Тема: Как быстро включаются п/п лазеры?

[diant]

Gall, вопрос.
Интересует, как быстро выходят на нормальный рабочий режим п/п лазеры? Можно ли от них ждать, что через 1 мкс или 1 нс после подачи Uпит они уже работают в штатном режиме?

Естественно вопрос разветвляется на две тропинки:
- чистые п/п лазерные диоды
- п/п лазеры DPSS (с нелинейным кристаллом)

[Gall]

Смотря что считать "рабочим режимом".

Основная причина нестабильности всех непрерывных лазеров - банальный нагрев. Из-за теплового расширения слегка изменяется расстояние между зеркалами (или его квантовый аналог в лазерах с РОС), в результате чего плывет длина волны, а у некоторых лазеров (He-Ne) и поляризация тоже. На установление стабильного температурного режима в типичном лазере требуются секунды или минуты.

На более коротких временах есть и другие эффекты. Наносекундные времена - времена нестационарности самой лазерной генерации. Примерно такое время требуется на "разжигание" вынужденного излучения, если в лазере нет специальных элементов управления этим процессом (модуляторов добротности, иначе говоря). Микросекундные времена - времена, требующиеся для установления режимов работы цепей питания и ламп накачки, зарядку фильтрующих конденсаторов, выравнивание тока в дросселях, зажигание газовых разрядов (если есть).

Методы получения предсказуемых импульсов лазера разной длительности:
фс-пс: нелинейная оптика и синхронизация мод, управление интерференцией лазерных импульсов
нс: активная или пассивная модуляция добротности резонатора
мкс-мс: особый дизайн цепей питания
секунды, минуты: предварительный прогрев
часы, дни: активная или пассивная температурная стабилизация
нс-мс длинными (секунды-дни) сериями одинаковых импульсов: механическое прерывание луча непрерывного лазера

[diant]

Галл, я конечно не вполне точно определил свой вопрос. Под рабочим режимом мне не нужна абсолютная стабилизация по всем параметрам. И мой вопрос ограничен только п/п лазерами - то есть либо чистые лазерные диоды, либо DPSS лазеры.

Что я имел в виду. Мне не нужна большая стабильность по мощности. То есть если лазер начал генерить и уже достиг скажем 90% той мощности, которая у него установится в статике - уже нормально.

Но мне нужно, чтобы он (п-п лазер) уже установился по длине волны (скорее длинам волн) и уже генерил, а не работал светодиодом.

Как я понял, тут можно побороться за мкс, если правильно подать питание? Помню как то давно я делал схему для ускоренного включения светодиодов, то же за счет хитрой подачи питания. В той схеме я использовал предварительный разогрев светодиода подпороговым током и буст-режим включения (с предварительно заряженными конденсаторами, которые давали резкий on-фронт с ощутиым но коротким over-voltage). Но там я уже боролся не за мкс, а за нс. Посмотрел свои осциллограммы и вижу, что тогда мне удалось пулять светодиодами с импульсами FWHM = 20 ns. То есть за это время светодиод успевал нормально зажечься и погаснуть. Но с п-п лазерным диодом такое уже не получится (на нс-шкале)?

Если я правильно понимаю, не получится по трем причинам: либо лазерный диод еще вообще не загорится, либо загорится как светодиод, но генерации еще не будет, либо если даже генерация успеет начаться, то длина волны будет еще в режиме "неустаканилась"?

Верно?

PS. Чтобы совсем было понятно, какой стабильности мне достаточно, просто опишу окружение.
Представьте себе, что в статичном режиме я настроил интерферометр Майкельсона на свой п-п лазер таким образом, что длина его плеч очень близка друг к другу. Ну если не до длины волны, то до нескольких длин волн. То есть кольца вижу очень широкие и центральная зона большая. Теперь я выключил лазер и хочу выстрелить им коротким импульсом, но так, чтобы интерференционная картина успела воспроизвестись. Мощность, как я уже сказал, тут сильно не важна. И даже некоторый небольшой сдвиг по длине волны не так страшен (как я понимаю, при близких плечах интерферометра он еще не испортит воспроизводимости интерференционной картины). Но будет совсем плохо, если при настройке в статике я вижу центральное пятно интерференционный картины светлым, а в импульсе - темным. Вот этого нужно избежать. Так вот мне хочется знать, через какое время после ПРАВИЛЬНОЙ подачи питания на п-п лазер я (точнее мой детектор) увидит интерференционную картину уже такой, какой она была при настройке в режиме статики?

