КОМБИНАЦИО́ННЫЙ ЛА́ЗЕР

КОМБИНАЦИО́ННЫЙ ЛА́ЗЕР, не­ли­ней­но-оп­ти­че­ский пре­об­ра­зо­ва­тель ко­ге­рент­но­го све­та на ос­но­ве вы­ну­ж­ден­но­го рас­сея­ния (ВР). На­зван ла­зе­ром, хо­тя в нём про­ис­хо­дит не вы­ну­ж­ден­ное из­лу­че­ние, а вы­ну­ж­ден­ное рас­сея­ние све­та. При воз­бу­ж­де­нии не­ли­ней­ной сре­ды (га­за, жид­ко­сти, твёр­до­го те­ла) ла­зер­ным из­лу­че­ни­ем с час­то­той ν_н (на­кач­кой) в ре­зуль­та­те ВР про­ис­хо­дит пре­об­ра­зо­ва­ние на­кач­ки в из­лу­че­ние дру­гой, обыч­но низ­ко­час­тот­ной (сто­ксо­вой) час­то­ты ν_с=ν_н-Δν_с, где Δν_с – сто­ксов сдвиг, за­ви­ся­щий от ви­да ВР и свойств сре­ды. При та­ком пре­об­ра­зо­ва­нии час­то­ты мож­но су­ще­ст­вен­но улуч­шить ха­рак­те­ри­сти­ки ла­зер­но­го из­лу­че­ния: уве­ли­чить его ин­тен­сив­ность, на­прав­лен­ность, диа­па­зон пе­ре­строй­ки час­то­ты. Для соз­да­ния К. л. осо­бен­но час­то ис­поль­зу­ют вы­ну­ж­ден­ное ком­би­на­ци­он­ное рас­сея­ние све­та (ВКР) и вы­ну­ж­ден­ное рас­сея­ние Ман­дель­шта­ма – Брил­лю­эна (ВРМБ).

Принцип действия основных типов комбинационных лазеров: а – суперлюминесцентный усилитель; б – комбинационный генератор; в – попутный усилитель с насыщающим внешним стоксовым сигнало...

К. л. мож­но ус­лов­но раз­де­лить на три осн. ти­па: су­пер­лю­ми­нес­цент­ные уси­ли­те­ли, ком­би­на­ци­он­ные ге­не­ра­то­ры и ком­би­на­ци­он­ные уси­ли­те­ли с внеш­ним сиг­на­лом. Пре­дель­ный кпд час­тот­но­го пре­об­ра­зо­ва­ния К. л. ра­вен от­но­ше­нию энер­гии рас­се­ян­но­го фо­то­на к энер­гии фо­то­на на­кач­ки: η=ν_с/ν_н=(ν_н-Δν_с)/ν_н и при Δν_с≪ν_н мо­жет при­бли­жать­ся к еди­ни­це.

В су­пер­лю­ми­нес­цент­ном уси­ли­те­ле (рис., а) спон­тан­но рас­се­ян­ный свет уси­ли­ва­ет­ся до уров­ня, срав­ни­мо­го с на­кач­кой. Су­пер­лю­ми­нес­цент­ный уси­ли­тель не умень­ша­ет су­ще­ст­вен­но рас­хо­ди­мость пуч­ка по срав­не­нию с рас­хо­ди­мо­стью пуч­ка на­кач­ки.

Ком­би­на­ци­он­ный ге­не­ра­тор пред­став­ля­ет со­бой уси­ли­тель, по­ме­щён­ный в оп­ти­че­ский ре­зо­на­тор (рис., б), по­это­му энер­ге­ти­чес­кие, вре­мен­ны́е и про­стран­ст­вен­ные ха­рак­те­ри­сти­ки ге­не­ри­руе­мо­го из­лу­че­ния оп­ре­де­ля­ют­ся свой­ст­ва­ми ре­зо­на­то­ра. Так, напр., с по­мо­щью ре­зо­на­то­ра рас­хо­ди­мость пуч­ка мо­жет быть умень­ше­на до ми­ни­маль­но воз­мож­ной, оп­ре­де­ляе­мой ди­фрак­ци­ей.

