Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
КОМБИНАЦИОННЫЙ ЛАЗЕР

КОМБИНАЦИОННЫЙ ЛАЗЕР

КОМБИНАЦИОННЫЙ ЛАЗЕР - нелинейно-оптич. преобразователь когерентного света на основе вынужденного рассеяния (ВР). Назван также лазером, хотя в нём происходит не вынужденное излучение, а вынужденное рассеяние света. При возбуждении нелинейной среды (газа, жидкости, твёрдого тела) интенсивным (лазерным) светом с частотой (накачкой) последняя в результате ВР преобразуется в излучение другой, обычно низкочастотной (стоксовой) частоты , где - стоксов сдвиг, зависящий от вида ВР и свойств среды. При таком преобразовании частоты существенно меняются характеристики света: увеличивается его интенсивность, направленность, относит, диапазон перестройки частоты. Для создания К. л. используются почти все виды ВР, а особенно часто вынужденное комбинационное рассеяние света (ВКР) [1, 2] и вынужденное рассеяние Мандельштама - Бриллюэна (ВРМБ) [3] (см. Вынужденное рассеяние света).

Рис. 1. Принцип действия основных типов комбинационных лазеров; светлые стрелки - фо-тоны накачки; заштрихованные стрелки - рассеянные (стоксовы) фотоны; кружки и овалы- центры рассеяния; а - суперлюминесцентный усилитель; б - генератор; в - попутный усилитель с насыщающим внешним стоксовым сигналом.

К. л. можно условно разделить на три осн. типа (рис. 1): суперлюминесцентные усилители, комбинационные генераторы и комбинационные усилители с насыщающим внеш. сигналом. В суперлюминесцентном усилителе (рис. 1, а) спонтанно рассеянный свет усиливается до уровня, сравнимого с накачкой на одном (или нескольких) проходе пучка накачки через среду с высоким инкрементом усиления. Если считать, что рассеивается каждый фотон, то предельный кпд частотного преобразования К. л. равен отношению энергии рассеянного фотона к энергии фотона накачки: и при может приближаться к 1. Однако высокий кпд в суперлюминесцентном усилителе получить не удаётся вследствие развития не одной, а нескольких стоксовых и антистоксовых компонент. Суперлюминесцентный усилитель не уменьшает также расходимость пучка по сравнению с пучком накачки.

Комбинац. генератор (КГ) представляет собой усилитель, помещённый в оптический резонатор, поэтому энергетич., временные и пространств. характеристики генерируемого излучения определяются свойствами резонатора (рис. 1, б). Так, напр., с помощью резонатора расходимость пучка может быть уменьшена до минимально возможной, определяемой дифракционной расходимостью. Однако и в КГ невозможно добиться 100% квантового выхода накачки в первую стоксову компоненту, т. к. очень трудно подавить вторую.

От этих недостатков свободен третий тип К. л.- усилитель-преобразователь с насыщающим внеш. сигналом (рис. 1, в), в качестве к-рого обычно берётся пучок от КГ на стоксовой частоте. В этом случав практически все фотоны накачки преобразуются в стоксовы и т. к. на входе нет второй стоксовой компоненты, то в таком усилителе она развиваться и не будет. Т. о., в этом типе К. л. можно получить кпд преобразования, близкий к предельному, а пучок на выходе - с дифракц. расходимостью. Такой усилитель может быть попутным (накачка и сигнал идут примерно в одном направлении) или встречным (накачка и сигнал идут навстречу друг другу). Встречная схема менее удобна, чем попутная, т. к. при одном и том же инкременте усиления во встречном варианте требуется более интенсивный входной сигнал. Однако встречный усилитель позволяет осуществлять временное сжатие (компрессию) импульса накачки за счёт усиления значительно более короткого встречного стоксова импульса (рис. 2) [4]. В момент, когда передняя половина импульса накачки (длительность , скорость ) заполнила среду длиной L= , о неё с противоположной стороны входит короткий стоксов импульс длительностью (рис. 2, а). Двигаясь со скоростью в возбуждённой среде навстречу импульсу накачки (рис. 2, б), короткий сток-сов импульс "перекачивает" в себя значит. часть её энергии (фотоны накачки переходят при рассеянии в стоксовы фотоны). В результате мощность стоксова импульса может многократно превзойти первонач. мощность накачки (рис. 2, в).

