Способ компенсации сужения спектра излучения в лазерном регенеративном усилителе и устройство для его осуществления
METHOD FOR COMPENSATING FOR THE NARROWING OF RADIATION SPECTRUM IN LASER REGENERATIVE AMPLIFIER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к акустооптике и лазерной технике и может быть использовано в лазерах ультракоротких импульсов, в частности в фемтосекундных и пикосекундных регенеративных лазерных усилителях.
3+
3+
3+
2
3
Фемтосекундные и пикосекундные лазеры находят широкое применение в современной науке, промышленности и медицине. Для получения лазерных импульсов достаточной энергии используются лазерные системы с регенеративными усилителями. Лазерный регенеративный усилитель имеет открытый оптический резонатор с расположенной с нем активной средой. Благодаря тому, что в резонаторе лазерный импульс проходит через активную среду многократно (десятки и сотни раз), такие усилители могут увеличивать энергию лазерного импульса в миллионы раз, одновременно обеспечивая высокую эффективность преобразования энергии накачки в энергию лазерного импульса. Так типичные фемтосекундные регенеративные усилители на кристаллах титан-сапфира (Ti:AlO), кристаллах и стеклах с ионами иттербия Yb или неодима Nd позволяют получать на выходе фемтосекундные лазерные импульсы с энергией от нескольких микроджоулей до десятка миллиджоулей.
Вследствие конечной ширины спектральной полосы усиления активной среды, ширина спектра усиленного лазерного импульса оказывается существенно меньше, чем ширина спектра импульса на входе в усилитель. Эффект регенеративного сужения спектра проявляется и в ширикополосных усилителях на кристаллах титан-сапфира. Сужение спектра естественным образом приводит к нежелательному увеличению длительности выходного лазерного импульса, и в приложениях, где использование импульсов предельно короткой длительности или высокой пиковой мощности является принципиально необходимым, оно должно быть скомпенсировано.
Из уровня техники известен способ частичной или полной компенсации регенеративного сужения спектра. В работе (Bagnoud, V., Salin, F., Amplifying laser pulses to the terawatt level at a 1-kilohertz repetition rate // Appl. Phys. B-Lasers Opt. - 2000. - V. 70. - P. S165), описан способ компенсации сужения спектра, заключающийся в том, что в резонаторе регенеративного усилителя размещается спектральный фильтр, имеющий спектральную кривую пропускания обратную спектральной полосе усилителя. Изменение кривой пропускания фильтра осуществляется настройкой ориентации оптической двулучепреломляющей пластины, входящей в состав фильтра.
Недостатком данного способа является использование механически перестраиваемого фильтра, что требует переюстировки оптической схемы при изменении режима работы усилителя (например, при перестройке спектра задающего генератора или изменении выходной энергии), либо даже замены корректирующего элемента.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) заявленного способа является способ контроля спектральной амплитуды ультракоротких лазерных импульсов, излучаемых многопроходными лазерными усилителями (патент ЕР 1604435 В1, опубл. 18.11.2009). Сущность указанного способа заключается в размещении в резонаторе усилителя программируемого акустооптического устройства коллинеарной или квазиколлинеарной геометрии с синтезированной спектральной функцией пропускания нулевого порядка дифракции. Синтез функции пропускания акустооптического устройства осуществляется генератором, программируемым при помощи компьютера. Искажения в спектре лазерного импульса вносятся акустооптическим устройством на каждом проходе через резонатор.
