Гродзенскага дзяржаунага ушверслтэта iMH ЯншКупалы Ф1з1ка

Гродзенскага дзяржаунага ушверслтэта
iMH Я н ш К у п а л ы
Матэматыка
Ф1з1ка
Тэхшка
1нфарматыка
Б1ялопя
Экалопя
Эканомша
УДК 621.378.325
В.Ю.КУРСТАК
МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ГЕНЕРАЦИИ
РОС-ЛАЗЕРА, ВОЗБУЖДАЕМОГО ЦУГОМ
УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ
На основе метода скоростных уравнений выполнено моделирование кинетики генерации
РОС-лазера, возбуждаемого цугом ультракоротких импульсов. Проведен сравнительный анализ
с временным развитием генерации при накачке гладким импульсом Гауссовой формы, определены генерационные характеристики ультракоротких импульсов излучения.
Использование для накачки РОС-лазера на красителях цуга УКИ дает существенные преимущества по сравнению с генерацией при его возбуждении гладким импульсом той же длительности, если цуг содержит четыре и менее импульсов.
Мощность одиночных импульсов пикосекундной длительности в данном случае возрастает более чем в 6 раз, а длительность импульсов сокращается более чем в 2,5 раза. Расширяется
диапазон превышения порога, когда генерируется одиночный ультракороткий импульс.
РОС-лазер на красителях - перспективный источник узкополосного, перестраиваемого по частоте излучения пикосекундной длительности. Он позволяет
генерировать ультракороткие импульсы излучения (УКИ) как при пикосекундной [1], так и при наносекундной длительности импульсов возбуждения [2]. При
наносекундной накачке РОС-лазер генерирует импульсное излучение с длительностью в 5 0 - 1 0 0 раз меньшей, чем длительность импульса накачки [3].
При возбуждении РОС-лазера гладким импульсом наносеку ндной длительности были получены импульсы генерации длительностью ~50 пс, однако степень превышения порога накачкой g должна была поддерживаться на уровне
g < 1,2 [4]. Простейший способ сокращения длительность УКИ - использование более коротких импульсов возбуждения [5]. С использованием импульсов
накачки пикосекундной длительности, обеспечивающих чрезвычайно высокую
скорость возбуждения, РОС-лазер на красителях способен генерировать импульсы вплоть до 0,4 пс [6], однако такие источники являются уникальными и практически недоступны широкому кругу исследователей.
Чрезвычайно высокую скорость накачки позволяют достичь цуги ультракоротких импульсов, которые могут быть получены с использованием РОС-лазера. В связи с этим исследование кинетики генерации пикосекундных импульсов РОС-лазером и их генерационных характеристик при возбуждении цугом
УКИ представляет интерес.
Описание кинетики генерации РОС-лазера при его возбуждении цугом УКИ
осуществлялось системой скоростных уравнений [7].
dt
ш
dt
=i,<f»jiii-m - ^ " Ш п
Г]
- ^ п ш о
rj
-
78
rc(t)
+
г
-
т
,
.
<»
®
(3)
8 ел где n(l) - населенность верхнего лазерного уровня, q(t) - объёмная плотность
фотонов лазерного излучения, имеющих длину волны \ г , N - концентрация молекул красителя, т - время жизни возбуждённого состояния; 1 (г) - плотность
потока фотонов накачки, с р - сечение поглощения излучения накачки, сте - сечение вынужденного излучения молекул красителя на длине волны генерации,
Л - показатель преломления раствора красителя, Q - коэффициент, определяющий часть спонтанного излучения молекул, которая соответствует угловому и
спектральному диапазонам генерации РОС-лазера, L - длина периодической
структуры, V-видимость интерференционного поля накачки.
Цуг импульсов возбуждения, использованный при моделировании, приведен на рис. 1 а). Он был получен путём интерполяции данных, отражающих временную зависимость интенсивности цуга излучения РОС лазера.
Для сравнения рассчитана
РСО, отн ел
кинетика генерации РОС-лазера,
возбуждаемого гладким импуль0.8
сом Гауссовой формы длительно}
1
!
стью по полувысоте равной дли06
тельности по полувысоте огибающей цуга УКИ, рис. I б).
04
При моделировании исполь0.2
11
зовались параметры лазерного
красителя родамин 6Ж, часто ис\
;
jJ
пользуемого в экспериментальных исследованиях в качестве активной среды: о = 2,4-10- 17 см2,
1
j
i
отн. ед.
4 не,
<т,= 1 , 4 - 1 0 - i 6 см"
I = 0,5 см. 1н = 4,6- 10"5 см,
/...j.
\.л
i
Я, .=5,6- 10"5 с м . п р =
1,36,
•JJS
N = 3,1-10 18 см"3.
