Синхронизация на модовете в диодно напомпвани лазерни системи
Синхронизацията на модовете е един от основните режими на работа на лазерните осцилатори, при който могат да се генерират така наречените свръх къси лазерни импулси. В зависимост от активният елемент (лазерната среда) и методът за синхронизация, продължителността на импулсите може да варират от няколко пикосекунди, до няколко фемтосекунди (10-12 – 10 -15 [s]). Обикновено енергията в единичен импулс е много малка, от порядъка на (10-12 – 10 -15 [J]), което налага използването на сложни системи за отделяне на единичен импулс и последващото му усилване за да се достигнат енергии подходящи за различни научни и индустриални приложения.
Цел на проекта
1. Изследване на нови лазерни среди – използвайки различни техники за синхронизация на модовете се изследват възможностите на различни нови материали, подходящи за генерация на свръх къси лазерни импулси.
2. Разработване на нови техники за синхронизация на модовете или прилагането на усвоени такива за нови спектрални диапазони.
3. Разработване на система която е подходяща за някои научни и индустриални приложения на базата само на лазерен осцилатор без нужда от последващо усилване.
Основната идея тук е да се използва диодно напомпван Nd+3 дотиран лазер, генериращ лъчение с отлични пространствени характеристики и висока импулсна мощност.
Времевата структура на изходното лъчение ще представлява поредица от пикосекундни импулси с продължителност <10 ps, групирани в макро импулс с регулируема продължителност. По този начин системата ще комбинира предимствата на двата режима на работа: високата енергия в единичен импулс при системите работещи в режим на Q-модулация и кратката продължителност на импулсите при системите работещи в режим на синхронизация на модовете.
Резултати
Работата по т. 1 и 2, е непрекъсната и резултатите от нея могат да се видят в раздела с научни публикации, повечето от които са качени в пълен текст в моят профил в Reserch Gate.
Най-значимите резултати до момента, са докладвани на множество научни конференции в страната и чужбина, а обобщените резултати са систематизирани и публикувани в няколко статии в пълен текст в различни научни издания.
Работата по т. 3, продължава и в момента, като са на лице някои обещаващи резултати. Основните усиля до момента са съсредоточени върху система с импулсно напомпване и отрицателна обратна връзка. Беше получена поредица пикосекундни импулси групирани в макроимпусл с регулируема продължителност до окoло 100 [µs]. Продължителността на отделните пикосекундни импулс е от порядъка на 10 [ps], с енергия в единичен импулс от порядъка на 500 [nJ], което е на два порядъка по-висока енергия в сравнение с типичните източници работещи в режим на синхронизация на модовете. На фигурата по-долу са показани поредицата от импулси (в ляво), като вмъкнатата картинка е малък отрязък от няколко десетки наносекунди. В дясно е показана автокорелационната функция за измерване на продължителността на импулса.
Системата показва и отлични пространствени характеристики на изходното лъчение, с много малка елиптичното и съответно близка разходимост в двете перпендикулярни направления. На фигурата по-долу е показано тримерно изображение на лазерният сноп заснет помощта на CCD камера (в дясно), а в ляво е показано едно сечение. Черните токи са едно сечение, а червената крива е фит на експерименталните резултати за определяне на качественият фактор на лъчението (М2).
Другата възможност към която в момеnта са съсредоточени основните усилия, осцилатор работещ в смесен режим на Q-модулация и синхронизация на модовете. Режим който принципно се смята за нежелан, и трудно контролируем, поради което е много слабо изследван.
Предварителните резултати тук са изграждането на осцилатор с непрекъснато напомпване и синхронизация на модовете посредством генерация на втора хармонична в резонатора. Една техника разработена по време на моята докторска дисертация, показала възможности за работа при висока средна мощност и широк спектрален диапазон. За повече информация може да разгледате раздела с научни публикации, както и моят профил в Reserch Gate, където са на лице някои публикации в пълен текст.
На фигурата по-горе е схемата на лазерният осцилатор, а на тази по-долу е показана снимка на експериментална постановка. Лазерният осцилатор работи в стационарен режим на синхронизация на модовете. Зелената светлина идва от кристала за генерация на втора хармонична, използван за пасивна синхронизация на модовете. Допълнитeлено при използване на този метод за пасивна синхронизация на модовете, като страничен ефект, колинеарно с лазерното лъчение се генерират и пикосекундни импулси с дължина на вълната на втората хармонична (532 nm).
Същата експериментална постановка може да работи и в смесен режим на Q-модулация и синхронизация на модовете. Посредством оптимизиране на разстоянията в лазерният резонатор и условията за фазов синхронизъм, стабилен, смесен режим на работа вече е наблюдаван при изходна мощност >2 W. На фигурата по долу е показва сигнал на изхода на осциалтора, работещ в смесен режим, наблюдаван с бърз фотодиод на екрана на осцилоскоп.
Бъдещата работа по темата включва оптимизиране на режима за получаване на макроимпулс контролируема честота и продължителност. Това ще позволи енергия в единичен импулс значително да надвишава тази получена в стационарен режим на синхронизация на модовете.
Други настоящи проекти.