Способ имеет следующий недостаток. Длительность фазы усиления в регенеративном усилителе, то есть время от инжекции лазерного импульса в резонатор до момента выброса усиленного импульса из резонатора, обычно составляет, в зависимости от активной среды, от 100 не до 1 мкс, что существенно меньше времени пробега ультразвуковой волны через акустооптическое устройство (фильтр) коллинеарной или квазиколлинеарной геометрии (не менее 20 мкс). Это приводит к тому, что вносимые акустооптическим фильтром спектрально-зависимые потери практически не изменяются в течение фазы усиления и остаются одинаковыми на всех проходах лазерного импульса по резонатору. В частности, на последних проходах по резонатору, когда энергия лазерного импульса максимальна, а коэффициент усиления за проход близок к единице, потери, вносимые акустооптическим фильтром, такие же, как и на первых проходах, когда коэффициент усиления за проход максимален, а энергия импульсов мала. Это приводит к нежелательным потерям энергии и требует изменения режима работы усилителя, в частности путем увеличения энергии накачки и числа проходов.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) заявленного устройства является устройство, состоящее из регенеративного усилителя на кристалле титан-сапфира с открытым резонатором с размещенным в нем внутрирезонаторным акустооптическим программируемым фильтром контроля усиления, управляемым при помощи программируемого от компьютера генератора радиосигналов (Т. Oksenhendler et al. Intracavity acousto-optic programmable gain control for ultra-wide-band regenerative amplifiers // Appl. Phys. В - 2006 - V. 83. - P. 491). Устройство позволяет компенсировать сужение спектра на каждом проходе за счет того, что функция пропускания акустооптического фильтра формируется цепью цифровой обратной связи, регистрирующей спектр излучения на выходе усилителя, а соответствующий электрический радиосигнал, управляющий фильтром, синтезируется программируемым от компьютера генератором.
Прототип имеет следующие недостатки. Во-первых, используемый квазиколлинеарный акустооптический фильтр на основе кристаллов парателлурита имеет большую длину, не менее 25 мм, из-за чего при большом числе проходов через усилитель существенно возрастает дисперсия групповой задержки и дисперсии третьего и высших порядков. Для компенсации этой дисперсии в прототипе используется дополнительная акустооптическая дисперсионная линия задержки, размещенная перед резонатором усилителя. Во-вторых, программируемый акустооптический фильтр, используемый для обеспечения необходимой спектральной коррекции коэффициента усиления активной среды, требует сложной системы управления на основе управляемого компьютером радиочастотного генератора сигналов произвольной формы или цифрового вычислительного синтезатора.
В первом объекте предложенного изобретения технический результат заключается в компенсации регенеративного сужения спектра усиливаемого лазерного импульса без существенного снижения его энергии и получении усиленного лазерного импульса с широким спектром за счет создания нестационарных спектрально-селективных потерь в резонаторе, снижающихся в процессе усиления.
Указанный технический результат в первом объекте изобретения достигается следующим образом. Способ компенсации сужения спектра излучения в лазерном регенеративном усилителе, включающем оптический резонатор, в котором установлены активный элемент и акустооптический элемент, заключается в формировании радиочастотного импульсного сигнала, который преобразуют в ультразвуковой импульсный сигнал, распространяющийся в акустооптическом элементе в виде бегущей упругой волны, далее через промежуток времени, достаточный для установления стационарного режима пропускания в акустооптическом элементе, инжектируют в оптический резонатор лазерный импульс, причем частоту радиочастотного импульсного сигнала и ориентацию акустооптического элемента в оптическом резонаторе выбирают при выполнении условия фазового синхронизма для дифракции лазерного импульса на длине волны, соответствующей максимуму коэффициента усиления лазерного импульса в активном элементе, а длительность радиочастотного импульсного сигнала выбирают при выполнении условия соответствия ширины полосы фазового синхронизма в стационарном режиме ширине полосы усиления активного элемента, по достижении заданного числа проходов усиливаемого лазерного импульса по оптическому резонатору лазерный импульс выбрасывают из оптического резонатора, при этом момент инжекции и число проходов лазерного импульса по оптическому резонатору так согласуют с распространением ультразвукового импульсного сигнала в акустооптическом элементе, что режим стационарного пропускания акустооптического элемента заканчивается раньше момента выброса лазерного импульса из оптического резонатора.
Во втором объекте предложенного изобретения технический результат заключается в снижении дисперсии, вносимой акустооптическим элементом, за счет существенного уменьшения его размера, а также в упрощении архитектуры генератора сигналов, что в совокупности снижает затраты на изготовление устройства.
Указанный технический результат во втором объекте изобретения достигается следующим образом. Устройство компенсации сужения спектра лазерного излучения, состоит из оптического резонатора, включающего последовательно установленные оптический переключатель и активный элемент, акустооптического элемента, расположенного внутри оптического резонатора и имеющего две оптические грани и акустическую грань, на которой размещен пьезопреобразователь, генератора радиосигналов, соединенного с пьезопреобразователем посредством цепи согласования, блока управления, выходы которого соединены со входами оптического переключателя и генератора радиосигналов, при этом оптический переключатель снабжен входом инжектируемого лазерного импульса и выходом усиленного лазерного импульса.
