируются усилением в усиливающей среде 4.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет обеспечить генерацию световых импульсов со спектром шире спектра линии усиления и при обеспечении достаточной внутрирезонаторной мощности с ультракороткими длительностями вплоть до одного-двух периодов световой волны на частоте лазерного перехода.

Источники информации:

[1] Т.Shimizu, H. Yokoyama, M.Yamaguchi, Mode-locked semiconductor laser and method of driving the same, US Patent 6,031,851, Feb. 29, 2000 г.

[2] S. T. Sanders, Multi-wavelength mode-locked laser, US Patent 7,613,214 B2, Nov.3, 2009 г.

[3] W.Yang, L. Zhang, Self-mode-locked semiconductor laser, US Patent 2007/0098031 A1, May 3, 2007 г.

[4] J.L.Chilla, В.Resan, R.R.Austin, Mode-locked external-cavity surface-emitting semiconductor laser, US Patent 2009/0290606 A1, Nov. 26, 2009 г.

[5] Патент РФ №2237957, МПК H01S 3/30, дата приоритета 01.02.2000 г., дата публикации 10.10.2004 г.

[6] Kozlov V.V. Self-induced transparency soliton laser via coherent mode locking. // Phys. Rev. A - 1997. - Vol.56, P.1607-1612.

[7] Комаров К.П., Угожаев В.Д. Стационарные 2π-импульсы при пассивной синхронизации лазерных мод. // Квант, электрон. - 1984. - Т.11, №6. - С.1167-1173.

[8] Harvey J.D., Leonhardt R., Drummond P.D., Carter S.J. Superfluorescent generation of mode-locked (pulses // Phys. Rev. A -1989. - Vol.40, №8. - P. 4789-4792.

Способ генерации ультракоротких световых импульсов при пассивной синхронизации мод внутрирезонаторной поглощающей средой, заключающийся в формировании световых импульсов со спектром шире спектра линии усиления, при этом полные линейные внутрирезонаторные потери поля и потери на зеркалах выбирают превышающими линейное усиление усиливающей среды, поглощающую и усиливающую среды выбирают, используя один или различные материалы, и величина дипольного момента рабочего перехода усиливающей и поглощающей сред превышает один Дебай, отличающийся тем, что лазер генерирует импульсы длительностью порядка одного периода волны лазерного перехода, коэффициент усиления усиливающей среды выбирают достаточным для обеспечения пикового значения Раби частоты импульса в окрестности частоты лазерного перехода (1014-1015 Гц), а соотношение поперечных сечений пучков в усиливающей и поглощающей средах выбирают в широком диапазоне значений (±30%) вблизи значения, равного отношению дипольного момента усиливающей среды к удвоенному дипольному моменту поглощающей среды.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для эффективного формирования сверхкоротких лазерных импульсов. .

Лазер // 999912

Изобретение относится к квантовой электронике и электронной технике и может быть использовано в приборах с мощным коллимированным световым лучом, в частности в телепроекторах, лазерных локаторах, медицине, фотолитографии.

Изобретение относится к самоорганизации света в нелинейных молекулах с обратной связью между наведенными энергиями на двух переходах, преимущественно на двух вращательных переходах основного колебательного терма или на двух колебательно-вращательных переходах основного электронного терма и может быть использовано в квантовой электронике для генерации винтовой волны с большим орбитальным моментом количества движения материи; в молекулярной энергетике для приготовления электромагнитных ловушек, разделения изотопов молекул и организации физико-химических и биологических форм материи; в геофизике для прогноза зарождения шаровых молний, смерчей и радиационных потерь в молекулярных каналах при аномальных макропараметрах атмосферы.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к конструкциям твердотельных лазеров с накачкой лазерными диодами. .

Изобретение относится к области лазерной техники, а именно к лазерным устройствам, предназначенным для проекции изображений на экраны. .

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при работе с твердотельными, жидкостными и газовыми лазерами, применяемыми в лазерной технологии, системах передачи информации, медицине, в научных исследованиях.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при работе с твердотельными, жидкостными и газовыми лазерами, применяемыми в лазерной технологии, системах передачи информации, медицине, в научных исследованиях.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при работе с твердотельными, жидкостными и газовыми лазерами, применяемыми в лазерной технологии, системах передачи информации, медицине, в научных исследованиях.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при работе с твердотельными, жидкостными и газовыми лазерами, применяемыми в лазерной технологии, системах передачи информации, медицине, в научных исследованиях.

Изобретение относится к лазерной технике (твердотельным лазерам). .