[Gall]

Но мне нужно, чтобы он (п-п лазер) уже установился по длине волны (скорее длинам волн) и уже генерил, а не работал светодиодом

Вот это и есть та самая стабильность, с которой самые большие проблемы.

Длина волны определяется расстоянием между зеркалами. А расстояние между зеркалами зависит от температуры. При работе лазер греется, расстояние между зеркалами растет. Пока лазер не перестанет греться (температура не установится), длина волны будет плыть.

Но с п-п лазерным диодом такое уже не получится (на нс-шкале)?

И да и нет. Лазерная генерация начнется. Но она не успеет стабилизироваться.

Длины волн излучения, моды в лазере претерпевают что-то вроде "отбора по Дарвину". Сначала живут все, а потом постепенно более сильный съедает более слабых. Более сильная мода начинает отбирать на себя всю энергию, и более слабым не хватает. Но этот процесс требует времени (как раз наносекунды), поэтому в первый момент мода будет не одна.

Если я правильно понимаю, не получится по трем причинам: либо лазерный диод еще вообще не загорится, либо загорится как светодиод, но генерации еще не будет, либо если даже генерация успеет начаться, то длина волны будет еще в режиме "неустаканилась"?

Верно?

Верно, и наиболее вероятно последнее. Будет как раз момент, когда несколько мод генерации конкурируют друг с другом за выживание. Собственно процесс генерации в лазере очень быстрый, поэтому вполне успеет и загореться, и загененировать (и вообще лазеры за наносекунды даже сгореть успевают при неправильном питании - выжечь собственный кристалл слишком ярким собственным излучением). Не загореться может только из-за медленного блока питания.

Но будет совсем плохо, если при настройке в статике я вижу центральное пятно интерференционный картины светлым, а в импульсе - темным. Вот этого нужно избежать. Так вот мне хочется знать, через какое время после ПРАВИЛЬНОЙ подачи питания на п-п лазер я (точнее мой детектор) увидит интерференционную картину уже такой, какой она была при настройке в режиме статики?

Очень сильно зависит от типа лазера.

Самый простой рецепт для таких конструкций - держать лазер постоянно включенным, а импульс получать механическим затвором. Например, можно качающимся зеркальцем отклонять луч, и на какой-то короткий момент этот луч будет попадать во входную дырочку установки. Вполне можно сделать, чтобы это длилось наносекунды. Главный недостаток - плохой КПД: большая часть энергии лазера уходит в пустоту. Поэтому такой метод не годится, например, для целей голографии, когда за время импульса должна успеть проэкспонироваться фотопластинка, а для этого нужен очень яркий свет. Мощность лазера тогда должна составлять сотни мегаватт, и ясно, что ни о каком долговременном включении не может быть и речи.

[Gall]

Еще добавлю: длина волны лазера, который работает всего 0.1 секунды, скорее всего будет отличаться от длины волны лазера, который работает 10 минут. Потому что в первом случае лазер еще холодный, а во втором - уже теплый. Это несмотря на то, что за 0.1 секунды любой "естественный отбор" уже успевает завершиться с гарантией.

[diant]

Галл, я начинаю примерно чувствовать ситуацию. И понимаю, что похоже мне нужен затвор.
То есть лазер я заранее зажгу и "прогрею", а потом затвором надо пульнуть, но только один раз.
Если будет вращающееся зеркало, то получится "та-та-та-та". А мне нужно только один раз.

Лазеры у меня обычные п/п (DPSS). Внутрь к ним я не полезу - там уже ничего не встроишь.
Сообтветственно вопрос - как проще всего реализовать внешний МОНО-импульсный затвор с временами:
- мкс
- и если возможно, нс

[Gall]

Галл, я начинаю примерно чувствовать ситуацию. И понимаю, что похоже мне нужен затвор.
То есть лазер я заранее зажгу и "прогрею", а потом затвором надо пульнуть, но только один раз.
Если будет вращающееся зеркало, то получится "та-та-та-та". А мне нужно только один раз.

Не проблема - вращающийся диск комбинируется с обычным затвором от фотоаппарата. Для длинных импульсов можно просто фотоаппарат. В диске делается всего одна дырочка, и за время открывания затвора диск не делает больше 1 оборота.

Альтернативный вариант - два диска, вращающихся с разной скоростью. Дырочки совпадают редко.

