Диссертация (1104148), страница 23

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 23)

4.6б). В этом случае происходило частичное (неполное) подавлениесамосинхронизации мод. Достигнуть полного подавления процесса самосинхронизации модпутем увеличения концентрации квантовых точек в кювете не удалось, так как дляиспользуемых квантовых точек CdSe/ZnS невозможно создать коллоидный раствор в гексанеконцентрациейболее1018из-запределарастворимости.Подавлениемодуляциисопровождалось увеличением длительности импульса примерно в 1,2 раза (рис. 4.6а, б).Энергия генерируемого лазерного импульса при помещении кюветы с коллоидным растворомквантовых точек CdSe/ZnS в резонатор составляла= 1,2 мДж, то есть наблюдалосьуменьшение энергии в 12 раз по сравнению с первоначальным импульсом.114Рис. 4.7.Импульсы,генерируемыенаносекунднымNd3+:YAlO3-лазером:а) без нелинейного элемента в резонаторе, б) с пластинкой GaAs в резонаторе.При помещении внутрь резонатора наносекундного Nd3+:YAlO3-лазера нелинейногоэлемента полупроводниковой монокристаллической пластинки GaAs толщиной 0,45 мм наосциллограммах было обнаружено полное подавление модуляция импульса (сглаживание егоформы) - рис.

4.7б. На рис. 4.7б видно, что импульс, генерируемый лазером с дополнительнымнелинейнымэлементомврезонаторе,полностьюсглаженотносительноимпульса,генерируемого лазером без дополнительного нелинейного элемента. Сглаживание формыимпульса можно объяснить подавлением процесса самосинхронизации продольных мод вактивном элементе наносекундного Nd3+:YAlO3 лазера. Сглаживание лазерных импульсовсопровождалось значительным увеличением их длительности примерно в 3 раза (рис. 4.7а, б).Энергия генерируемого импульса при помещении в резонаторе пластинки GaAs толщиной0,45 мкм составляла= 0,9 мДж, то есть по сравнению с энергией импульса, генерируемоголазером без нелинейного элемента в резонаторе, наблюдается уменьшение энергии примерно в16 раз.

Получить генерацию при использовании пластинки GaAs толщиной 0,57 мм не удалосьиз-за возросшего порога генерации.Наблюдаемые изменения формы и длительности наносекундного импульса Nd3+:YAlO3лазера, по-видимому, можно объяснить включением дополнительной отрицательной обратнойсвязи,обусловленнойдвухфотоннымпоглощениемпривнесениивнутрьрезонатора115нелинейных полупроводниковых элементов. Внутри резонатора лазера из-за больших значенийэлектрического поля становится эффективным процесс двухфотонного возбуждения оптическихпереходов в монокристалле GaAs и в квантовых точках CdSe/ZnS. С ростом интенсивностивозбуждающих импульсов нелинейно растет доля двухфотонно поглощенного излучения.Добротность лазера Q связана с отношением энергии W, запасенной в резонаторе запериод, к суммарной мощности потерь на излучение, рассеяние и поглощение в резонаторе Pкак Q =, где ω0 - циклическая частота генерации.

Чем меньше потери энергии в контуре,тем выше добротность лазера. Уменьшение амплитуды и увеличение длительностигенерируемогонаносекундноголазерногоимпульсаприпомещениидвухфотоннопоглощающего нелинейного элемента в резонатор объяснялось тем, что двухфотонноепоглощение оказывает заметное влияние на динамику формирования импульсов. С ростомдвухфотонного поглощения настолько, что потери в системе компенсируют усиление,добротность резонатора лазера Q уменьшается и интенсивность импульса перестает нарастатьпрежним образом. Однако, с добротностью Q также связана спектральная ширина генерацииΔω =, которая таким образом увеличивается с ростом двухфотонного поглощения.

Этоприводит к увеличению длительности генерируемых Nd3+:YAlO3 лазером наносекундныхимпульсов.Зарегистрированное изменение формы лазерного импульса - частичное или полноесглаживание периодической модуляции при помещении в резонатор Nd3+:YAlO3 лазерадвухфотонно поглощающего нелинейного элемента объяснялось тем, что двухфотонноепоглощениеявляетсязависящим(увеличивающимся)отинтенсивностивозбужденияпроцессом. При помещении образцов в резонатор происходящее в них двухфотонноепоглощение приводит к дополнительной отрицательной обратной связи. Характернойособенностью отрицательной обратной связи является то, что потери увеличиваются с ростоминтенсивности излучения.

Поэтому пиковые участки генерируемых наносекундных импульсовусиливаются слабее, чем менее интенсивные. Таким образом, одним из следствийотрицательной обратной связи в лазерах на Nd3+:YAlO3 является обнаруженное сглаживаниегенерируемыхнаносекундныхимпульсов-подавлениепроцессасамосинхронизациипродольных мод [151].По-видимому, двухфотонное поглощение в квантовых точках CdSe/ZnS происходит нетак интенсивно, как в пластине GaAs из-за меньших значений коэффициента двухфотонногопоглощения, что и объясняет не полное подавление модуляции интенсивности (процессасамосинхронизации мод) при помещении кюветы с квантовыми точками в резонатор116наносекундного Nd3+:YAlO3 лазера.4.4.2.

