СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИНХРОННЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ И ФЕМТОСЕКУНДНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ КОМПЛЕКС
METHOD FOR FORMING SYNCHRONOUS SEQUENCES OF ULTRASHORT LASER PULSES AND FEMTOSECOND LASER COMPLEX

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к способу формирования синхронных последовательностей ультракоротких лазерных импульсов и к фемтосекундному лазерному комплексу.
Уровень техники
В настоящее время пико- и фемтосекундные лазеры находят все более широкое применение. При этом часто возникает необходимость в получении синхронных последовательностей таких ультракоротких лазерных импульсов, имеющих разные длины волн. Эта задача решается с использованием различных средств и методов.
Так, в патенте США №4998254 (опубл. 05.03.1991) раскрыта система из двух лазеров, позволяющая синхронизировать последовательность импульсов фемтосекундного лазера на растворе красителя с последовательностью импульсов пикосекундного твердотельного лазера на ниодиме за счет синхронной накачки первого лазера излучением второго. Данная система и реализуемый в ней способ позволяют получить две синхронные последовательности импульсов, имеющих существенно различную длительность (на порядок или более), что не позволяет использовать эти последовательности в приложениях, требующих применения только фемто-секундных лазерных источников. Кроме того, данная система и способ сложны в реализации по причине необходимости использовать насыщающийся поглотитель и двулучепреломляющий фильтр в конструкции первого лазера, оптический затвор - в конструкции второго, в то время как само по себе наличие в системе лазера на ядовитом растворе красителя делает ее неудобной и небезопасной в обслуживании.
В авторском свидетельстве СССР №1574134 (опубл. 30.12.1993) описана лазерная система из двух или более импульсных лазерных генераторов, в которой обеспечивается синхронизация последовательностей лазерных импульсов за счет доставки излучения одного лазерного генератора при помощи светоделителя в резонатор другого и последующего преобразования этого излучения к длине волны лазерной генерации в этом резонаторе с использованием подходящего нелинейного кристалла. К недостаткам этого способа относится его сложность, поскольку описанная система требует отдельного лазера накачки для каждого из входящих в систему генераторов, и, кроме того, не обеспечивает требуемую относительную нестабильность частот следования нескольких последовательностей лазерных импульсов.
В патенте США №7555023 (опубл. 30.06.2009) описана лазерная система из пикосекундного твердотельного лазера накачки и синхронно накачиваемого генератора на кристалле титан-сапфира. Использование именно пикосекундного лазера накачки является недостатком данного предложения, равно как системы, описанной в вышеупомянутом патенте США №4998254, поскольку получаемые при работе такой системы последовательности состоят из импульсов существенно различной длительности, что делает систему неприменимой для широкого диапазона приложений, в частности - исследовательских задач, для решения которых требуется временная разрешающая способность, достижимая только с использованием импульсов фемтосекундной длительности.
В патенте США №5406408 (опубл. 11.04.1995) описана система на параметрическом генераторе с синхронной накачкой излучением титан-сапфирового лазера. В случае использования импульсной накачки ее синхронность с последовательностью импульсов, излучаемой параметрическим генератором, является его принципиальным достоинством, так как кристаллы параметрического преобразования не способны накапливать энергию подобно лазерным кристаллам. Основными же недостатками систем параметрического преобразования, как класса, являются: большая зависимость стабильности мощности выходного излучения от лазера накачки, невысокая средняя мощность по отношению к мощности излучения накачки, значительная сложность ввиду необходимости термостабилизации кристалла-преобразователя, высокая чувствительность к настройке резонатора.
Наиболее близкий аналог описан в патенте США №5265109 (опубл. 23.11.1993), где раскрыто устройство для генерирования ультракоротких оптических импульсных сигналов, содержащее два лазера: твердотельный лазер на кристалле титан-сапфира с насыщающимся поглотителем и лазер на красителе (HIТСI - гексаметил-индо-трикарбоцианин йодид) с активной стабилизацией длины резонатора. Это устройство может выдавать два цуга фемтосекундных импульсов на двух разных центральных длинах волн.
Существенным недостатком данного известного устройства является наличие лазера на красителе, поскольку в нем используются ядовитые и, следовательно, сложные в обращении вещества, а это, в свою очередь, не дает возможности сделать такое устройство полностью необслуживаемым либо минимально обслуживаемым пользователем, т.к. для жидкостных лазеров характерна деградация со временем активного вещества, с вытекающей из этого факта необходимостью его периодической замены.