Если скорости вращения диска будет недостаточно, можно использовать вращающееся зеркало (от старого лазерного принтера подойдет). Расстояние между зеркалом и диафрагмой можно хоть 20 метров сделать (зеркалами).

На коротких импульсах главной проблемой станет нехватка мощности лазера. Энергия одного импульса будет так мала, что датчики просто не смогут зафиксировать результат работы. Поэтому на наносекундных временах на успех с затвором рассчитывать я бы не стал. Боюсь, что придется лазер с модулированной добротностью делать. В принципе, если вы можете сделать интерферометр, то и лазер сможете.

[diant]

Лазер с модулированной добротностью - это я пока еще явно не созрел. Даже не знаю, как подступиться. Я и лазеров то настоящих руками еще не трогал - одни п/п использую.
Но посмотрим, жизнь покажет.

О механике. Да, понятно, что механика дает некоторые возможности и скорее всего по началу придется к ней и прибегнуть. Всяких центральных затворов у меня хватает, да и щелевых тоже. 1/1000 на механике думаю найду. Вращать кружки на моторе - вот этого то я и хотел сразу избежать.

Вообще я лелеял надежды, что бывает что-то такое, типа - подал на него напряжение и оно мигом раз и открылось. Убрал напряжение - и все снова закрыто. Неужто нет такого хотя бы для мкс выдержек?

О нехватке мощности, это я понимаю. Посмотрим что датчики скажут. Всякие есть фотометры, есть и чувствительные. Помню делал даже такой, которым мог в доме за 1 км определить - у кого 60 Вт лампочка на кухне, а у кого 100 Вт. По амплитуде вибраций - она у ламп разной мощности разная. Самое трудное было - оптикой нацелиться в нужное окно на горизонте . Правда этот фотометр сейчас валяется без дела полуразобранный. Да и не быстрый он. Но есть отличный рабочий, которым я импульсы по 10 нс хорошо вижу - он проверенный. Вот только бы сделать такой импульс на лазере !!!

[Gall]

Лазер с модулированной добротностью - это я пока еще явно не созрел. Даже не знаю, как подступиться. Я и лазеров то настоящих руками еще не трогал - одни п/п использую.
Но посмотрим, жизнь покажет.

Строго говоря, DPSS зеленый - это не полупроводниковый лазер, а самый что ни на есть твердотельный неодимовый, да еще и с нелинейной оптикой для удвоения частоты. Полупроводниковая там только накачка.

Вообще я лелеял надежды, что бывает что-то такое, типа - подал на него напряжение и оно мигом раз и открылось. Убрал напряжение - и все снова закрыто. Неужто нет такого хотя бы для мкс выдержек?

Жидкий кристалл есть, но он довольно медленный. Эффект Фарадея есть. Эффект Керра есть. Акустооптика есть. Но это все достаточно сложные и капризные конструкции.

Но есть отличный рабочий, которым я импульсы по 10 нс хорошо вижу - он проверенный. Вот только бы сделать такой импульс на лазере !!!

А какая энергия у этих импульсов? Лазер ведь на самом деле слабенький очень. У него луч когерентный и поэтому яркий, но энергии несет немного по сравнению с другими источниками света. А фотодиоды в основном к ИК чувствительны. С зелеными лазерами вообще проблемы нехилые, ФД-7 их едва видит, а дешевые ФД-263 вообще показывают чуть ли не на уровне шума. Все-таки у кремния пик чувствительности на ИК, и ничего с этим не поделаешь. Вот если ФЭУ, тогда легко, тогда еще и красная граница поможет - шум отсечет.

[diant]

Строго говоря, DPSS зеленый - это не полупроводниковый лазер, а самый что ни на есть твердотельный неодимовый, да еще и с нелинейной оптикой для удвоения частоты. Полупроводниковая там только накачка.

Да, я понимаю. С его конструкцией знаком. Но ведь в эту крошечную готовую конструкцию уже не всунешься? То есть учинить в ней затвор с модулированной добротностью своими руками наверное не получится?

Жидкий кристалл есть, но он довольно медленный. Эффект Фарадея есть. Эффект Керра есть. Акустооптика есть. Но это все достаточно сложные и капризные конструкции.

Понятно. А я как раз и расчитывал на что-нибудь в это роде.
Если все это сложно и капризно, отставляем.

А какая энергия у этих импульсов? Лазер ведь на самом деле слабенький очень. У него луч когерентный и поэтому яркий, но энергии несет немного по сравнению с другими источниками света.