Кроме того оптический резонатор является открытым резонатором кольцевого или линейного типа, сформированным по меньшей мере двумя зеркалами.
Также оптический переключатель выполнен на основе ячейки Поккельса, содержащей дополнительно по меньшей мере один поляризационный светоделитель, размещенный в оптическом резонаторе.
При этом оптический переключатель выполнен на основе акустооптической ячейки.
Также оптический резонатор является волоконным резонатором, дополнительно содержащим первый порт ввода-вывода и второй порт ввода-вывода, присоединенные к волноводу резонатора так, что лазерное излучение из волновода посредством первого коллиматора направляется на акустооптический элемент, проходит через него и посредством второго коллиматора вводится в волновод.
Кроме того блок управления состоит из устройства синхронизации и устройства управления, соединенного с оптическим переключателем, при этом устройство синхронизации соединено генератором радиосигналов и устройством управления.
В способе акустооптическая дифракция осуществляется на бегущей ультразвуковой волне, так что положение акустического импульса в кристалле меняется за время фазы усиления. Для этого запуск акустического импульса осуществляется раньше момента инжекции усиливаемого импульса в резонатор усилителя. Если длительность акустического импульса меньше времени пробега упругой волны через область акустооптического взаимодействия, стационарный режим пропускания акустооптического элемента существует, когда акустический импульс полностью находится внутри области акустооптического взаимодействия. Если длительность акустического импульса больше времени пробега упругой волны через область акустооптического взаимодействия, стационарный режим пропускания акустооптического элемента существует, когда акустический импульс полностью заполняет область акустооптического взаимодействия. После завершения стационарного режима наступает переходный процесс, в течение которого акустический импульс постепенно покидает область акустооптического взаимодействия.
В устройстве для формирования переменной во времени функции пропускания акустооптического элемента используется изменение ширины полосы фазового синхронизма и эффективности дифракции во время переходного процесса акустооптического взаимодействия. Благодаря этому, длина акустооптического элемента существенно сокращается, а электрические радиочастотные сигналы с требуемыми параметрами могут быть сгенерированы одночастотным импульсным генератором.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена схема устройства компенсации сужения спектра лазерного излучения, на фиг. 2 - временная диаграмма синхронизации процессов в устройстве компенсации сужения спектра лазерного излучения, на фиг. 3 - схема регенеративного лазерного усилителя с кольцевым резонатором и акустооптическим корректором коэффициента усиления.
На чертежах использованы обозначения: акустооптический элемент 1, пьезоэлектрический преобразователь 2, цепь 3 согласования электрического импеданса, генератор 4 радиосигналов, оптический переключатель 5, ячейка Поккельса 6, поляризационные светоделители 7, 8, блок 9 управления переключателем, активный элемент 10 усилителя, зеркала 11, 12, 13, 14, оптический резонатор 15, инжектируемый лазерный импульс 16, лазерный импульс 17 в оптическом резонаторе, выходной лазерный импульс 18, импульс 19 первого порядка дифракции.
Изобретение осуществляется следующим образом. На фиг. 1 показана схема регенеративного лазерного усилителя с акустооптическим элементом 1, размещенного в оптическом резонаторе 15. В резонаторе 15 также размещены оптический переключатель 5 и активный элемент 10. Регенеративный усилитель работает циклически и предназначен для усиления одиночного импульса лазерного излучения. Фаза усиления начинается в момент инжекции импульса в резонатор и заканчивается в момент выброса импульса из резонатора, после чего цикл работы усилителя повторяется со следующим лазерным импульсом. При выключенном генераторе 4 радиосигналов лазерный импульс 17 в оптическом резонаторе свободно проходит через акустооптический элемент, оптические грани которого могут быть выполнены с широкополосным антиотражающим покрытием для снижения статических потерь.
