Лазеры с распределенной обратной связью

До сих пор мы рассматривали лазерные резонаторы, в которых обратная связь осуществляется с помощью зеркал резонатора. Существуют, однако, лазеры, в которых внешние элементы обратной связи отсутствуют, а сама активная среда выполняет роль распределенной обратной связи. Такой принцип обратной связи может применяться в твердых телах, жидкостях, газах и полупроводниках. Для получения ультракоротких световых импульсов, а также для создания возможности плавной перестройки длины волны особый интерес представляют лазеры, на красителях с распределенной обратной связью (DFDL) (англ. Distributed Feedback Dye Laser).

Принцип распределенной обратной связи можно пояснить с помощью рис. 3.4. Пучок когерентного света лазера накачки Общее описание пикосекундных лазеров расщепляется с помощью делителя лучей на два парциальных пучка, которые после отклонения на угол Э попадают в раствор красителя и в этой среде интерферируют. Полученная таким способом картина из интерференционных полос света накачки создает пространственную периодическую модуляцию усиления и показателя преломления в лазерном веществе. На такой пространственной структуре происходит брэгговское отражение световой волны, которое и реализует обратную связь. Во время прохождения импульса накачки в лазерном резонаторе возникает стоячая световая волна. Ее происхождение можно объяснить следующим образом. Вследствие спонтанного излучения возбужденных молекул красителя сначала возникают две слабые встречные волны. Затем в инвертированных областях интерференционной картины эти волны усиливаются, через брэгговское отражение начинают взаимодействовать, и благодаря их наложению возникает нарастающая стоячая световая волна. Этот процесс характеризуется резко выраженной направленностью, поскольку созданная светом, накачки интерференционная картина располагается по длине лазерной среды. Вследствие условия Брэгга обратная связь обладает большой селективностью по длинам волн. Длина волны полученного лазерного света удовлетворяет соотношению

 

λ_D = 2n_LΛ (3.14)

 

где n_L — показатель преломления раствора по длине волны λ_D, а расстояние между интерференционными полосами равно

 

Λ = λ_p/(2sinθ) (3.15)

 

λ_p — длина волны света накачки, θ — угол, под которым происходит наложение обоих парциальных пучков.

Рис. 3.4. Устройство лазера на красителе с распределенной обратной связью

В качестве лазера накачки для DFDL наиболее подходящими являются азотный или эксимерный лазеры, поскольку такие лазеры отличаются особенно простым управлением и надежностью. Настройка длины лазерной волны может выполняться путем варьирования n_L (величина n_L может принимать различные значения при смешивании растворителей в различных концентрациях) или посредством изменения давления в растворе красителя. Настройка в более широкой области длин волн достигается, если изменять расстояние Λ между интерференционными полосами. Как видно из (3.15), Λ будет изменяться при изменении угла падения 6. Его можно изменять, вращая в противоположных направлениях оба отклоняющих зеркала относительно вертикальных осей. При возбуждении DFDL нано- и субнаносекундными импульсами режим работы лазера становится нестационарным.

 

Рис 3.6. Экспериментальное устройство DFDL с бегущей волной.

G1 — голографическая дифракционная решетка для создания задержанного фронта импульса; G2 — голографическая дифракционная решетка, выполняющая роль делителя светового луча; CL — цилиндрическая линза; DC — кювета с лазерным красителем; BS — делитель света; SP — спектрограф; STC—двухпикосекундная развертывающая камера (по [5]).

1—импульс накачки; 2 — фронт импульса; 3 — кварцевый блок;

4 — DFDL-импульсы.

 

В этом можно убедиться, если проследить за релаксационными колебаниями, приводящими к возникновению некоторого числа коротких лазерных импульсов. Между лазерным порогом и порогом вторичного импульса возникает отдельный короткий импульс. Если интенсивность накачки чуть ниже порога второго импульса, то длительность короткого импульса почти в 50 раз меньше длительности импульса накачки. Если, например, пользоваться азотным лазером с длительностью импульса 3,5 нс в качестве источника накачки, то могут получаться отдельные импульсы обратной связи длительностью 70 пс. При возбуждении DFDL светом второй и третьей гармоник АИГ: Nd-лазера с синхронизацией мод и длительностью 16 пс получались импульсы длительностью 1,6 пс [5].Еще более короткие импульсы достигаются при возбуждении DFDL бегущей волны с применением двух голографических дифракционных решеток. Если ультракороткий световой импульс длительностью в несколько пикосекунд проходит через такую решетку, он претерпевает дифракцию, соответствующую его длине волны. При этом на каждом штрихе решетки в направлении максимальной интенсивности возникает пространственное замедление порядка одной длины волны. Если падающий пучок охватывает N участков решетки, то полное временное запаздывание вдоль фронта импульса составит Δt = Nλ_p.

Если перед дифракцией на решетке запаздывание происходило нормально к волновому вектору, то после дифракции направление запаздывания образует с волновым вектором угол γ, определяемый соотношением tgγ=λdβ/dλ (dβ/dλ — угловая дисперсия решетки). Если импульс с таким фронтом направить в DFDL, как это показано на рис. 3.6, то после наложения обоих пучков в кювете с красителем возникнет интерференционная картина, как и в нормальном DFDL. Положения максимумов и минимумов в этой картине будут стационарными, но контур интенсивности будет перемещаться вдоль кюветы слева направо со скоростью v = c/tgγ. Такая бегущая волна света накачки в свою очередь создает в DFDL бегущую волну, распространяющуюся в растворе красителя со скоростью v '. В случае синхронного распространения обеих волн, т. е. при v = v', угол у между фронтом замедленного импульса и первоначальным фронтом должен удовлетворять условию tgγ = n_L. Его выполнения можно достичь двумя способами: вращением замедляющей решетки или подбором показателя преломления путем изменения концентрации раствора. Первые эксперименты, в которых использовалась описанная методика, позволили получить импульсы с максимальной длительностью 1 пс, причем отдельные импульсы генерировались в условиях значительного превышения порога.