КОМБИНАЦИО́ННЫЙ ЛА́ЗЕР
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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 νн (накачкой) в результате ВР происходит преобразование накачки в излучение другой, обычно низкочастотной (стоксовой) частоты νс=νн-Δνс, где Δνс – 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).
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=νс/νн=(νн-Δνс)/νн и при Δνс≪νн 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 Δνс, 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 νн, однако при некоторых видах ВР возможна плавная перестройка изменением Δνс 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.