CC BY
31
УДК 621.378.325
САМОСИНХРОНИЗАЦИЯ МОД ЛАЗЕРА НА НЕОДИМОВОМ СТЕКЛЕ ПРИ БЫСТРОЙ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ С ПОМОЩЬЮ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ОПТОЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ
Д. Б. Ворчик, М. В. Горбунков
Высоковольтная кремниевая структура применена в качестве управляющего элемента оптоэлектронной системы управления в лазере на неодимовом стекле для реализации режима синхронизации мод при быстрой отрицательной обратной связи без использования дополнительной модуляции добротности резонатора. Получена генерация гладких, воспроизводимых, стабилизированных по амплитуде 20-пс импульсов с числом пичков в цуге ~ 104.
В настоящее время экспериментальная физика испытывает потребность в компактных и надежных лазерных системах, позволяющих получать гладкие цуги ультракоротких световых импульсов с количеством пичков, достигающим 104. Как правило, такое излучение получают в результате совместного действия системы отрицательной обра тной связи (ООС), осуществляющей амплитудную стабилизацию излучения, и системы синхронизации мод лазера [1-3].
В данной работе многокомпонентная кремниевая высоковольтная структура [4] была применена в качестве управляющего полупроводникового элемента (ПЭ) внутрирезона-торной ячейки Поккельса лазера на неодимовом стекле. Созданная твердотельная опто-электронная система позволила одновременно осуществлять как амплитудную стабилизацию лазерного излучения, так и самосинхронизацию мод лазера без дополнительной модуляции добротности резонатора (просветляющиеся поглотители, акустооптически> модуляторы, внутрирезонаторные полупроводниковые пластины и т.д.). Подобная опто-электронная схема применялась нами [5] для самосинхронизации мод ИАГ неодимового
лазера . В этих экспериментах была достигнута длительность импульса ~ 150 пс. Отметим, что амплитуда управляющего напряжения на ячейке Поккельса не превышала 500
что составляет 10% от полуволнового напряжения ячейки. Увеличение амплитуды ограничивалось насыщением активного элемента лазера. Переход к неодимовому стеклу дал возможность заметно повысить среднюю мощность генерации, увеличить число фотогенерируемых в ПЭ носителей и поднять управляющее напряжение до 1,5 кВ. В итоге были получены гладкие, с высокой степенью воспроизводимости, длинные цуги
100 мкс) ультракоротких (< 20 пс) световых импульсов в ближнем инфракрасном диапазоне (Л = 1,054л«кл«).
Схема экспериментальной установки приведена на рис. I. Лазер работал в импульсном режиме с частотой повторения 1 Гц. Энергия накачки не регулировалась и составляла 75 Дж (блок питания БПЛ 33-75У). В качестве активного элемента использовалось фосфатное стекло ГЛС-24 размерами 05 х 80 мм2 в охлаждаемом водой квантроне К-104Г. Резонатор имел длину Ь — 120 см, был образован двумя зеркалами с коэффициентом отражения Я = 0,98. Зеркала, одно из которых сферическое (г = 2,5»«), а второе - плоское, напылены на клиновидные подложки. Для селекции низшей поперечной моды резонатора вблизи сферического зеркала установлена диафрагма диаметром 2,5 мм. Был применен внутрирезонаторный затвор на основе ячейки Поккельса (ЯП), состоящий из многослойного поляризатора (П), установленного под углом Брюстера, и оптоэлектронной системы управления (ОСУ). С целью уменьшения паразитной индуктивности кристалл БКБР (размер 8 х 8 х 20 .«л«3, суммарная емкость кристалла и монтажа Сяп < 4 п Ф) был установлен непосредственно на плате оптоэлектронной схемы. Полуволновое напряжение используемого кристалла - 4,8 кВ при двух проходах через кристалл (продольный электрооптический эффект). Отраженное от поляризатора излучение через систему регулируемой оптической задержки (03) отводилось на полупроводниковый элемент оптоэлектронной схемы управления. Для достижения однородности засветки Г1Э применялся призменный расширитель, позволяющий формировать "строчку" излучения, соответствующую размерам полупроводникового элемента (2,2 х 1,1 х 1,1 жл«3). Под действием излучения, отводимого в линию оптической задержки ООС, осуществлялись самомодуляция внутрирезонаторной ячейки Поккельса и амплитудная стабилизация излучения.
Электрическая схема ОСУ представлена на рис. 2. Питание схемы осуществлялось двухканальным высоковольтным источником регулируемого постоянного напряжения в пределах от 0 до ±2,5 кВ. Емкость С\ (С\ >> С1П, С2) служит для быстрого (Т < 2Ь/с)
31 БКОР П АЭ Д 32 АГАТ-сф-Зм
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
заряда емкости кристалла Сяп через ПЭ. Емкость Сг (Сг Сяп) замыкает цепь по переменному току. Импульсное напряжение на кристалле в процессе генерации лазера измерялось при помощи высокочастотного резистивного (/?2, Яз) делителя с временем отклика ~ 100 пс. Разряд Сяп осуществляется через Яо = Д^г/С^х + Д^) с характерным временем, примерно равным времени обхода светом резонатора Тр. Оптимизация схемы управления достигается путем изменения Я0 при варьировании в пределах 0 — 7 к Ом.
Кинетические измерения проводились с помощью скоростного осциллографа С7-19 (полоса 5 ГГц) и запоминающего осциллографа С8-12. Тонкая временная структура излучения исследовалась электронно-оптической камерой с линейной разверткой АГАТ-СФ-ЗМ (разрешение < 2нс). Синхронизация камеры с излучением лазера достигалась специальной электронной системой, обеспечивающей плавную задержку в интервале 0 - 500 мкс при нестабильности срабатывания ±100 пс.