Раскрытие изобретения
Таким образом, имеется настоятельная необходимость в создании таких способа и устройства, которые обеспечивали бы преодоление недостатков ближайшего аналога, т.е. давали бы возможность получать синхронные последовательности более мощных, нежели в ближайшем аналоге, ультракоротких импульсов без применения опасных в использовании веществ. Решение этой задачи позволит также расширить арсенал технических средств.
Эта задача с достижением указанного технического результата решается в первом объекте настоящего изобретения за счет того, что предложен способ формирования синхронных последовательностей ультракоротких лазерных импульсов, имеющих разные длины волн, заключающийся в том, что: генерируют первую последовательность ультракоротких лазерных импульсов; используют первую последовательность в качестве источника накачки для генерирования второй последовательности ультракоротких лазерных импульсов; отслеживают смещение спектра генерации второй последовательности ультракоротких лазерных импульсов и(или) определяют величину фазового рассогласования первой и второй последовательностей ультракоротких импульсов и выдают корректирующий сигнал для устранения смещения спектра и(или) для минимизации величины фазового рассогласования с целью подстройки частоты следования импульсов второй последовательности ультракоротких лазерных импульсов.
Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что в нем могут удваивать частоту излучения первой последовательности ультракоротких лазерных импульсов; использовать первую последовательность с удвоенной частотой излучения в качестве источника накачки для генерирования второй последовательности ультракоротких лазерных импульсов; а вторую последовательность ультракоротких импульсов могут генерировать с возможностью перестройки по центральной длине волны излучения.
Для решения той же задачи с достижением того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложен фемтосекундный лазерный комплекс, содержащий: задающий лазерный генератор, предназначенный для излучения первой последовательности ультракоротких импульсов; перестраиваемый лазерный генератор, выполненный с возможностью синхронизации мод за счет наведенного эффекта Керровской линзы в активной среде и с возможностью накачки излучением задающего лазерного генератора в качестве источника накачки для генерирования второй последовательности ультракоротких лазерных импульсов, при этом одно из зеркал резонатора перестраиваемого лазерного генератора выполнено подвижным относительно другого зеркала этого резонатора для перестройки частоты следования импульсов второй последовательности ультракоротких лазерных импульсов; блок синхронизации, выполненный с возможностью отслеживать смещение спектра генерации перестраиваемого лазерного генератора и(или) определять величину фазового рассогласования первой и второй последовательностей ультракоротких импульсов и выдавать корректирующий сигнал для сдвига подвижного зеркала с целью минимизации расстройки частот первой и второй последовательностей импульсов.
Особенность комплекса по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что он может дополнительно содержать блок удвоения оптической частоты, вход которого предназначен для подачи излучения задающего лазерного генератора, выполненного с возможностью генерирования ультракоротких импульсов в ближнем инфракрасном диапазоне, а излучение блока удвоения оптической частоты предназначено для подачи на вход перестраиваемого лазерного генератора, выполненного с возможностью накачки излучением задающего лазерного генератора с удвоенной оптической частотой.
Другая особенность комплекса по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что блок синхронизации может содержать: спектрометр, выполненный с возможностью определения спектра падающего на него излучения от перестраиваемого лазерного генератора; первый вычислитель, выполненный с возможностью находить значение центральной длины волны спектра, определенного спектрометром; компаратор, выполненный с возможностью сравнивать значение, найденное первым вычислителем, с заранее заданным порогом и выдавать однократный сигнал ошибки в случае, когда найденное значение превышает заранее заданный порог; первый привод, предназначенный для сдвига подвижного зеркала по однократному сигналу ошибки с компаратора; при этом направление сдвига подвижного зеркала выбрано так, чтобы значение центральной длины волны спектра, определенного сразу после этого сдвига, оказалось меньше заранее заданного порога.
При этом первый привод может быть выполнен на основе электромагнитного или пьезоэлектрического шагового двигателя.
Еще одна особенность комплекса по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что блок синхронизации может содержать: фазовый детектор, выполненный с возможностью определения величины фазового рассогласования первой и второй последовательностей ультракоротких импульсов; второй вычислитель, выполненный с возможностью формировать аналоговый сигнал ошибки по величине фазового рассогласования; второй привод, предназначенный для сдвига подвижного зеркала по аналоговому сигналу ошибки со второго вычислителя; при этом направление сдвига подвижного зеркала выбрано так, чтобы обеспечить минимизацию величины фазового рассогласования.