Вот тут для меня новая мысль и хотелось бы поподробнее.
Правильно ли я понял, что два одинаковых по яркости пятна - одни созданный лазером, а другой к примеру обычным светодиодом - дадут при измерении на фотометре разные значения интенсивности?
(И лазер проиграет.)

Что касается энергии импульсов, тут я не сильно беспокоюсь.
Я рассуждаю как бы с другой стороны. Смотрю не на энергию, а на мощность.
Если фотометр хорошо видит мой луч в стационарном режиме и при этом он достаточно быстрый (у меня где-то под 100 МГц полоса фотометра), то и короткий импульс он увидит ровно с такой же амплитудой. Я проверял это уже давно на маленьких светодиодах (есть такие SMD Led). Короткие импульсы от эти светодиодов я достаточно хорошо регистрировал в 1 метре от них. Оптика там конечно применялась коллимирующая, но с лазером это будет еще удобнее.

А фотодиоды в основном к ИК чувствительны. С зелеными лазерами вообще проблемы нехилые, ФД-7 их едва видит, а дешевые ФД-263 вообще показывают чуть ли не на уровне шума. Все-таки у кремния пик чувствительности на ИК, и ничего с этим не поделаешь.

Я как раз вчера работал с ФД-263 (в другом эксперименте). Да, на 5 мВт лазере 660 нм у него конечно сигнал будь здоров. Но среди прочего я работал с ним и на фиолетовом 405 нм 10мВт лазере - и тоже пожаловаться не могу. По яркости при открытых поляризаторах на пути луча 263-й фотодиод у меня зашкаливал на 100К нагрузке (на пассивном фотометре). Так что и на такой древности работать можно

[Gall]

Да, я понимаю. С его конструкцией знаком. Но ведь в эту крошечную готовую конструкцию уже не всунешься? То есть учинить в ней затвор с модулированной добротностью своими руками наверное не получится?

Никак. Тем более, что там все монолитное и зазоры между элементами просто не предусмотрены.

Просто создание лазера с нуля - это не такая уж сложная задача (при наличии всех деталей). Это ничем не отличается от сборки любой другой оптической схемы из зеркал и линз. Просто помимо обычных зеркал будет несколько "магических кристаллов".

Понятно. А я как раз и расчитывал на что-нибудь в это роде.
Если все это сложно и капризно, отставляем.

Можно Фарадея попробовать разве что. Надо какой-нибудь достаточно длиный оптически активный стержень (вроде кварца) засунуть в соленоид. В зависимости от тока в соленоиде будет по-разному поляризация вращаться. Вместе с поляризаторами получается затвор. Но эффект слабый, поэтому ток должен быть большим, а кристалл длинным.

Вот тут для меня новая мысль и хотелось бы поподробнее.
Правильно ли я понял, что два одинаковых по яркости пятна - одни созданный лазером, а другой к примеру обычным светодиодом - дадут при измерении на фотометре разные значения интенсивности?
(И лазер проиграет.)

Зависит от фотометра.

Тут есть два эффекта. Во-первых, РАЗМЕРЫ пятна. Лазер дает пятно яркое, но маленькое. Из-за яркости глазу и камере оно кажется больше, чем есть на самом деле. (Реальные размеры выясняются, если направить пятно на дырочку - оно пропадает даже в маленькой дырочке). У обычного источника света пятно слабее, но больше. Во-вторых, СПЕКТР. У лазера одна сильная линия спектра, а у обычного источника - много слабых.

У всех фотометров на разных длинах волны разная чувствительность. Поэтому понятие "интенсивность" становится очень условным. Есть интенсивность в единицах энергии (это объективно), есть - в единицах, производных от канделы (это привязано к зрению человека и потому субъективно).

Если фотометр хорошо видит мой луч в стационарном режиме и при этом он достаточно быстрый (у меня где-то под 100 МГц полоса фотометра), то и короткий импульс он увидит ровно с такой же амплитудой. Я проверял это уже давно на маленьких светодиодах (есть такие SMD Led). Короткие импульсы от эти светодиодов я достаточно хорошо регистрировал в 1 метре от них. Оптика там конечно применялась коллимирующая, но с лазером это будет еще удобнее.

Это верно только при не слишком коротких и не слишком интенсивных импульсах. Начиная с какой-то длительности инерция детектора начнет сильно смазывать результат. Чем меньше амплитуда изменений, тем более быстрые изменения может регистрировать датчик.

С наносекундными импульсами есть проблема даже у фотопластинок. На таких коротких выдержках чувствительность резко падает.