Численный расчет генерируемых наносекундных импульсов Nd3+:YAP-лазерапри помещении в резонатор нелинейного элемента отрицательной обратной связиДля объяснения полученных экспериментальных результатов был проведен расчетвлияния отрицательной обратной связи (нелинейного двухфотонного поглощения) в резонаторелазера на динамику формирования лазерных импульсов. Расчет проводился с использованиемчисленных методов и с учетом реальных параметров лазера и нелинейных полупроводниковыхэлементов в резонаторе. Использованная флуктуационная модель количественно описываетмодуляцию лазерных флуктуаций в твердотельных лазерах [154].

Основой модели являетсяпредположение о том, что в результате нелинейного воздействия поглотителя из большогочисла флуктуационных выбросов интенсивности, существующих в резонаторе к началупроцесса усиления, выделяется и усиливается самый большой выброс, а остальныеподавляются. В уравнениях учитывались три главных фактора. Во-первых, эффект генерации, скоторого начался процесс излучения; во-вторых, действие нелинейного элемента; в-третьих,потери на зеркалах резонатора [154].Для описания формирования наносекундного лазерного импульса использоваласьсистемабалансныхуравнений.Еслинеучитыватьнеравномерностьраспределенияинтенсивности излучения по сечению луча, то в приближении мгновенного включениядобротности, уравнения для плотности потока фотонов в резонатореи плотностинаселенности N имеют вид [84]:F  0 BNF  F  F 2t '(4.1)N  0 BNFt '(4.2)Здесь t ′ — безразмерное время, для которого выполняется соотношение t ′ = t⁄τ , где τхарактеризуетлинейныепотери излучения за счет отражении от зеркала за один проход, иописывает линейное поглощение в активной среде лазера и в среде с нелинейнымпоглотителем.=∙- коэффициент Эйнштейна для индуцированного поглощения илиизлучения, где σ − поперечное сечение индуцированного перехода,– скорость света в среде, - коэффициент заполнения [155].

Первый член системы уравнений (4.1-4.2)  0 BNF описывает117усиление излучения в активной среде. Последний член первого уравнения системы (7)  F 2соответствует нелинейному поглощению (описывает нелинейные потери в резонаторе)обусловленному только двухфотонными межзонными переходами:=[155], где  -коэффициент двухфотонного поглощения, d – толщина образца, l – длина активного элемента.Систему балансных уравнений (4.1-4.2) удобно решать с использованием безразмерныхпеременных x иy , которые можно ввести следующим образом:x   0 BF(4.3)y   0 BN(4.4)Тогда исходная система уравнений (4.1-4.2) примет следующий вид:x xy  x  Kx2t'(4.5)y  xyt '(4.6)где K - коэффициент нелинейных потерь, равный=0∙= 2 Рассмотренные уравнения соответствуют выражениям, описывающим нелинейную фазуформирования моноимпульса во флуктуационной модели с учетом процесса снятия инверснойнаселенности.Формированиемоноимпульсногорежимавофлуктуационноймоделипроисходит к концу нелинейной фазы [155].Рассмотрим результаты, которые получаются при формировании наносекундныхимпульсов Nd3+:YAlO3 лазера в коллоидном растворе квантовых точек CdSe/ZnS или пластинеарсенида галлия.

Наносекундные импульсы лазера, как видно из рис. 4.8а и 4.9а, имеютизрезанную форму за счет процесса самосинхронизации мод. Каждый из наблюдаемых пиковгенерируемых импульсов можно аппроксимировать гауссовой формой. Для каждого изописанных пиков был произведен отдельный расчет1 в рамках теоретической модели,приведенной выше - кривые, полученные в результате численного анализа согласно системеуравнений (4.5-4.6), приведены на рис. 4.8а и рис. 4.9а (сплошные синие кривые). Полученныеаппроксимации пиков интенсивности (сплошные желтые кривые) и их огибающаядлявведения в резонатор пластины арсенида галлия (сплошная зеленая кривая) представлены на1Расчет проведен В.Н.

Манцевичем.118рис. 4.8б (для раствора квантовых точек CdSe/ZnS) и рис. 4.9б (для пластины арсенида галлия).Учетпроцессовгенерацииотдельныхпиков импульсовдаетхорошеесогласиесэкспериментом.Рис. 4.8. Аппроксимации отдельных пиков интенсивности (синие и желтые кривые)импульсов, генерируемых наносекундным Nd3+:YAlO3 -лазером: а) без нелинейного элемента врезонаторе, б) с кюветой с коллоидным раствором квантовых точек CdSe/ZnS в резонаторе.Используяполученнуюсистемубалансныхуравнений(4.5-4.6)можноизэкспериментальных данных получить коэффициент двухфотонного поглощения. На первом119этапе расчета определялись начальные условияформированиегенерируемоголазеромимпульсаx0сиy0 ,при которых происходитпараметрами,соответствующимиэкспериментальной кривой на рисунках 8а и 9а без двухфотонного поглощения в нелинейномэлементе в резонаторе.

Характеристики

Список файлов диссертации