СПОСОБ УСИЛЕНИЯ СТОКСОВА ИМПУЛЬСА ПРИ ВСТРЕЧНОМ ВЫНУЖДЕННОМ РАССЕЯНИИ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/00 

Способ усиления стоксова импульса при встречном вынужденном рассеянии относится к нелинейной оптике и может быть использован при создании мощных лазеров.

Известен способ усиления стоксова импульса на основе вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), в котором в одной кювете на одном проходе генерируется со спонтанных шумов стоксов сигнал и на другом проходе этот стоксов сигнал усиливается в поле накачки, распространяющейся навстречу входному сигналу [1]
Недостатком этого способа является невысокий КПД преобразования, обусловленный неоптимальной длиной кюветы с активной средой, и, кроме того, этот способ не позволяет суммировать энергию нескольких лазерных пучков накачки в один на стоксовой частоте.

Известно и другое аналогичное техническое решение [2] которому присущи те же недостатки.

Наиболее близким, взятым в качестве прототипа, является способ неколлинеарного усиления, когда накачка в виде двух пучков и стоксов сигнал распространяются в активной среде навстречу под небольшим углом друг к другу [3]
Недостатком этого способа является то, что он не позволяет получить КПД преобразования, близкий к предельному, в сочетании с высоким усилением входного сигнала ≈1000 раз. Причем этот недостаток является принципиальным, его невозможно устранить простым увеличением длины активной среды.

Предлагаемый способ позволяет обеспечить усиление сколь угодно малого входного стоксова сигнала (но большего уровня шума) до величины, практически равной энергии накачки.

Способ усиления стоксова импульса при встречном вынужденном рассеянии заключается в том, что в активную среду направляют неколлинеарно навстречу друг другу входные импульсы накачки и стоксова излучения, стоксов импульс усиливают за несколько циклов усиления, причем в каждый последующий после первого цикл усиления в качестве входных импульсов направляют импульсы накачки и стоксова излучения, вышедшие из предыдущего цикла усиления.

На чертеже показан нелинейный преобразователь, который состоит из кювет 1, 2, внутри которых размещены светопроводы 3, 4, и поворотных зеркал 5. Импульсы накачки 6 совмещаются во времени на входе в светопровод в один импульс, который распространяется в нем навстречу стоксову импульсу 7. Выходной усиленный стоксов импульс обозначен цифрой 8.

Накачка первого каскада усиления (кювета 1) осуществлялась несколькими пучками лазерного излучения 6 с суммарной энергией E ≃ 10 Дж и интенсивностью на входе в светопровод 3 I ≃ 200 МВт/см². Непреобразованная накачка и усиленный в первой кювете стоксов сигнал направлялись с помощью поворотных зеркал 5 во вторую кювету 2 навстречу друг другу, как и в первом случае. При этом после усиления в первом каскаде интенсивность стоксова сигнала составляла 0,1I, а после усиления во втором усилителе интенсивность выходного стоксова сигнала составляла ≈ 80% от суммарной интенсивности накачки на входе в светопровод 3.

Приведенные ниже расчеты подтверждают полученные экспериментально результаты.

Прежде всего следует подчеркнуть, что известный однокаскадный усилитель на встречном вынужденном рассеянии менее эффективен, чем усилитель на попутном рассеянии. Так, например, для того, чтобы в обоих вариантах выходная интенсивность стоксова излучения была равна входной интенсивности накачки, при встречном усилении входная интенсивность стоксова сигнала должна быть примерно в тысячу раз больше, чем при попутном усилении (для инкремента усиления в обоих вариантах равного 20) [4]
Для расчетов используем известное выражение (4), связывающее инкремент усиления с входными и выходными интенсивностями излучений, взаимодействующих при встречном стационарном усилении:

где Iвхн

входная интенсивность накачки, Id[c,Ids[c соответственно входная и выходная интенсивности стоксова сигнала, G = gIвхнL инкремент усиления, где g
коэффициент усиления, L длина активной среды. Для расчетов потребуется также Ids[н выходная интенсивность накачки. Она находится из первого интеграла дифференциальных уравнений, решением которых получено (1):
Ids[н-Id[c = Id[н-Ids[c. (2)
Рассмотрим однокаскадный усилитель, являющийся прототипом, и пусть в нем G 20, а входной сигнал Iвхc = 10^-5Iвхн. Подставляя эти значения в (1), получаем Ids[c = 0,494Id[н.
Проводя расчет для предлагаемого технического решения, разделим длину активной среды пополам и оставим прежними входные интенсивности излучений. Тогда для первого цикла усиления G 10 и из (1) получаем Ids[c = 0,0945Id[н,, т. е. в первом цикле преобразуется в стоксову компоненту примерно 0,1 от накачки, а для выходной накачки имеем Ids[н = 0,905Id[н. Направим излучения, вышедшие из активной среды после первого цикла усиления, во второй цикл. При этом G ≃ 9 и, подставляя необходимые данные в (1), получаем Iвыхc = 0,914Iвхн, где Id[н интенсивность накачки на входе в первый цикл усиления. Таким образом, разделив активную длину однокаскадного усилителя (прототипа) на две равные части и направив излучения, вышедшие из активной среды после первого цикла усиления, во второй цикл, можно при указанных параметрах взаимодействия почти вдвое увеличить коэффициент преобразования накачки в стоксово излучение и достичь высокого ≈ 10⁵ коэффициента усиления. Не трудно видеть, что эффект достигнут благодаря разделению процесса усиления на два этапа: на первом этапе происходит экспоненциальное усиление слабого стоксова сигнала в поле ненасыщенной накачки, на втором насыщенное усиление с высоким коэффициентом преобразования. Принципиальное отличие предлагаемого технического решения от прототипа заключается в том, что в первом обеспечивают одинаковую последовательность прохождения каскадов усиления излучениями накачки и стоксова сигнала, во втором эти последовательности (если мысленно разбить однокаскадный усилитель прототипа на то же количество каскадов) противоположны. Добавив третий каскад усиления с той же длиной активной среды и направив в него импульсы излучений, вышедшие из второго каскада, получаем Ids[c = 0,999Id[н..