В линейном режиме работы ПЭ самосинхронизация мод лазера при быстрой ООС [о] осуществляется следующим образом. После того как световой импульс, отведенный в линию оптической задержки ООС, попадает на ПЭ, начинается быстрый заряд емкости кристалла БКБР ячейки Поккельса фототоком ПЭ. Напряжение на кристалле ЯП резко возрастает. Затем, после заряда емкости кристалла ЯП до максимального значения
Рис. 2. Схема оптоэлектронной системы управления.
Umax, начинается ее экспоненциальный разряд через сопротивление Ro■ Разряд емкости продолжается до начала следующего цикла заряда, который определяется приходом очередного светового импульса на ПЭ. Моменту начала заряда Cin соответствуют минимальное напряжение на кристалле Umin и максимальное пропускание ячейки Поккельса. Существенно, что для реализации режима самосинхронизации мод длина линии оптической задержки должна соответствовать прохождению через кристалл оптического импульса, циркулирующего в резонаторе лазера, в момент достижения максимума пропускания ячейки Поккельса. Остаточное напряжение i/m,n определяет действие 00С, которая приводит к стабилизации излучения. Длительность установившегося светового импульса т задается формой функции пропускания ячейки T(t). По аналогии с теорией активной синхронизации мод при гармонической модуляции потерь [6] в случае произвольной формы модуляции для длительности стационарного установившегося импульса можно получить г ~ (Т"^^))-1/4, где T"(t3ap) - вторая производная по времени от функции пропускания модулятора в момент начала заряда Сжп. Временной ход пропускания модулятора представляет собой несимметричную "пилу" с длинным передним фронтом ~ Тр и коротким задним фронтом. Скорость нарастания переднего фронта определяет отношение Umax/Umin (или, соответственно, Tmax/Tmin) и достаточно жестко задается требованием реализации режима генерации гладких (без самомодуля-
ции) цугов в режиме 00С [7]. Поэтому основной возможностью увеличения Т"(13ар) и уменьшения длительности импульса является сокращение заднего фронта управляющего напряжения, который соответствует заряду С1П фототоком ПЭ. Использование составного элемента, состоящего из относительно низковольтных р-п переходов (5 шт.) позволило реализовать заряд Сяп за время < 0,5 не.
Контроль степени насыщения активного элемента и связанного с ним падения усиления проводился путем измерения управляющего напряжения в процессе генерации. Оптимальная настройка призменного расширителя и зеркала 03, направляющего и мучение на ПЭ, позволила вырабатывать управляющие напряжения амплитудой >1,5 к В при насыщении среды < 10%. Форма управляющего напряжения представлена на рис. 3.
Рис. 3. Осциллограмма управляющего напряжения.
Оптимизация лазерной системы проводилась путем варьирования разрядного сопротивления В,о ОСУ при ипз = 2,0 кВ. При этом для каждого значения Ло выбиралась величина IIсм, соответстующая генерации лазера чуть ниже порога возникновения самопульсаций [7]. Окончательно составило 3 к Ом, в этом случае лазер генерировал гладкие цуги одиночных на аксиальном интервале импульсов. Суммарная длительность цуга ~ 100мке, характерное время формирования одиночного импульса ~ 10л1л:с. Измерения, выполненные с помощью камеры АГАТ-СФ-3, показали, что длительность
установившегося импульса <20 пс (см. рис. 4).
О
50 пс 100 пс 150 пс I
___I___I___I_ь
Рис. 4. Форма лазерного импульса, зарегистрированная камерой АГАТ-СФ-3.
Основной результат данной работы - успешное применение высоковольтной кремниевой структуры в лазере на неодимовом стекле для реализации режима синхронизации мод при быстрой ООС без использования дополнительной модуляции добротности резонатора. Применение данной структуры в качестве управляющего элемента опто-электронной системы позволило получить устойчивую генерацию гладких, воспроизводимых, стабилизированных по амплитуде 20- п с импульсов с числом пичков в цуге ~ 104. Необходимо отметить, что примененная внутрирезонаторная схема выполнена в полностью твердотельном вар цантел проста в использовании, надежна и отличается небольшими размерами (30 х 50 х 15жл«3).
В заключение авторы выражают благодарность Н. А. Борисевичу и В. А. Петухову за полезные обсуждения, М. А. Семенову и П. С. Анциферову за помощь в обработке результатов. Работа поддержана РФИИ (грант N 97-02-17008).
ЛИТЕРАТУРА
[1] К о м а р о в К. П., Кучьянов А. С., У г о ж а е в В. Д. Квантовая электроника, 13, N 4, 802 (1986).
[2] Buchvarov I., Saltiel S., Stankov К, and Georgev D. Opt. Communs., 83, N 12, 65 (1991).
-[3] Del Corno A., G a b e t t a G., R e a 1 1 i G. С. et al. Opt. Lett., 15, 734 (1990).
[4] G o r b u n k о v M. V. and V о г с h i k D. В. CLEO/Europe'96.-CThI61, p. 282.
[5] В о p ч и к Д. Б., Горбунков М. В. Физические основы в приборах электронной лазерной техники. Труды МФТИ, М., 1995, с. 4.
[6] К u i z e n g a D. J. and S i e g m a n A. E. IEEE, J. Quantum Electron., 6, 694 (1970).
[7] Г о p б y h к о в M. В., Ж y к о в с к и й К. В. Препринт ФИАН N 19, М., 1996.
Поступила в редакцию 9 сентября 1997 г.