1
2
3
1
4
5
6
7
При формировании генератором 4 импульсного электрического радиочастотного сигнала эффективность акустооптического взаимодействия лазерного излучения меняется со временем, как показано на Фиг. 3. За начальный момент времени t=0 выбрано начало генерации электрического импульса генератором 4. Длительность импульса равна t. В момент времени t, определяемый временем пробега ультразвука в акустооптическом элементе 1 от преобразователя 2 до области акустооптического взаимодействия, начинается первый переходный процесс установления стационарной функции пропускания акустооптического элемента, продолжающийся до момента t. Минимальная длительность переходного процесса равна t. В момент времени t срабатывает оптический переключатель 5 и происходит инжекция усиливаемого лазерного импульса 16 в резонатор. При прохождении лазерного импульса 17 через акустооптический элемент 1 часть излучения дифрагирует и отклоненный импульс 19 покидает резонатор 15, что сопровождается уменьшением энергии лазерного импульса. На первых проходах лазерного импульса 17 по резонатору 15 его энергия мала и ее абсолютные потери незначительны. В момент времени t передний фронт ультразвукового импульса достигает конца области акустооптического взаимодействия и начинается второй переходный процесс, продолжающийся до момента t. В момент времени t оптический переключатель 5 выбрасывает усиленный лазерный импульс 18, из резонатора 15.
Оптический переключатель 5 является устройством, изменяющим направление распространения лазерного импульса при подаче на него управляющего электрического импульса. В регенеративных усилителях наиболее распространены переключатели на основе ячейки Поккельса 6, поворачивающей поляризацию лазерного излучения. Для изменения траектории лазерного импульса ячейка Поккельса 6 используется совместно с одним или двумя поляризационными светоделителями 7, 8. Переключатель 5 лазерных импульсов также может быть выполнен на основе акустооптического модулятора, отклоняющего лазерный импульс без использования дополнительных оптических элементов. В волоконно-оптических лазерных системах используются интегральные переключатели на основе электрооптического или акустооптического эффектов.
6
1
4
7
4
5
5
6
6
6
7
Лазерный импульс проходит область акустооптического взаимодействия в акустооптическом элементе 1 с периодом, равным времени обхода оптического резонатора, причем на каждом проходе до момента времени t происходит акустооптическое взаимодействие и часть энергии импульса покидает резонатор в дифрагировавшем импульсе 19. Эффективность дифракции максимальна на длине волны фазового синхронизма и спадает с увеличением расстройки, что обеспечивает должную спектральную селективность и необходимую коррекцию коэффициента усиления. Степень селективности и величина ослабления определяются параметрами радиосигнала. Ширина полосы дифракции обратно пропорциональна длительности ультразвукового импульса t, а эффективность дифракции определяется амплитудой ультразвука и длиной взаимодействия. Во время второго переходного процесса длина акустооптического взаимодействия уменьшается, что приводит к снижению эффективности дифракции и увеличению полосы фазового синхронизма. Длительность радиосигнала и время его начала выбираются таким образом, что второй переходный процесс начинается и заканчивается, пока усиливаемый лазерный импульс находится в резонаторе, т.е. между моментами t и t. Таким образом, в течение первых проходов между моментами t и t имеет место стационарный режим дифракции, эффективность которой максимальна, а ширина полосы минимальна. В течение переходного процесса между моментами t и t уменьшается эффективность акустооптического взаимодействия и снижается его селективность, то есть сопровождающаяся потерями лазерной энергии коррекция спектра ослабевает и полностью прекращается полностью с момент времени t. В течение последних проходов лазерного импульса по резонатору 15 между моментами t и t акустооптическая дифракция отсутствует, и акустооптический элемент 1 вносит только малые собственные стационарные потери, не связанный с акустооптическим взаимодействием. Таким образом, благодаря применению нестационарного режима дифракции коррекция коэффициента усиления и вносимые в резонатор 15 спектрально-зависимые потери максимальны в начале фазы усиления, когда энергия усиливаемого лазерного импульса еще мала и ее потери не так значимы, и отсутствуют в конце процесса усиления, когда энергия импульса максимальна. Это позволяет предотвратить нежелательную потерю энергии выходного импульса 18.
2
5
3
1
Интервалы между начальным моментом t=0 и моментами начала первого переходного процесса t и начала второго переходного процесса t однозначно определяются конструкцией акустооптического элемента 1 и траекторией распространения в нем лазерного импульса 17. Момент времени t конца первого переходного процесса определяется также длительностью акустического импульса t, которая обратно пропорциональна ширине полосы фазового синхронизма в акустооптическом элементе.