При этом второй привод может быть выполнен в виде пьезокерамического элемента.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы помечены одними и теми же ссылочными позициями. Оптические сигналы на этих чертежах условно показаны двойными линиями в отличие от одинарных линий, которыми обозначены электрические соединения.
На Фиг. 1 показана общая блок-схема фемтосекундного лазерного комплекса по настоящему изобретению.
На Фиг. 2 приведена блок-схема части комплекса по Фиг. 1, иллюстрирующая первый вариант осуществления блока синхронизации.
На Фиг. 3 приведена блок-схема части комплекса по Фиг. 1, иллюстрирующая второй вариант осуществления блока синхронизации.
На Фиг. 4 показана зависимость текущей длины центральной волны спектра перестраиваемого лазерного генератора от времени.
На Фиг. 5 показана типичная спектрограмма зависимости спектральной плотности мощности излучения перестраиваемого лазерного генератора от длины волны в фиксированный момент времени.
Подробное описание вариантов осуществления
Настоящее изобретение далее описывается со ссылками на прилагаемые чертежи посредством примеров его осуществления, которые являются иллюстративными, но не ограничивающими объем притязаний по настоящему изобретению, определяемый только нижеследующей формулой изобретения.
Предложенный фемтосекундный лазерный комплекс содержит в общем случае (Фиг. 1) задающий лазерный генератор 1, перестраиваемый лазерный генератор 2 и блок синхронизации 3. Задающий лазерный генератор 1 предназначен для излучения первой последовательности ультракоротких импульсов, что на Фиг. 1 обозначено ссылочной позицией 11. Перестраиваемый лазерный генератор 2 выполнен с возможностью синхронизации мод за счет наведенного эффекта Керровской линзы в активной среде, а также с возможностью накачки излучением задающего лазерного генератора 1. Для этого предусмотрено первое полупрозрачное зеркало 5 на выходе (на пути излучения) задающего лазерного генератора 1, перенаправляющее часть излучения последнего к перестраиваемому лазерному генератору 2.
Предложенный лазерный комплекс может содержать блок 4 удвоения оптической частоты, вход которого предназначен для подачи излучения задающего лазерного генератора 1, который в этом частном (но предпочтительном) случае может быть выполнен с возможностью генерирования ультракоротких импульсов в ближнем инфракрасном диапазоне. Излучение блока 4 удвоения оптической частоты предназначено для подачи на вход перестраиваемого лазерного генератора 2, который в данном случае выполнен с возможностью накачки излучением задающего лазерного генератора 1, имеющим удвоенную оптическую частоту, т.е. лежащим в оптическом диапазоне.
К примеру, задающий лазерный генератор 1 может быть выполнен на основе активной среды с примесью ионов иттербия, генерирующей импульсы на длине волны 1,05 мкм. Тогда на выходе блока 4 удвоения оптической частоты будет формироваться такая же последовательность импульсов с длиной волны 0,525 мкм (сине-зеленое видимое излучение). Это излучение, выводимое с помощью второго полупрозрачного зеркала 6, обозначено на Фиг. 1 ссылочной позицией 13.
На перестраиваемый лазерный генератор 2 в качестве источника накачки поступает излучение задающего лазерного генератора 1 либо через блок 4 удвоения оптической частоты, либо непосредственно (что условно показано на Фиг. 1 пунктиром). В качестве перестраиваемого лазерного генератора 2 может быть применен титан-сапфировый лазер, одно из зеркал 9 резонатора которого («глухое», т.е. не предназначенное для вывода излучения 12) выполнено подвижным относительно другого зеркала (не показано) этого резонатора для изменения его длины, что, в общем случае, приводит к изменению частоты перестраиваемого лазерного генератора 2, а в частном случае синхронной накачки генератора 2 излучением задающего лазерного генератора 1 - к перестройке центральной длины волны излучения перестраиваемого лазерного генератора 2. Указанное перемещение осуществляется с помощью привода 10, подробнее описанного далее.
