способ усиления стоксова сигнала

Формула изобретения

Способ усиления стоксова сигнала при вынужденном рассеянии пространственно неоднородной накачки, включающий последовательное усиление стоксова сигнала в N каскадах усиления, отличающийся тем, что используют N пучков накачки, направляют в каждый каскад усиления только один пучок накачки, при этом обеспечивают в каждом каскаде инкремент усиления стоксова излучения, коррелированного с накачкой, не превышающий порогового инкремента усиления шумового стоксова излучения, коррелированного с накачкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нелинейной оптике и может быть использовано при создании лазерных систем с большим коэффициентом усиления.

Известен способ усиления стоксова сигнала [1, 2] на основе вынужденного рассеяния, в котором в активную среду каскада усиления направляют излучения накачки и стоксова сигнала. Самой распространенной (и наиболее изученной) геометрией взаимодействия накачки и стоксова сигнала является продольная геометрия, при которой углы между направлениями распространения излучений либо малы (попутное взаимодействие), либо близки к 180^o (встречное взаимодействие). Примером усиления при попутном взаимодействии является вынужденное комбинационное рассеяние [1] , при встречном взаимодействии - вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) [2].

В режиме, далеком от насыщения, коэффициент усиления К при вынужденном рассеянии определяется выражением К=exp(gIL), где g [см^-1/Вт] - коэффициент усиления активной среды, I [Вт/см²] - усредненная по сечению и по длине активной среды интенсивность накачки, L [см] - длина усиления. Для однородной накачки при пороговом инкременте усиления G_th=gIL~25-30 начинается усиление спонтанных шумов. При этом усиленный шум, во-первых, может привести к насыщению накачки и тем самым к снижению коэффициента усиления, во-вторых, искажает усиливаемый внешний стоксов сигнал. Поэтому при использовании усилителей на вынужденном рассеянии инкремент усиления устанавливают меньшим 25.

Однако на практике излучение накачки всегда является пространственно неоднородным, из-за чего в активной среде поле накачки имеет весьма сложную пространственную структуру. В таком поле преимущественное усиление [3] имеет стоксово излучение, пространственная структура которого является комплексно-сопряженной накачке при встречном взаимодействии либо совпадающей с накачкой при попутном взаимодействии. Инкремент усиления стоксова излучения, коррелированного с накачкой, может быть в 2 раза больше инкремента усиления стоксова излучения, некоррелированного с накачкой. Таким образом, при использовании пространственно неоднородной накачки инкремент усиления в усредненном поле не должен превышать 10-12.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ усиления при встречном взаимодействии [4], выбранный авторами за прототип, в котором усиление осуществляют в нескольких каскадах усиления. При этом в каждом последующем каскаде усиления, начиная со второго, в качестве входных излучений накачки и стоксова сигнала используют излучения, вышедшие из предыдущего каскада усиления. Такая многокаскадная схема усиления позволяет, с одной стороны, достичь довольно высокого коэффициента усиления, с другой стороны, высокого коэффициента преобразования накачки в стоксово излучение.

Однако недостатком такого способа является то, что излучение накачки проходит последовательно через все каскады усиления. Это означает, что инкремент усиления стоксовой конфигурации, коррелированной с накачкой, определяется суммарной длиной всех каскадов, и при повышении интенсивности накачки довольно рано достигается порог генерации стоксовых шумов, коррелированных с накачкой. Это ограничивает возможности повышения коэффициента усиления слабого внешнего сигнала.

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в возможности повышения коэффициента усиления внешнего стоксова сигнала без появления шумового стоксова излучения, коррелированного с излучением накачки.

В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в способе усиления стоксова сигнала при вынужденном рассеянии пространственно неоднородной накачки, включающем последовательное усиление стоксова сигнала в N каскадах усиления, используют N пучков накачки. Направляют в каждый каскад усиления только один пучок накачки и при этом обеспечивают в каждом каскаде инкремент усиления стоксова излучения, коррелированного с накачкой, не превышающий порогового инкремента усиления шумового стоксова излучения, коррелированного с накачкой. Благодаря такой схеме усиления шумовое стоксово излучение, коррелированное с накачкой, усиливается в каждом каскаде только на длине самого каскада. Внешний стоксов сигнал усиливается в среднем поле во всех каскадах. В заявляемом способе возможности усиления внешнего сигнала будут ограничиваться только появлением стоксова шума, некоррелированного с накачкой и усиливаемого в среднем поле во всех каскадах.

Наиболее оптимальные условия усиления достигаются при равенстве инкрементов усиления в среднем поле во всех каскадах. Для этого в каждом каскаде в соответствии с мощностью своего пучка накачки используют соответствующие площадь поперечного сечения и длину области усиления.

На чертеже изображена оптическая схема заявляемого способа усиления стоксова сигнала: 1 - три каскада усиления, 2 - три пучка пространственно неоднородной накачки, ОО" - ось, по которой распространяется внешний стоксов сигнал. Для встречного взаимодействия: 3 - входной стоксов сигнал, 4 - выходной усиленный стоксов сигнал. Для попутного взаимодействия: 5 - входной стоксов сигнал, 6 - выходной усиленный стоксов сигнал.

Способ реализуется следующим образом.

Была использована двухкаскадная схема при встречном взаимодействии (ВРМБ). Задающий генератор вырабатывал импульс длительностью 50 нс, на длине волны = 1,06 мкм и шириной линии =10^-2см^-1. Часть излучения отводилась стеклянной пластиной и направлялась в генератор стоксова сигнала, в котором использовался четыреххлористый углерод. Другая часть излучения задающего генератора пропускалась через усилитель и делилась пополам полупрозрачным зеркалом. Каждый из усиленных пучков пропускался через свой призменный растр, в фокусе каждого растра располагался один каскад усиления в виде светопровода, заполненного активной средой (четыреххлористый углерод) [4]. Стоксов сигнал пропускался последовательно по двум каскадам навстречу накачке. Благодаря растрам в светопроводах формировалось поле с высокой однородностью для усиления в среднем поле (что необходимо для устранения амплитудных искажений при усилении), однако с сильной пространственной неоднородностью. Суммарный инкремент усиления в среднем поле достигал G_max~20. При энергии входного стоксова сигнала 10^-9 Дж коэффициент усиления составил К~410⁷ по энергии и К~3,510⁸ по интенсивности, что близко к теоретическому пределу в отсутствие насыщения. Шумовое стоксово излучение, коррелированное с накачкой, в эксперименте не наблюдалось.

Источники информации.

1. Culver W.H., Soppi E.J., J-l Appl. Phys., 35, 3421 (1964).

2. Tang C.L., J-l Appl. Phys., 37, 2945 (1966).

3. Беспалов В.И., Бетин А.А., Пасманик Г.А. Изв. вузов, сер. Радиофизика, 21, 961 (1978).

4. Ефимков В.Ф., Зубарев И.Г., Михайлов С.И., Соболев В.Б. Квантовая электроника, 20, 1021 (1993) - прототип.