Способ синхронизации мод многочастотных лазеров

СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД МНОГОЧАСТОТНЫХ ЛАЗЕРОВ, заключающийся в модуляции добротности одновременно на частоте межмодовых биений ₀ и на меньшей частоте , сравнимой с частотой вторичных биений мод, двойном детектировании мощности излучения лазера, измерении временной зависимости полученного при детектировании сигнала, отличающийся тем, что, с целью управления временной структурой излучения при одновременном снижении мощности модулирующих сигналов, задают эталонную зависимость огибающей выходной мощности от времени на отрезке, равном периоду низкочастотной модуляции T=2 / , добротность модулируют дополнительно n-1 гармоническими сигналами на частотах ₁= ₀- , ₂= ₀-2 ,..., _n-1= _o-(n-1) , когерентными в четвертом порядке с сигналом частоты ₀ , изменяют амплитуду и фазу каждого из n гармонических сигналов до достижения минимального отклонения измеренной временной зависимости огибающей интенсивности излучения от заданной, при этом число гармонических сигналов определяют из соотношения
2 n N-1 , 2 ( f)_макс /
где N - число генерируемых продольных типов колебаний;
( F)_макс - максимальный разброс межмодовых интервалов несинхронизированного лазера.

Изобретение относится к квантовой электронике и оптоэлектронике и предназначено для синтеза заданной временной структуры излучения многочастотных лазеров.
Цель изобретения - управление временной структурой излучения при одновременном снижении мощности модулирующих сигналов.
На чертеже изображена схема синхронизации мод многочастотных лазеров, с помощью которой может быть реализован описываемый способ синхронизации.
На схеме представлены фотоприемник 1 (первый детектор), зеркало 2 резонатора, оптический модулятор 3 (синхронизатор), активный элемент 4 лазера, выходное зеркало 5 лазера, амплитудный (второй) детектор 6, высокочастотный аналоговый сумматор 7, микропроцессорный блок управления 8, блоки 9-12 управления амплитудой и фазой, высокочастотные генераторы 13-16 гармонических сигналов, низкочастотные генераторы 17-19 гармонических сигналов.
Синхронизация осуществляется следующим образом.
В резонатор многочастотного лазера, образованный зеркалами 2 и 5, с помощью оптического модулятора 3 вводится сложный синтезированный квазипериодический сигнал, полученный с выхода аналогового сумматора 7. На входы сумматора через блоки 9-12 управления амплитудой и фазой подаются n когерентных периодических сигналов, получаемых с выходов n взаимносинхронизированных высокочастотных генераторов 13-16. На входы амплитудной модуляции этих генераторов подается гармонический сигнал от m взаимно синхронизированных низкочастотных генераторов 17-19. Оптический сигнал, пройдя через зеркало 2, попадает в фотоприемник 1, на выходе которого выделяется сигнал на частоте межмодовых биений _о. Этот сигнал подвергается вторичному детектированию с помощью амплитудного детектора 6 и подается на вход микропроцессорного блока управления 8.
Взаимная синхронизация m низкочастотных генераторов 17-19 реализуется путем осуществления их взаимного фазового захвата в синхронный режим первого порядка, при котором достигается равенство частот генераторов ₁ = ₂ = ₃ = ... = _m = . Этим достигается уменьшение в m раз ширины спектральной линии каждого из генераторов, обусловленной техническими и естественными флуктуациями частоты.
Высокочастотные генераторы 13-16 также находятся во взаимном фазовом захвате, но уже соответствующем реализации синхронного режима второго порядка, при котором выполняются соотношения
_k+1 - _k = , 1 K (n - 1) при _k+1 > _k, где _k - частоты гармонических модулирующих сигналов.
Осуществление синхронного режима второго порядка, помимо того, что оно способствует уменьшению в n раз ширины спектральных линий высокочастотных генераторов, позволяет сформировать максимальную когерентность сигналов этих генераторов в четвертом порядке. Под когерентностью четвертого порядка колебаний нескольких генераторов, настроенных так, что их частотный спектр эквидистантен с интервалом , понимают наличие жесткой связи фаз биений на частоте между каждой соседней парой генераторов.
В результате модулирующий сигнал имеет эквидистантный спектр частот с расстоянием между составляющими, равным , расположенный вблизи частоты межмодовых биений многочастотного лазера _о.