Ы
Как показали выполненные
j
исследования, при возбуждении
>4
•
t \
/
РОС-лазера цугом пикосекунд/
i
\
/
ных импульсов населенность вер/
!
\
I_2
хнего
лазерного уровня n(t) испы/
>
тывает
резкие скачки вверх, соот1
1
i
t. не ветствующие
поглощению
импульсов цуга накачки, рис 2.
Поглощенная активной средой
Рис.1 Временные профили импульсов в о з б у ж д е - э н
нескольких ИМПУЛЬСОВ
F i
i
A l l
:
J Ш \
/
I \: :
К
•
РОС-лазера на красителях а) цуг ультракоротких
• t - . г ь с о в с длительностью огибающей по полувысоте
-
: : не. б) гаадкий импульс гауссовой формы длиью по полувысоте т = 2,2 не
79
накачки накапливается на верхнем лазерном уровне, пока инверсия населенности не достигнет
1100
i
к ) - 4
880
1"
j
660
i.
!
...
,
3
23
3.7
q(t)>n ( 0 -
128
Г
880
I
— j
•
96
_
.
64
i
i
i
-
i
'
!
1.6
23
3
I
-
3.7
4.4 t ,НС
^
I
I
/ ~
: л
2.3
3
i
qW,
n(t) - 1
т
!
1
660
"
("А
1 ;
1 ;
1
440
220
32
0.9
.6
: И
"
г) У= 1,6
а) У = 1,12
T
/
I
_/
0.9
4.4 t ,НС
-—
*
220
1
1
1.6
1
440
i
1
0.9
q(t),
n(t) -
Г
3.7
!
4.4 t .НС
1.6
Д) Y
^ •^
1 ' •
;
i
/1
0.9
б) У = 1 , 1 6
_
=
2.3
i
3.7
4.4 t ,HC
3.7
4.4 t . н е
1,74
1100 - Щ Г _ Г -
160
128
nCO-
n(t) —
880
I
'
I
"I >
«60
440
—
/
220
09
i.6
:
11
- з.:
iA
u-j
,
0.9
44 t ,нс
в) Y = l , 2
1.6
J_
13
e) Y = 1 . 9
Рис.2. Зависимость ст времени населённости верхнего лазерного уровня n(t) и плотности
фотонов генерируемого излучения q(t) при различных значениях уровня накачки Y •
б) Y = М б ; в) Y = 1,2: г)
у=
1,6; д)
у=
1,74; е)
у=
У = 1,12.
1,9
порогового значения. Далее генерируется импульс пикосекундной длительности, рис.2а).
Момент возникновения генерации соответствует третьему импульсу цуга
накачки. При увеличении уровня возбуждения у выше 1,13 возникает второй
УКИ, соответствующий 2-му импульсу-в цуге накачки и, таким образом, генерируются два импульса, пока у не превысит значения 1,22, рис.2 б) и в).
Д&чьнейшее увеличение у с 1,22 вплоть до 1,67 приводит к генерации одного импульса в момент действия 2-го импульса в цуге накачки, рис.2 г). В этом
случае инверсия населенности испытывает чрезвычайно сильное падение из-за
генерации импульса, и к моменту действия 3-го импульса в цуге не может уве-
80
200
0.5 , ПС
«
i
i
150
1004
V
50-j
1,0
1,1
1,2
1.3
1,4
1,5
1,6
Y
личиться выше порогового значения. Рост уровня накачки у выше
1,67 вызывает генерацию двух
импульсов, рис.2 д), а затем трех
и т.д., рис.2 е).
Таким образом, при возбуждении РОС-лазера на красителях
цугом импульсов пикосекундной
длительности существуют два
диапазона изменения накачки,
соответствующих генерации одиночного УКИ - 1< у < 1,13 и
Рис.3. Зависимость длительности одиночного
ТГ1СИ, генерируемого РОС-лазером при накачке импуль- ! ' 2 2 < У ~ 1 6 7 П р и г л а д к о м и м сом Гауссовой формы - 1 и цугом пикосекундных ПУЛЬСе в о з б у ж д е н и я I ауССОВОЙ
•хпульсов - 2 от уровня возбуждения у
формы такой диапазон один —
К у < 1,35.
Генерационные характеристики УКИ, такие, как длительность и пиковая
мощность, излучаемых РОС-лазером при накачке цугом пикосекундных импульсов. существенно отличаются от характеристик УКИ при возбуждении гладким
импульсом.
Если при возбуждении Гауссовым импульсом длительность одиночного УКИ
гги увеличении уровня возбуждения у уменьшалась с 210 до 45 пс (рис.3(1)),
го при накачке цугом импульсов длительность одиночного УКИ сокращалась с
>1 до 17 пс (рис.3(2)). Мощность генерируемых одиночных импульсов с ростом
утовня накачки в обоих случаях увеличивалась (рис.4), но ее максимальное значение при возбуждении РОС-лазера цугом пикосекундных импульсов более чем
s 6 раз выше, чем при накачке гладким импульсом гой же длительности. Из
;.4 видно также, что стабильность длительности УКИ при возбуждении РОСгра цугом имп\льсов заметно выше, чем при накачке гладким импульсом.