Часть выходного излучения 12, генерируемого перестраиваемым лазерным генератором 2, с помощью третьего полупрозрачного зеркала 7 отводится на вход блока 3 синхронизации, который выполнен с возможностью отслеживать смещение спектра генерации перестраиваемого лазерного генератора 2 и(или) определять величину фазового рассогласования первой и второй последовательностей ультракоротких импульсов (11 и 12) и выдавать корректирующий сигнал для сдвига подвижного зеркала 9 с целью подстройки длины резонатора в перестраиваемом лазерном генераторе 2 и, следовательно, поддержания синхронности накачки перестраиваемого лазерного генератора 2 излучением задающего лазерного генератора 1 за счет подстройки центральной длины волны излучения 12.
Варианты выполнения блока 3 синхронизации будут далее описаны со ссылками на Фиг. 2 и 3, на которых более детально показана часть лазерного комплекса по Фиг. 1.
На Фиг. 2 блок 3 синхронизации включает в себя спектрометр 21, предназначенный для определения спектра падающего на него излучения от перестраиваемого лазерного генератора 2, частично отраженного полупрозрачным зеркалом 7. Спектрометр 21 может быть любого известного типа, который позволяет регистрировать текущий спектр генерации перестраиваемого лазерного генератора 2, к примеру, такой же, как описанный в упомянутом наиболее близком аналоге. В принципе, спектрометр всегда содержит КМОП- или ПЗС-матрицу, которая является аналогово-цифровым или аналоговым устройством соответственно. Поэтому сигнал со спектрометра обязательно должен претерпевать аналого-цифровое преобразование прежде, чем быть обработанным с помощью цифрового вычислителя.
Выход спектрометра 21 соединен с (первым) вычислителем 22, выполненным с возможностью находить значение центральной длины волны спектра, определенного спектрометром 21. Вычислитель 22 может представлять собой микропроцессорное устройство, запрограммированное на вычисление центральной длины волны спектра, или любое средство, специально разработанное для нахождения этой центральной длины волны спектра. Конкретное выполнение вычислителя 22 не входит в объем притязаний по данному изобретению.
Выход вычислителя 22 подключен к одному из входов компаратора 13, на другой вход которого подано заранее заданное значение 24. Компаратор 23 выполнен с возможностью сравнивать значение с вычислителя 22 со значением 24 и выдавать однократный сигнал ошибки в случае, когда найденное вычислителем 22 значение отличается от заранее заданного значения 24 на величину, превышающую некоторый заданный порог.
Сигнал ошибки с компаратора 23 поступает на привод 10, предназначенный для сдвига подвижного зеркала 9 по этому однократному сигналу ошибки. При этом направление сдвига подвижного зеркала 9 выбрано так, чтобы вычисленное вычислителем 22 значение центральной длины волны спектра, определенного спектрометром 21 сразу после этого сдвига, оказалось отличным от значения 24 не более, чем на величину заданного порога.
Привод 10 в данном случае может быть выполнен на основе электромагнитного или пьезоэлектрического шагового двигателя известным специалистам образом, к примеру, как описано в книге Лавриенко В.В, Карташев И.А., Вишневский B.C., Пьезоэлектрические двигатели. - М.: Энергия, 1980.
Как понятно специалистам, описанное выполнение спектрометра 21, первого вычислителя 22 и привода 10 обеспечивает однократное перемещение подвижного зеркала 9 на расстояние порядка сотен нанометров. В результате изменяется длина резонатора в перестраиваемом лазерном генераторе 2, что приводит к сдвигу спектра его излучения, а, следовательно, и значение центральной длины волны этого спектра в условиях поддержания синхронности накачки.
На Фиг. 3 представлен другой вариант выполнения блока 3 синхронизации. Элементы 21-24, рассмотренные для варианта по Фиг. 2, остались прежними, и о них здесь можно не повторять. Единственное уточнение состоит в том, что вычислитель 22 в данном случае именуется первым вычислителем, а привод 10 содержит фактически первый привод 35, выполнение которого может совпадать с выполнением привода 10 по Фиг. 2, и второй привод 36, подробно рассмотренный далее.
Во втором варианте блок 3 синхронизации выполнен с дополнительной возможностью отслеживать величину фазового рассогласования первой и второй последовательностей ультракоротких импульсов и выдавать корректирующий сигнал для минимизации этой величины фазового рассогласования. Для обеспечения этой функции блок 3 синхронизации дополнительно содержит фазовый детектор 31, выполненный с возможностью определять величину фазового рассогласования первой и второй последовательностей ультракоротких импульсов. Для этого на входы фазового детектора 31 подаются сигналы, отводимые полупрозрачными зеркалами 32 и 33 от соответствующих излучений 11 и 12. Эти сигналы воспринимаются фотодиодами, преобразующими оптические сигналы в электрические, которые и используются фазовым детектором 31 для определения фазового (а, следовательно, и частотного) рассогласования обоих излучений 11 и 12.
