Комбинационный лазер - Автоматизированная Интернет-система формирования баз данных репродуктивных и формализованных описаний естественнонаучных и научно-технических эффектов

Комбинационный лазер – нелинейно-оптический 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 v_н (накачкой) последняя в результате ВР преобразуется в излучение другой, обычно низкочастотной (стоксовой) частоты v_с = v_н - Δv_с, где Δv_с – стоксов сдвиг, зависящий от вида ВР и свойств среды. При таком преобразовании частоты существенно меняются характеристики света: увеличивается его интенсивность, направленность, относительный диапазон перестройки частоты. Для создания комбинационных лазеров используются почти все виды ВР, а особенно часто вынужденное комбинационное рассеяние света (ВКР) и вынужденное рассеяние Мандельштама – Бриллюэна (ВРМБ).

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

Комбинационные лазеры можно условно разделить на три основных типа (рис.1): суперлюминесцентные усилители, комбинационные генераторы и комбинационные усилители с насыщающим внешним сигналом. В суперлюминесцентном усилителе (рис.1а) 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 лазера равен отношению энергии рассеянного фотона к энергии фотона накачки: η = v_с/v_н = (v_н - Δv_с)/v_н и при Δv_с<< v_с 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.

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

От этих недостатков свободен третий тип комбинационных лазеров – усилитель-преобразователь с насыщающим внешним сигналом (рис.1в), в качестве которого обычно берётся пучок от комбинационного генератора на стоксовой частоте. В этом случае 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 лазера можно получить кпд преобразования, близкий к предельному, а пучок на выходе – с дифракционной расходимостью. Такой усилитель может быть попутным (накачка и сигнал идут примерно в одном направлении) или встречным (накачка и сигнал идут навстречу друг другу).

Энергия, мощность и интенсивность комбинационного лазера определяются энергией и мощностью накачки, а также типом лазера и его конструкцией (рис.3). Практически энергия ограничивается энергией накачки, т. к. лишь незначительная её часть, равная Δv_с/v_н, идёт на нагрев среды. Наиболее часто нелинейными средами в комбинационном лазере являются сжатые газы (водород, дейтерий, метан), жидкости (жидкий азот и кислород), твёрдые тела как кристаллические (полупроводники, ионные кристаллы), так и аморфные (стекловолокно). Для оптимальной (пространственно однородной) накачки используются растровые фокусирующие системы в сочетании со светопроводами.

Рабочие частоты современных комбинационных лазеров охватывают различные участки спектра от УФ- до среднего ИК-диапазона. Эти частоты определяются рабочими частотами лазеров, пригодных для использования в качестве источников накачки, а также величиной Δv_с, которая в зависимости от вида рассеяния может быть от 10^-2 до 10³ см^-1. Для лазеров УФ- и видимого диапазонов источниками накачки служат эксимерные лазеры на молекулах KrF, XeCl, XeF с длинами волн λ соответственно 249, 308, 353 нм. Для накачки лазеров видимого и ближнего ИК-диапазона используются лазеры на красителях и твердотельные лазеры. Комбинационные лазеры среднего ИК-диапазона (напр., перестраиваемые от 13 до 17 мкм) на вращательных уровнях параводорода накачиваются СО₂ – лазером (λ = 9,6–10,6 мкм).

Перестройка частоты комбинационного лазера, как правило, осуществляется перестройкой v_н, однако в лазерах, основанных на ВР света на спиновых подуровнях полупроводника в магнитном поле и на ВР на поляритонах в ионном кристалле, возможна также плавная перестройка изменением Δv_с соответственно магнитным полем и поворотом кристалла.

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.1). В момент, когда передняя половина импульса накачки (длительность τ_н , скорость v_н) заполнила среду длиной L = 1/2τ_н v_н в неё с противоположной стороны входит короткий стоксов импульс длительностью τ_c (рис.1а). Двигаясь со скоростью v_c в возбуждённой среде навстречу импульсу накачки (рис.1б), короткий стоксов импульс «перекачивает» в себя значит, часть её энергии (фотоны накачки переходят при рассеянии в стоксовы фотоны). В результате мощность стоксова импульса может многократно превзойти первоначальную мощность накачки (рис.1в).
Применение профилированных импульсов накачки и стоксова сигнала (от специальных внешних источников) позволяет преобразовать длинные импульсы ( ~ 10 – 20 нс) из одной области спектра в короткие импульсы (<<1 нс) другие частоты.

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

Рис.1

2. Физическая энциклопедия /гл.ред. Прохоров А.М. - М.: Большая российская энциклопедия. 1994


Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты

Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

	Комбинационный лазер