Для некритичных измерений мой любимый датчик - OPT101P. Удобен тем, что имеет какую-никакую заводскую калибровку, то есть можно использовать сразу для измерений в абсолютных мВт/см^2 и не калибровать, если не требуется высокая точность.

[diant]

Просто создание лазера с нуля - это не такая уж сложная задача (при наличии всех деталей).

Галл, вы так понемногу, между строчек, вселяете в меня мысль, что собрать лазер с встроенным затвором по силам даже мне, профану.
Я еще не осмелел до такой степени, но все же уже маячит такая дерзкая мысль - а что, могу собрать и лазер в видимом диапазоне, который бы мог работать и в статике и в импульсном режиме? И все это в одной конструкции? (Мощности 5 мВт мне за глаза хватит.)

Надо какой-нибудь достаточно длиный оптически активный стержень (вроде кварца) засунуть в соленоид.

Такового нет, поэтому пока этот вариант малореален. Тем более такие токи городить надо.

Про яркость лазерного луча и обычного света - понял.

С наносекундными импульсами есть проблема даже у фотопластинок. На таких коротких выдержках чувствительность резко падает.

Да, эту проблему хорошо знаю. Она к сожалению почти нерешаема. Читал, что золотая хим. сенсибилизация чуток исправляет эту ситуацию, и конечно глубинные проявители - еще немного исправляют. Но это и все, что тут наверное можно придумать.

Для некритичных измерений мой любимый датчик - OPT101P.

Да, но он очень медленный! (Посмотрел даташит - 14 кГц полоса).
Я, сделав себе по сути то же самое, что у него внутри (смещенный фотодиод + трансимпеданс), взял очень быстрый ОУ и в обратную связь поставил резистор всего 15К. А чтобы не сильно потерять в чувствительности, не пожалел денег и купил хороший импортный фотодиод с линзой, площадкой 1 мм2, приемлемой емкостью и крутизной фронта 5 нс. Кажется это был SFH203.

[Gall]

Галл, вы так понемногу, между строчек, вселяете в меня мысль, что собрать лазер с встроенным затвором по силам даже мне, профану.
Я еще не осмелел до такой степени, но все же уже маячит такая дерзкая мысль - а что, могу собрать и лазер в видимом диапазоне, который бы мог работать и в статике и в импульсном режиме? И все это в одной конструкции? (Мощности 5 мВт мне за глаза хватит.)

Требования к конструкции противоречивые, лазер для коротких импульсов и для непрерывного режима в одном сочетать вряд ли удастся. Любой один - относительно легко.

Это зависит именно от опыта работы с ОПТИКОЙ - юстировки интерферометров и т.д. Изготовление лазера по сути ничем не отличается от изготовления интерферометра Фабри-Перо. Это и есть Фабри-Перо, только с кристаллом между зеркал. Могут быть правда трудности с креплением кристалла, но они решаемые.

Надо какой-нибудь достаточно длиный оптически активный стержень (вроде кварца) засунуть в соленоид.

Такового нет, поэтому пока этот вариант малореален. Тем более такие токи городить надо.

Про яркость лазерного луча и обычного света - понял.

Да, эту проблему хорошо знаю. Она к сожалению почти нерешаема. Читал, что золотая хим. сенсибилизация чуток исправляет эту ситуацию, и конечно глубинные проявители - еще немного исправляют. Но это и все, что тут наверное можно придумать.

Голографисты используют латенсификацию. После экспозиции подсвечивать пластинку очень слабым равномерным светом засветки. При этом чувствительность к импульсу растет. И наоборот, после равномерного импульсного освещения растет чувствительность к длинным экспозициям при слабом свете.

В портретной голографии это важно. У покойного Воробьева был злой лазер 532 нм 1 Дж 10 нс, ярче фотовспышки. Для голограммы портретного размера этой энергии едва хватало, и приходилось делать латенсификацию. Без латенсификации нужно 4 Дж, а это уже превышает безопасный уровень. В портрете ведь прямо в глаза светят - хоть и рассеянный, но все равно лазер.

[diant]

Если статика и импульс - противоречивые требования к лазеру, значит моя ситуация усложняется.
Придется некоторое время подумать; беру тайм-аур.
Ведь как удобно юстировать интерферометр для статического лазера - слов нет как удобно.
А что с импульсным лазером буду делать - пока не вполне ясно.

О латенсификации - совсем забыл. Это уже склероз. Значит придется взять еще тайм-аут на лечение