При подаче на вход модулятора нескольких гармонических сигналов с эквидистантным спектром и средней частотой _о, когерентных в 4-м порядке, моды лазера войдут в синхронизм 3-го порядка, характеризующийся отличной от нуля когерентностью 6-го порядка. Интенсивность на выходе лазера представляет собой последовательность оптических импульсов с частотой следования _о, промодулированных по высоте периодическим сигналом частоты , равной разности частот гармонических сигналов. Сигнал с частотой _о на выходе первого детектора при этом оказывается промодулированным по амплитуде с частотой . Сигнал на выходе второго детектора по форме повторяет огибающую сигнала первого детектора и огибающую оптических импульсов на выходе лазера.
Изменение амплитуд и фаз высокочастотных модулирующих сигналов с помощью блоков 9-12 управления приводит к изменению формы огибающей, амплитуды и длительности генерируемых импульсов.
Таким образом, проводя в микропроцессорном блоке управления сравнение полученной на выходе второго детектора 6 временной зависимости огибающей с заданной зависимостью и минимизируя отклонение полученной зависимости от заданной, например, методом наименьших квадратов, можно решить задачу синтеза заданной временной структуры выходного излучения.
При этом средняя мощность, подводимая к модулятору, может быть снижена в n раз в сравнении с ситуацией, когда модулятор приводится в действие высокочастотным сигналом на одной частоте. Это способствует снижению уровня тепловых флуктуаций оптической длины резонатора и обеспечивает дополнительное уменьшение длительности генерируемых оптических импульсов.
Кратко поясним, за счет чего достигается уменьшение тепла, выделяющегося в модуляторе. При оптимальных условиях во время осуществления полной вынужденной синхронизации 2-го порядка наиболее неблагоприятным продольным модам необходимо сместить свою частоту на величину f_макс/2, где f_макс - максимальный разброс межмодовых интервалов несинхронизированного лазера, характеризующий степень неэквидистантности спектра мод за счет эффектов затягивания частоты в активной среде. Из общей теории синхронизации следует, что величина смещения частоты моды за счет эффекта синхронизации пропорциональна амплитуде моды, а также амплитуде модулирующего сигнала. Пусть для осуществления полной синхронизации всех продольных мод во 2-м порядке требуется модулирующий сигнал с амплитудой U₂ f_макс/2. В этом случае выделившаяся в модуляторе тепловая энергия будет пропорциональна P₂ U₂². При осуществлении полной вынужденной синхронизации всех продольных мод в 3-м порядке путем подачи на вход модулятора n модулирующих сигналов, имеющих эквидистантный спектр с интервалом , наиболее неблагоприятным модам, необходимо сдвинуть свои частоты лишь на интервал /2 = f_макс/2n. Для этого амплитуды модулирующих сигналов в 3-м порядке должны быть в среднем не меньше U /2 , т.е. могут быть в n раз меньше амплитуды модулирующего сигнала U₂, необходимого для осуществления полной синхронизации мод во 2-м порядке.
Поскольку n модулирующих сигналов имеют разные частоты, то выделяемая ими за счет потерь в модуляторе тепловая энергия может быть оценена как
P₃ = U²₃ = = n = = , т.е. в n раз меньше. Следовательно, в n раз меньше будет и уровень тепловых флуктуаций оптической длины резонатора, вносимых модулятором.
Число гармонических сигналов n может изменяться в пределах
2 n N - 1, 2 f_макс/ , где N - число генерируемых продольных типов колебаний (мод);
f_макс - максимальный разброс межмодовых интервалов несинхронизованного лазера.
Описанный способ обеспечивает получение выходного излучения с заданной временной структурой и управляемой амплитудой, длительностью и частотой следования импульсов. (56) Запорожченко В.А. и др. Активная синхронизация мод в лазере на фосфатном стекле с Nd³⁺ при короткоимпульсной накачке. Журнал прикладной спектроскопии, 1985, т.43, в.4, с.674-676.
Безаева Л.Г. и др. Стохастические режимы в АИГ: Nd³⁺-лазере с активной синхронизацией мод. Квантовая электроника, 1985, т.12, в.8, с.1743-1745.
Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для синтеза заданной временной структуры излучения лазеров. Цель - управление временной структурой излучения при одновременном снижении мощности управляющих сигналов. На модулятор, расположенный в резонаторе лазера, подают n высокочастотных гармонических сигналов, промодулированных низкочастотным сигналом на частоте и образующих эквидистантный спектр, сосредоточенный вблизи частоты межмодовых биений. Интервалы между компонентами эквидистантного спектра равны W . Изменяя амплитуды и фазы высокочастотных сигналов, воздействуют на форму огибающей выходного излучения, аплитуду и длительность импульсов. Модуляция многочастотным полем облегчает вхождение в синхронизм лазеров с неэквидистантными из-за дисперсии модами и обеспечивает получение лазерного излучения с заданной временной структурой. 1 ил.