Выход фазового детектора 31 подключен ко второму вычислителю 34, имеющему возможность формировать аналоговый сигнал ошибки по величине фазового рассогласования, найденной фазовым детектором 31. Такой второй вычислитель 34 может быть выполнен, например, в виде пропорционально-дифференциально-интегрального контроллера в совокупности с фильтром, определяющим ширину частотной полосы петли обратной связи, а также устройством (в частном случае - усилителем), преобразующим выходной сигнал второго вычислителя 34 к виду, необходимому для работы второго привода 36. Выходной сигнал второго вычислителя 34 подается на второй привод 3, предназначенный для сдвига подвижного зеркала 9 по аналоговому сигналу ошибки со второго вычислителя 34. При этом направление сдвига подвижного зеркала 9 выбрано так, чтобы обеспечить минимизацию величины фазового рассогласования, найденного фазовым детектором 31.
В данном случае первый привод 35 может быть выполнен, как и в случае варианта по Фиг. 2, на основе электромагнитного или пьезоэлектрического шагового двигателя. Второй же привод 36 может быть выполнен в виде пьезокерамического элемента, соединенного с подвижным зеркалом 9, как это описано, к примеру, в упомянутом ближайшем аналоге.
Способ формирования синхронных последовательностей («цугов») ультракоротких лазерных импульсов по настоящему изобретению реализуется в описанном фемтосекундном лазерном комплексе следующим образом.
6
Само формирование цугов фемтосекундных импульсов происходит благодаря механизму синхронизации мод лазерного резонатора. В режиме свободной оптической генерации возбужденная лазерная среда в генераторах 1 и 2 используемого типа естественным образом излучает короткие малоинтенсивные шумовые «пички». В резонаторах данных лазерных генераторов создаются такие условия, что один, исходно наиболее интенсивный пичок генерации, циркулирующий в зеркальном резонаторе, начинает усиливаться быстрее других, что за некоторое количество полных обходов зеркального резонатора приводит к тому, что он начинает эффективно поглощать всю доступную запасенную в лазерном кристалле энергию. В спектральном представлении это выглядит как интерференция большого (10) количества продольных мод лазерного резонатора (т.е. когерентное сложение собственных колебаний резонатора, фаза которых связана детерминированным образом). Этот процесс идет благодаря так называемому эффекту керровской линзы - нелинейному взаимодействию усиливаемого импульса генерации с самим собой в лазерной активной среде.
Этот механизм имеет место как в задающем лазерном генераторе 1, так и в перестраиваемом лазерном генераторе 2, реализованном, например, на титан-сапфировом лазере, где механизм синхронизации продольных мод зеркального резонатора хоть и является самоподдерживающимся, но испытывает влияние со стороны импульсного излучения накачки. В качестве излучения накачки для перестраиваемого лазерного генератора 2 используется часть излучения 11 задающего лазерного генератора 1 - напрямую или через блок 4 удвоения оптической частоты. За счет нелинейно-оптического взаимодействия импульсного излучения накачки с излучением перестраиваемого лазерного генератора 2 при их попутном распространении в кристалле активной среды перестраиваемого лазерного генератора 2 происходит автоматическая синхронизация частот импульсных последовательностей обоих лазерных генераторов 1 и 2 при условии достаточной близости частот этих последовательностей. Синхронизация последовательностей при аккуратном подборе параметров резонатора в перестраиваемом лазерном генераторе 2 является устойчивой по отношению к небольшим флуктуациям длин резонаторов задающего лазерного генератора 1 и перестраиваемого лазерного генератора 2. При этом при наличии таких отклонений происходит смещение спектра генерации перестраиваемого лазерного генератора 2 при сохранении точного равенства частот цугов в излучении 11 (или 13) накачки и в излучении перестраиваемого лазерного генератора 2. Указанное смещение спектра отслеживается и компенсируется путем воздействия на длину резонатора в перестраиваемом лазерном генераторе 2 так, что система из двух лазерных генераторов 1 и 2 работает полностью синхронно на протяжении неограниченного периода времени.