Тре­тий тип К. л. – уси­ли­тель-пре­об­ра­зо­ва­тель с на­сы­щаю­щим внеш­ним сиг­на­лом (рис., в), в ка­че­ст­ве ко­то­ро­го обыч­но бе­рёт­ся пу­чок на сто­ксо­вой час­то­те. В этом слу­чае мож­но прак­ти­че­ски все фо­то­ны на­кач­ки пре­об­ра­зо­вать в сток­со­вы, т. е. 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). Встреч­ный уси­ли­тель по­зво­ля­ет осу­ще­ст­вить вре­меннóе сжа­тие (ком­прес­сию) им­пуль­са на­кач­ки за счёт уси­ле­ния зна­чи­тель­но бо­лее ко­рот­ко­го встреч­но­го сто­ксо­ва им­пуль­са, в ко­то­рый «пе­ре­ка­чи­ва­ют­ся» фо­то­ны на­кач­ки. В ре­зуль­та­те мощ­ность сто­ксо­ва им­пуль­са мо­жет мно­го­крат­но пре­взой­ти пер­во­на­чаль­ную мощ­ность на­кач­ки.

Ра­бо­чие час­то­ты К. л. за­ни­ма­ют уча­ст­ки спек­тра от УФ-диа­па­зо­на до сред­не­го ИК-диа­па­зо­на. Эти час­то­ты оп­ре­де­ля­ют­ся ра­бо­чи­ми час­то­та­ми ла­зе­ров, при­год­ных для ис­поль­зо­ва­ния в ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ков на­кач­ки, а так­же ве­ли­чи­ной Δν_с, ко­то­рая в за­ви­си­мо­сти от ви­да рас­сея­ния и свойств ак­тив­ной сре­ды мо­жет быть от 10² до 4,15·10³ см^–1. Для К. л. ульт­ра­фио­ле­то­во­го и ви­ди­мо­го диа­па­зо­нов ис­точ­ни­ка­ми на­кач­ки слу­жат эк­си­мер­ные ла­зе­ры. Для на­кач­ки К. л. ви­ди­мо­го и ближ­не­го ИК-диа­па­зо­нов час­то ис­поль­зу­ют­ся пе­ре­страи­вае­мые твер­до­тель­ные ла­зе­ры. Для на­кач­ки К. л. сред­не­го ИК-диа­па­зо­на при­ме­ня­ет­ся CO₂-ла­зер.

Пе­ре­строй­ка час­то­ты К. л. обыч­но осу­ще­ст­в­ля­ет­ся пе­ре­строй­кой ν_н, од­на­ко при не­ко­то­рых ви­дах ВР воз­мож­на плав­ная пе­ре­строй­ка из­ме­не­ни­ем Δν_с маг­нит­ным по­лем или по­во­ро­том кри­стал­ла. Не­ли­ней­ны­ми сре­да­ми в К. л. мо­гут быть сжа­тые га­зы (во­до­род, дей­те­рий, ме­тан), жид­ко­сти (жид­кий азот и ки­сло­род), твёр­дые те­ла (по­лу­про­вод­ни­ки, ион­ные кри­стал­лы, во­ло­кон­ные све­то­во­ды).

К. л. ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся для соз­да­ния мощ­ных пе­ре­страи­вае­мых ла­зер­ных ис­точ­ни­ков в но­вых уча­ст­ках спек­траль­но­го диа­па­зо­на; для уве­ли­че­ния плот­но­сти энер­гии и ин­тен­сив­но­сти мощ­но­го ла­зер­но­го из­лу­че­ния при од­но­вре­мен­ном умень­ше­нии рас­хо­ди­мо­сти пуч­ка (уве­ли­че­ние яр­ко­сти ис­точ­ни­ка). При этом воз­мож­но объ­е­ди­не­ние энер­гий и мощ­но­стей не­сколь­ких ла­зе­ров в од­ном про­стран­ст­вен­но-ко­ге­рент­ном пуч­ке (т. н. ко­ге­рент­ное сум­ми­ро­ва­ние). С по­мо­щью встреч­но­го ком­би­на­ци­он­но­го уси­ли­те­ля на ВРМБ мож­но на мно­го по­ряд­ков уве­ли­чить энер­гию вход­но­го сто­ксо­ва им­пуль­са, со­дер­жа­ще­го все­го нес­коль­ко со­тен фо­то­нов.