Самовозбуждение в цепи электрооптической обратной связи приводит к новому способу активной синхронизации мод

Б.В. Аникеев, Н.В. Марусин, В.Н. Храмов

Получено экспериментальное обоснование ранее выдвинутого теоретического тезиса о том, что возбуждение колебаний мощности лазера вследствие неустойчивости цепи электрооптической обратной связи (ОС) происходит на межмодовых частотах, то есть сопровождается переходом генерации лазера в режим синхронизации мод, причем синхронизацией активного типа, поскольку в качестве управляющего генерацией элемента в эксперименте используется электрооптический затвор Поккельса. Такое явление стало доступным наблюдению благодаря разработке специально для цепи ОС широкополосного фотоприемника, усилителя и вообще цепи управления. Показано, что для эффективного перехода в режим синхронизации мод необходимо привлечение также фильтров, обладающих нелинейным поглощением. Получен для случая положительной ОС сокращенный цуг УКИ, что позволяет надеяться, что при отрицательной станет возможным его эффективное удлинение, что важно, например, для медицинских применений.

Ранее было теоретически показано [1], что самовозбуждение цепи ОС, как положительной, так и отрицательной, при электрооптическом способе ее осуществления приводит к возбуждению колебаний в резонаторе на межмодовой частоте (то есть к режиму активной синхронизации мод). Представляемая работа посвящена экспериментальному обоснованию этого факта. В данном случае это явление обеспечивается возбуждением низкочастотных колебаний в лазере, кратных времени обхода резонатора волной. Это было замечено еще при детальном рассмотрении процесса сглаживания пульсаций мощности в твердотельном лазере, которые носят характер пичков свободной генерации [2, 3]. Поскольку в качестве управляющего генерацией элемента используется электрооптический элемент Поккельса, это накладывает определенное требование на способ реализации ОС в твердотельном лазере: как фотоприемная, так и электронная часть всей системы должны быть выполнены в достаточно высокочастотном виде.

Это достигается, если в качестве фотоприемника используется коаксиальный фотоэлемент, а усилитель обратной связи базируется на высокочастотном СВЧ триоде типа ГИ-7Б. Нами разработан подобный электронный блок, принцип осуществления которого показан на рисунке 1.

Рис. 1. Конструкция усилителя:

1 — конус согласующий анодный внутренний; 2 — конус согласующий анодный внешний;

3 — конус согласующий катодный внутренний; 4 — конус согласующий катодный внешний;

5 — контакт переходной; 6 — элемент коаксиальный катодный; 7 — элемент коаксиальный анодный; 8 — коаксиальный конденсатор; 9 — СВЧ триод. В данной конструкции был применен сильноточный фотоэлемент типа ФК-14, с площадью фотоприемной части 20 см², сигнал которого подавался на катод указанного триода (то есть была использована наиболее высокочастотная схема с общей сеткой. Питание схемы осуществлялось посредством коаксиальных емкостей, используемых в фотоприемниках типа ФЭК)

По нашему мнению, подобный симбиоз способен не только возбудить генерацию УКИ, но и обеспечить требуемую кинетику генерации в целом, то есть затянуть процесс генерации, что часто делается, например, для стоматологических применений.

Генерационные испытания этой схемы были осуществлены в лазере на неодимовом стекле. Соответствующая осциллограмма показана на рисунке 2.

Рис. 2. Осциллограмма временного хода генерации лазера

Из этого рисунка видно, что генерируемое лазером поле приобрело характер регулярных флуктационных выбросов, обычно сопровождающих возбуждение колебаний в лазере с пассивной синхронизацией мод, поскольку амплитуды колебаний импульсов существенно отличаются. Причем в данном случае для получения регулярного цуга была применена положительная ОС, что привело, соответственно, к сокращению длительности цуга до 300 нс по сравнению с характерной длительностью пичка свободной генерации (порядка 1 мкс). Далее для получения эффективной импульсной последовательности данная картина была подвергнута преобразованию с помощью нелинейного насыщающегося поглотителя на основе раствора красителя 3274 в этиловом спирте. Оптическая схема устройства представлена на рисунке 3.

====== ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА

Рис. 3. Оптическая схема экспериментальной установки

С помощью вышеупомянутого нелинейного фильтра была получена типичная осциллограмма, показанная на рисунке 4. Заметим, что для получения этого результата была использована также положительная обратная связь.

100 нс

Рис. 4. Осциллограмма временного хода генерации ПОС лазера с пассивным фильтром в резонаторе

На рисунке 5 представлена зависимость энергии генерации цуга от накачки, которая осуществлялась в одноламповом квантроне с лампой ИФП 800, которая обычно используется в установках типа КВАНТ-15.

Рис. 5. Экспериментальная зависимость энергии генерации от превышения энергии накачки над ее пороговым значением

Были получены энергетические зависимости для двух различных коэффициентов отражения выходного зеркала 86 % и 55 %. Ход зависимости принципиально не отличается и характерен для четырехуровневой среды. Различие энергий указывает на то, что, во-первых, процесс идет в соответствии с обнаруженным в [1] механизмом и, во-вторых, может быть оптимизирован с точки зрения максимизации энергии генерации.

С помощью осциллографа типа С7-19 и фотоприемника типа ФК-15 был зафиксирован отдельный импульс последовательности, форма которого изображена на рисунке 6.

Рис. 6. Осциллограмма временного хода генерации ПОС лазера с пассивным фильтром в резонаторе

Если обратиться к рисунку 4, то видно, что в целом длительность цуга генерации составляет ~ 300 нс, то есть, несмотря на положительный характер обратной связи, произошло некоторое удлинение процесса по сравнению с гигантским импульсом. В то время как длительность отдельного импульса составила 1—2 нс, пиковая мощность составила 105 Вт и вполне достигает уровня, необходимого для лазерно-плазменного метода обработки в стоматологии [4] с помощью лазера, работающего в режиме КРМП.

Таким образом, в данной работе не только продемонстрирована возможность нового способа синхронизации мод, основанного на самовозбуждении цепи, обратной электрооптической ОС в твердотельном лазере, но и указана возможность его использования для медицинских целей.