Изобретение относится к лазерной технике (твердотельным лазерам) и может быть использовано в приборостроении, военной технике, оптической связи и лазерной локации.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании коротковолновых источников когерентного излучения Твердотельный ап-конверсионный лазер включает ап-конверсионную лазерную среду, помещенную в оптический резонатор, и устройство накачки, включающее два полупроводниковых источника излучения на длинах волн λ1 и λ2 и волоконный модуль, расположенный таким образом, что оптические выходы обоих источников излучения накачки сопряжены с волоконным модулем, а фокусирующая система выполнена ахроматической на длинах волн λ1 и λ2 и расположена таким образом, что выход волоконного модуля сопряжен через нее с ап-конверсионной лазерной средой. Технический результат заключается в обеспечении возможности гомогенизации и высокой пространственной концентрации излучения накачки. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Твердотельный лазер дисковидной формы включает в себя матрицу (1) полупроводниковых лазеров накачки, резонатор с кристаллом (6) дисковидной формы и выходной линзой (8), ударно-струйную систему (10) охлаждения лазерного кристалла (6) и коллиматор (2) пучка накачки. Коллимированный свет накачки входит в фокусирующий резонатор, который содержит два параболических зеркала (4,5) и корректирующее зеркало (7), и многократно фокусируется на лазерный кристалл (6). В первом параболическом отражателе имеется одно или два входных отверстия (9) прямоугольной формы для света накачки. В случае наличия одного отверстия, его геометрический центр смещен вдоль быстрой оси матрицы полупроводниковых лазеров. В случае наличия двух отверстий, они распределены равномерно и симметрично вдоль медленной оси матрицы полупроводниковых лазеров. Технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении мощности лазера. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к оптоэлектронике. Способ генерации электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне заключается во взаимодействии направленного возбуждающего излучения с активной средой образца и получении вторичного электромагнитного излучения. В качестве активной среды образца используют материал со свойствами топологического изолятора, при этом возбуждение осуществляют импульсным излучением с длительностью возбуждающих импульсов τ=10-12-10-14 с, энергией в импульсе Eимп=10-5-10-2 Дж и длиной волны λвозб=350-5000 нм, причем возбуждающее излучение направляют на плоскость образца с активной средой под углом α≠90°. В качестве активной среды может быть использована тонкая пленка или кристалл селенида висмута (Bi2Se3) или теллурида висмута (Bi2Te3). В качестве детектирующего элемента может быть использован теллурид цинка (ZnTe). Технический результат заключается в обеспечении возможности контроля и управления параметрами генерации при возбуждении материалов, обладающих свойствами топологического изолятора. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способу управления импульсным режимом генерации лазерного излучения в лазерной установке на основе твердотельного лазера на кристалле Nd:YAG с диодной накачкой активной среды. При реализации способа обеспечивают подачу на амплитудный модулятор импульсного низкочастотного управляющего напряжения относительно включения питания лазерного диода с временной задержкой Δt, определяемой из условия Δt≥Δtмин=100(11-5α)tЖ, где Δtмин - минимальная величина времени задержки подачи на амплитудный модулятор импульсного низкочастотного управляющего напряжения, tЖ - время жизни активного центра лазерной среды на верхнем уровне рабочего перехода, а α = P н а к P н а к п о р - параметр накачки, показывающий превышение мощности накачки P н а к над пороговым значением P н а к п о р . Область изменения величины α для осуществления ровной пачки импульсов находится в пределах 1,6 ≤ α ≤ 2,0 . Технический результат заключается в обеспечении стабильного импульсного режима генерации лазерного излучения. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Дисковый лазер состоит из оптического резонатора с первой оптической осью, активной пластины, имеющей первую поверхность и вторую поверхность, размещенной внутри оптического резонатора и закрепленной на хладопроводящей подложке своей первой поверхностью, лазера накачки, системы фокусировки излучения лазера накачки и многопроходной оптической системы накачки. Система накачки представляет собой полуконцентрический резонатор с единственным внешним отражателем с вогнутой зеркальной поверхностью, имеющим вторую оптическую ось и характеризуемым фокусным расстоянием, в котором на двойном фокусном расстоянии от внешнего отражателя перпендикулярно второй оптической оси размещены отражающий слой и зеркальное покрытие плоского отражателя. Система фокусировки расположена между лазером накачки и активной пластиной таким образом, что пучок излучения лазера накачки направляется к пластине под углом падения, большим половины угла схождения пучка, и фокусируется в пятно возбуждения вблизи точки пересечения второй оптической оси со второй поверхностью активной пластины, не включающее эту точку. При этом центр пятна возбуждения отстоит от этой точки на расстоянии, превышающем четверть диаметра пучка лазера накачки на двойном фокусном расстоянии от пятна возбуждения. Технический результат заключается в упрощении устройства, увеличении его надежности и расширении спектрального диапазона за счет уменьшения нагрева активной гетероструктуры. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к физике лазеров, в частности к оптическим генераторам ультракоротких световых импульсов, и может быть использовано для создания лазерных источников стабильных импульсов света фемто-аттосекундного диапазона длительности

Наверх