Рис. 2. Преобразование длинных импульсов накачки в короткие стоксовы импульсы (временная компрессия) во встречном комбинационном усилителе с насыщающим внешним сигналом.

Применение профилированных импульсов накачки и стоксова сигнала (от спец. внеш. источников) позволяет преобразовать длинные импульсы 20 нс) из одной области спектра в короткие импульсы нс) др. частоты [4, 5].

Рабочие частоты совр. К. л. охватывают разл. участки спектра от УФ- до среднего ИК-диапазона. Эти частоты определяются рабочими частотами лазеров, пригодных для использования в качестве источников накачки, а также величиной , к-рая в зависимости от вида рассеяния может быть от 10^-2 до 4,15*10^-3 см ^-1. Для К. л. УФ- и видимого диапазонов источниками накачки служат эксимерные лазеры на молекулах KrF, XeCl, XeF с длинами волн соответственно 249, 308, 353 нм [С]. Для накачки К. л. видимого и ближнего ИК-диапазона используются лазеры на красителях и твердотельные лазеры. К. л. среднего ИК-диапазона (напр., перестраиваемые от 13 до 17 мкм) на вращат. уровнях параводорода накачиваются СО ₂ -лазером (= =9,6-10,6 мкм).

Перестройка частоты К. л., как правило, осуществляется перестройкой , однако в К. л., основанных на ВР света на спиновых подуровнях полупроводника в магн. поле и на ВР на поляритонах в ионном кристалле, возможна также плавная перестройка изменением соответственно магн. полем и поворотом кристалла.

Энергия, мощность и интенсивность К. л. определяются энергией и мощностью накачки, а также типом К. л. и его конструкцией (рис. 3) [1]. Практически энергия К. л. ограничивается энергией накачки, т. к. лишь незначит. её часть, равная , идёт на нагрев среды. Наиб. часто нелинейными средами в К. л. являются сжатые газы (водород, дейтерий, метан), жидкости (жидкий азот и кислород), твёрдые тела как кристаллические (полупроводники, ионные кристаллы), так и аморфные (стекловолокно). Для оптим. (пространственно однородной) накачки используются растровые фокусирующие системы в сочетании со светопроводами. К. л. широко используются на практике для решения таких актуальных проблем квантовой электроники, как создание мощных перестраиваемых лазерных источников в новых участках спектрального диапазона; увеличение плотности энергии, а также интенсивности мощного лазерного излучения при одноврем. уменьшении расходимости пучка (увеличение яркости источника). При этом возможно объединение (суммирование) энергий и мощностей неск. лазеров в одном пространственно-когерентном пучке (т. н. когерентное суммирование) [1, 6].

Рис. 3. Конструкция мощного комбинационного лазера (усилитель с насыщающим внешним сигналом) с растрово-светопро-водной системой накачки.

Лит.:1) Басов Н. Г., Г р а с ю к А. 3., Зубарев И. Г., Комбинационные лазеры, "Природа", 1978, № 12, с. 38; 2) Г р а с ю к А. 3., Комбинационные лазеры, "Квантовая электроника", 1974, т. 1, №3, с. 485; 3) Р а г у л ь-с к и и В. В., Лазеры на вынужденном рассеянии Мандель-штама-Бриллюэна, "Тр. ФИАН", 1976, т. 85, с. 3; 4) Murray J. К. и др., Raman pulse compression of excimer lasers for application to laser fusion, "IEEE J. Quant. Electronics", 1979, v. QE15, № 5, p. 342; 5) Fedosejevs R., Often-berger A. A., Subnanosecohd pulses from a KrP laser pumped SF, Brillouin amplifier, "IEEE J. Quant. Electronics", 1985, v. QE 21, № 10, p. 1558; G) Stimulated Raman and Brillouin scattering for laser beam control, "J. Opt. Soc. Amer. (JOSA), B", 1986, v. 3, №10, p. 1329. A. 3. Грасюк.