4
7
Таким образом, моменты срабатывания t и t оптического переключателя 5, определяющие начало и конец фазы усиления соответственно, однозначно определяются конструкцией усилителя и его режимом работы, то есть количеством проходов лазерного импульса по резонатору 15.
7
Одними из наиболее распространенных являются регенеративные усилители ультракоротких импульсов с открытым резонатором. Далее на Фиг. 3 приведен пример регенеративного резонатора кольцевого типа с активным элементом на основе монокристалла титан-сапфира. Кольцевой открытый резонатор 15 образован зеркалами 11, 12, 13, 14. Оптический переключатель 5 состоит из ячейки Поккельса 6 и поляризационных светоделителей 7, 8. При выключенной ячейке Поккельса 6 лазерный импульс 16 отражается от поляризационных светоделителей 7, 8 и не попадает в резонатор. Блок управления 9 формирует прямоугольный электрический импульс, поступающий на вход амплитудной модуляции генератора 4 и определяющий длительность акустического импульса в акустооптическом элементе 1. Через постоянный промежуток времени после этого, определяемый конструкцией акустооптического элемента 1, блок управления 9 формирует управляющий импульс на ячейку Поккельса 6. При кратковременном включении ячейки Поккельса 6 поляризация прошедшего через нее импульса поворачивается на 90 градусов, в результате чего он проходит через поляризационный светоделитель 8 и попадает в резонатор 15. Последовательно отражаясь от зеркал 11, 12, 13, 14 импульс 17 распространяется в резонаторе по одной и той же траектории, на каждом проходе усиливаясь в активном элементе 10 и проходя через акустооптический элемент 1. В момент времени t, когда энергия усиливаемого импульса достигает насыщения, ячейка Поккельса 6 повторно поворачивает поляризацию импульса 17, в результате чего он выбрасывается из резонатора 15 и формирует выходной импульс 18.
Приведем характерные оценки для титан-сапфирового регенеративного усилителя и акустооптического элемента на кристалле парателлурита. Будем считать, что центральная длина волны лазерного излучения, инжектируемого в усилитель, составляет 800 нм, полная ширина спектра 100 нм, а частота фазового синхронизма на центральной длине волны в кристалле парателлурита равняется 75 МГц. Типичная длина резонатора составляет 1.5 м, что соответствует времени полного обхода резонатора 10 не. При числе обходов резонатора, равном 20, длительность фазы усиления в резонаторе составляет приблизительно 200 не. Если принять ширину полосы фазового синхронизма равной полной ширине спектра инжектируемого в усилитель оптического импульса, то ширина спектра радиосигнала по уровню -3 дБ составляет 9,4 МГц. Для прямоугольного радиосигнала такая ширина спектра достигается при длительности 95 не. Таким образом, условие меньшей длительности радиосигнала по сравнению и временем существования импульса в усилителе выполняется, и переходный процесс может полностью быть осуществлен между моментами инжекции импульса в резонатор 15 и выбросом усиленного импульса из резонатора 15. При групповой скорости ультразвука 800 м/с длина акустического импульса в кристалле составляет 76 мкм, что позволяет сделать размер кристалла вдоль направления оптического пучка не более 5 мм (минимальный размер определяется технологией изготовления пьезопреобразователя), что существенно меньше, чем у квазиколлинеарных акустооптических фильтров, имеющих длину от 25 до 80 мм.
Способ компенсации регенеративного сужения может быть применен для различных типов лазерных резонаторов и не органичен описанным в примере открытым резонатором кольцевого типа. В линейном резонаторе лазерный импульс распространяется по одной и той же траектории в противоположных направлениях, отражаясь от торцевых зеркал резонатора. В результате лазерный импульс проходит через акустооптический элемент в противоположных направлениях, то есть дважды за один полный обход резонатора. При этом условие фазового синхронизма одинаково выполняется для прямого и обратного направлений распространения лазерного импульса в акустооптическом элементе. В волоконном резонаторе лазерный импульс распространяется в волноводе и усиливается в активном оптическом волокне; переключателем является интегральный акустооптический или электрооптический переключатель; акустооптический элемент размещается между двумя портами ввода-вывода, например, волоконными коллиматорами.