При увеличении числа импульсов в цуге накачки уровень
Ря. отн. ед.
у"
возбуждения у , соответствуюУ
/
щий генерации одиночного УКИ,
резко сокращается. Так. когда
импульсов 8, первый диапазон
з н а ч е н и й у с о к р а щ а е т с я до
1,03< у < 1,05, а второй до
1,1< у ^ 1,14. Если же число
импульсов цуга накачки меньше
четырёх, максимальное значение
У
_
1.0
. „
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
У
у , соответствующее генерации
Рис.4. Зависимость мощности одиночного УКИ.
...емого РОС-лазером при накачке и м п у л ь с о м ОДИНОЧНОГО
й формы - 1 и цугом гшкосекунлных импуль-
: от уровня возбуждения у
81
УКИ, увеличивается,
а генерационные характеристики
пикосекундных импульсов заметно улучшаются.
Выполненные исследования показали, что уменьшение временного интервала между импульсами цуга не оказывает существенного влияния на кинетику
генерации и генерационные характеристики импульсов, если инверсия населенности между моментами поглощения импульсов возбуждения изменяется достаточно слабо. Такое поведение инверсии населенности имеет место до тех пор,
пока время жизни верхнего лазерного уровня заметно больше чем временной
интервал между импульсами цуга накачки.
В заключение следует отметить, что использование в качестве источника
накачки РОС-лазера на красителях цуга пикосекундных импульсов (рис. 1а))
позволяет обеспечить работу лазера при более высоких уровнях накачки, чем
при возбуждении гладким импульсом, и тем самым существенно улучшить генерационные характеристики УКИ.
1 . 3 а п о р о ж ч е н к о В. А,, Р у б и н о в АН., Э ф е н д и е в "Г. Ш. Генерация
сверхкоротких импульсов в лазере на красителях с распределенной обратной связью /У Письма в
ЖТФ. - 1 9 7 7 , - Т . З . - № 3 - С . 114-116.
2. E f e n d i e v Т. Sh., К a t а г k е v i с h V. М„ R u b i п о v А. N. Generation of tunable
picosecond pulses in simple distributed feedback dye laser under N, laser pumping // Opt Communs. 1985. - V.55. - No.5. - P.347-352
3. К у p с т а к В. Ю , Р у б и н о в А. Н., Р ы ж е ч к и н С А., Э ф е н д и е в Т. Ш.
Генерация пикосекундньк импульсов в голографическом РОС-лазере на красителях при наносекундном возбуждении // Журнал прикладной спектроскопии - 1990 - Т.52. - № 2
4. В о г Z s. Tunable picosecond pulse generation by an N, laser pumped self Q-switched
distributcd-feedback dye laser // IEEE J. Quant. Electron. - 1980 - VQE-16. - No.5. - P.5 1 7-524.
5. S a b о G.. В о r Z s., M u 11 e r A. 20 MW 2,5 ps pulse generation by a mode-locked NdYAG laser pumped distributed feedback dye laser // Digest of the 4-th Conference on Luminesccnce
(Szeged, Hungary, 1982). - Szeged, 1982. - P.323-326.
6. S z a t m a r i S., S с h a f e r F. P. Subpicosecond, widely tunable distributed feedback dye
laser // Appl. Phys. - 1988. - VB46 - No 4. - P 305-311
7. К у р с т а к В.Ю Генерация пикосекундных импульсов излучения в лазерах на красителях с распределенной обратной связью при наносекундном возбуждении: Дис ... канд физ.-мат.
наук. - Мн„ 1994. •
Поступила в редакцию 17.07.2002.
On the basis of a method of the velocity equations the simulation of a kinetics of generation has
been fulfilled for the laser with distributed feedback (DFDL), excited by train of ultra-short impulses
(US1) Comparative analysis with temporary development of generation has been carried out at pumping
by smooth impulse of the Gaussian form, the generation characteristic of ultra-short impulses of radiation
are defined
Application of US1 for pumping of the DFDL gave essential advantages as compared to generation
at its excitation by smooth impulse of the same duration, in case train contains four and less pulses
The power of single-pulses of picosecond duration in this case tended to increase by 6 limes,
and the duration of impulses got reduced by more than 2,5 times. The range of exceeding of a threshold
was dilated, when the single ultra-short impulse has been generated.
Курстак Владислав Юзефович, кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры лазерной физики и спектроскопии ГрГУ им.Я.Купалы
82