Рассматривая численно двухкаскадную схему, можно с использованием (1) и (2) показать, что при постоянном суммарном инкременте усиления G = gId[н

(L₁+L₂) = 20, где L₁ и L₂ длины активных сред соответственно первого и второго циклов, максимальная интенсивность выходного стоксова излучения, равная Iвыхc = 0,95Iвхн, достигается при L₁/L₂≃ 2.
Продолжая деление длины L однокаскадного усилителя (прототипа) на 3, 4, 5 и т.д. равных частей, можно с использованием (1) и (2) показать, что при неизменных исходных интенсивностях накачки и стоксова сигнала увеличение числа каскадов приводит к повышению эффективности преобразования накачки в стоксово излучение. В пределе при числе каскадов, стремящемся к бесконечности, эффективность усилителя на встречном рассеянии стремится к эффективности усилителя на попутном рассеянии. Аналитический такой вывод доказывается тем, что при бесконечно малой длине усиления производные в дифференциальных уравнениях, описывающих попутный и встречный варианты усиления (4), можно заменить на отношения приращений, после чего эти выражения, описывающие усиление в бесконечном числе бесконечно коротких каскадов усиления, становятся тождественными для обоих вариантов.

Рассмотрение случая нестационарного усиления, т.е. когда длительности импульсов накачки и стоксова сигнала равны или меньше времени прохождения излучениями активной среды, существенно сложнее, поскольку требует решения двух дифференциальных уравнений с двумя аргументами. Однако из физики вынужденного рассеяния известно, что при любых соотношениях между интенсивностями стоксова сигнала и накачки происходит передача энергии накачки стоксову сигналу. Стало быть, предлагаемое техническое решение, заключающееся в многократном взаимодействии импульсов накачки и стоксова сигнала и использовании для накачки последующего цикла излучения, непреобразованного в предыдущем цикле, позволит при достаточно большом числе циклов усиления достичь высокого коэффициента преобразования накачки в стоксово излучение. При различных соотношениях между длительностями импульсов накачки и стоксова сигнала, а также при их синхронном или несинхронном приходе в активную среду импульсы взаимодействуют в ней совпадающими по времени частями. При этом в пределах временного совпадения импульсов интенсивность накачки уменьшается, интенсивность стоксова излучения возрастает и тем самым создаются возможности изменения длительностей импульсов, а также профилирования их формы.

Литература
1. М. А. Давыдов, К.Ф.Шипилов, Т.А.Шмаонов. Квантовая электроника, 13, 2125 (1986).

2. С.Б.Паперный, В.Ф.Петров, В.Р.Старцев. Письма в ЖТФ, 7, 433 (1981).

3. В.И.Ковалев, В.И.Поповичев, В.В.Рагульский, Ф.С.Файзуллов. ЖЭТФ, 64, 2028 (1973).

4. А. П. Васин, В. Ф. Ефимков, И.Г.Зубарев, А.Р.Петрухин, В.Б.Соболев. Квантовая электроника, 17, 920 (1990).

Использование: в квантовой электронике, в частности в мощных лазерах. Сущность изобретения: способ усиления стоксова импульса при встречном вынужденном рассеянии заключается в том, что в активную среду навстречу друг другу направляют входные импульсы накачки 6 и стоксова излучения 7. Усиление происходит за несколько циклов. В каждом последующем цикле усиление после первого в качестве входных импульсов направляют импульсы накачки и стоксова излучения, вышедшие из предыдущего цикла усиления. 1 ил.

Способ усиления стоксова импульса при встречном вынужденном рассеянии, заключающийся в том, что в активную среду направляют навстречу друг другу входные импульсы накачки и стоксова излучения, отличающийся тем, что стоксов импульс усиливают за несколько циклов усиления, причем в каждый последующий после первого цикл усиления в качестве входных импульсов направляют импульсы накачки и стоксова излучения, вышедшие из предыдущего цикла усиления.