В качестве накачки для титан-сапфирового лазера, используемого в приведенном выше примере, необходимо излучение в сине-зеленой области спектра, в то время как задающий лазерный генератор 1 накачки, в случае использования в его конструкции иттербиевой активной среды, излучает в ИК-диапазоне. Поэтому в таком случае используется удвоение оптической частоты излучения накачки в блоке 4, что, по сути, сохраняет структуру соответствующего цуга, удваивая лишь несущую оптическую частоту излучения. Таким образом, за счет удвоения частоты накачки имеется уже два цуга импульсов с одинаковой частотой следования импульсов, но на разных длинах волн. Часть энергии одного из этих цугов используется для накачки титан-сапфирового лазера в перестраиваемом лазерном генераторе 2, который преобразует его в излучение на третьей длине волны, что дает три синхронизированных импульсных цуга.
Нужно отметить, что длительности импульсов всех трех цугов совпадают по порядку величины (100 фс или менее 100 фс, в зависимости от конструкции), но являются различными и определяются собственной лазерной динамикой каждого из двух источников и конструкцией блока 4 удвоения оптической частоты, используемого с лазером накачки. Это, однако, не является недостатком, поскольку основная цель состоит в строгой синхронизации всех генерируемых цугов, в особенности той последовательности, которую генерирует перестраиваемый лазерный генератор 2, с последовательностью импульсов излучения задающего лазерного генератора 1.
Синхронизация этой последовательности импульсов в излучении 12 с синхронными последовательностями импульсов в излучениях 11 или 13 происходит с использованием блока 3 синхронизации.
В принципе, спектрометр 21 может быть построен по схеме Черни-Тернера, ключевым элементом которой является линейный ПЗС-приемник с достаточным числом пикселов для получения разрешения порядка 1,5 нм при использовании соответствующей дифракционной решетки. Выходной сигнал со сдвигового регистра ПЗС-линейки подается на усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ) и затем оцифровывается. Оцифрованный сигнал с ПЗС-приемника подается на вход вычислителя, выполненного, например, в виде микроконтроллерного блока. На ПЗС-линейку падает диспергированный (разложенный в пространственный спектр по длинам волн) дифракционной решеткой пучок излучения от перестраиваемого лазерного генератора 2 (в приведенном выше примере это титан-сапфировый лазер). Спектрограммы (по сути, просто линейные массивы данных с числом элементов, равным числу пикселов ПЗС-линейки) в цифровом виде передаются вычислителю 22 (микроконтроллеру) в режиме реального времени.
Спектрометрические данные обрабатываются вычислителем 22 с целью поиска максимума спектра, зарегистрированного ПЗС-приемником, а также положения этого максимума и характерной ширины спектра. Усредненные вычислителем 22 по задаваемому временному интервалу данные о положении максимума спектра сравниваются с некоторой точкой установки, которая, например, определяется как центральная длина волны спектра излучения перестраиваемого лазерного генератора 2, измеренная в отсутствие синхронизации лазерных генераторов 2 и 1 (длина резонатора в перестраиваемом лазерном генераторе 2 существенно отличается от длины резонатора в задающем лазерном генераторе 1). Разница между текущей измеряемой длиной волны спектра и точкой установки является сигналом ошибки. В случае, если величина сигнала ошибки превышает заданное заранее пороговое значение, происходит однократная подстройка длины резонатора перестраиваемого лазерного генератора 2: сигнал ошибки преобразуется соответствующим типу используемого привода образом и подается на исполнительный привод (10, 35, 36) с целью уменьшения сигнала ошибки. Затем производится анализ следующей порции усредненных спектров и вычисление нового значения сигнала ошибки и очередная итерация задействования привода 10 подвижного зеркала 9.
Дополнительной функцией вычислителя 22 является определение текущего режима работы генератора 2 (генерация последовательности фемтосекундных импульсов или непрерывная генерация). Использование спектрометра 21 позволяет микропроцессору вычислителя 22 отличать спектр фемтосекундного цуга от узкополосного спектра непрерывной генерации. Присутствие линии непрерывной генерации в спектре титан-сапфирового лазера является условием исполнения процедуры запуска импульсного режима, которая будет описана далее. Таким образом, за счет измерения спектра излучения система имеет возможность:
1. Производить идентификацию режима работы титан-сапфирового лазера (непрерывный или импульсный).
2. На основе этого переводить титан-сапфировый лазер из режима непрерывной генерации в режим импульсной генерации.
3. Определять состояние синхронизации титан-сапфирового лазера с накачкой (синхронизация присутствует или нет).
4. На основе последнего - автоматически вводить систему в режим синхронной работы и удерживать ее там.
Ниже дан алгоритм работы контроллера в блоке 3 синхронизации.
После включения лазерной системы и ее прогрева подается команда на обнуление позиции подвижного зеркала 9, с помощью которого в дальнейшем происходит подстройка длины резонатора в перестраиваемом лазерном генераторе 2, компенсирующая изменение центральной длины волны его генерации. Обнуление позиции сводится к быстрому перемещению подвижного зеркала 9 вдоль продольной оси резонатора в начало диапазона перемещения, вплоть до концевого датчика (не показан), соответствующего наибольшей механически возможной длине этого резонатора.
Так как изначально после запуска системы титан-сапфировый лазер работает в непрерывном режиме, то измерение ширины спектра возвращает значение, значительно меньшее, чем рабочее. В этом случае микропрограмма переходит в циклический режим работы, на каждой итерации которого происходит увеличение координаты перемещения подвижного зеркала 9 вдоль оси резонатора (равносильное его укорочению) на некоторую заданную малую величину. В момент, когда частоты следования импульсов лазера накачки (задающего лазерного генератора 1) и титан-сапфирового лазера (перестраиваемого лазерного генератора 2) оказываются достаточно близкими, происходит самозапуск фемтосекундного режима перестраиваемого лазерного генератора 2, что является прямым следствием использования синхронной накачки.
После перевода перестраиваемого лазерного генератора 2 в режим генерации фемтосекундных импульсов микроконтроллером вычислителя 22 запускается процедура поиска синхронизации. Данная процедура заключается в том, что подвижное зеркало 9 начинает последовательно двигаться вдоль оси резонатора в сторону удлинения резонатора. В то же самое время управляющая электроника непрерывно измеряет центральную длину волны спектра излучения перестраиваемого лазерного генератора 2. При приближении подвижного зеркала 9 к положению, в котором длины резонаторов титан-сапфирового лазера и лазера накачки оказываются критически близкими, наблюдается резкий скачок центральной длины волны, который может быть зарегистрирован спектрометром 21 при достаточной скорости снятия спектрограмм (см. Фиг. 4).
Значение координаты подвижного зеркала, при котором происходит скачок центральной длины волны излучения, соответствует границе диапазона допустимых расстроек длин резонаторов генераторов 1 и 2, и, следовательно, допустимых смещений центральной длины волны спектра генерации перестраиваемого лазерного генератора 2 без выхода из режима синхронной накачки. Вторая граница диапазона задается в микропрограмме вычислителя 22 на основе предварительных измерений.
В дальнейшем система синхронизации лазерных генераторов переходит в режим удержания, в котором положение подвижного зеркала меняется таким образом, чтобы смещение спектра генерации не выходило за границы определенного упомянутым выше образом диапазона. Это позволяет поддерживать режим точной синхронизации всех лазерных источников при синхронной накачке в течение неограниченного времени.
Работа фемтосекундного лазерного комплекса по настоящему изобретению иллюстрируется на Фиг. 4, где показана зависимость текущей длины центральной волны спектра перестраиваемого лазерного генератора от времени на графике в условных единицах. На Фиг. 4 видно три скачка максимальной амплитуды, которые соответствуют равенству длин резонаторов задающего лазерного генератора 1 и перестраиваемого лазерного генератора 2. Кроме того, на Фиг. 5 показана типичная спектрограмма зависимости спектральной плотности мощности излучения перестраиваемого лазерного генератора 2 от длины волны в фиксированный момент времени. На Фиг. 5, также выполненном в условных единицах, видно, что спектральная плотность мощности излучения перестраиваемого лазерного генератора 2 имеет максимум на некоторой длине волны. Как раз такой спектр измеряется в спектрометре 21.
Таким образом, благодаря выполнению фемтосекундного лазерного комплекса в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается поддержание синхронизации второй последовательности импульсов с первой последовательностью импульсов и сопутствующее смещение центральной длины волны импульсов второй последовательности в автоматическом режиме. Следовательно, в настоящем изобретении реализуется возможность получать синхронные последовательности более мощных, нежели в ближайшем аналоге, ультракоротких импульсов без применения опасных в использовании веществ.