Реферат: Лазер на красителях

Министерство образования РФ

Томский Политехнический Университет

Кафедра ЛИСТРеферат

«Лазер на красителях»

 

 

 

Выполнил:студент гр. 1В80

Федоренко А. П.

Проверил:    преподаватель

Куликов В. Д. 

Томск 2001г.
Содержание Введение………………………………………………………………………… 3 1. Лазеры на органических красителях……………………………………. 4 1.1. Активная среда………………………………………………………... 4 1.2. Накачка………………………………………………………………… 6 1.3. Непрерывная перестройка частоты излучения…………………... 8 1.4. Разделение изотопов………………………………………………….. 10 1.5. Расширение спектрального диапазона лазера……………………. 10 2. Одноструйный субпикосекундный лазер на красителе в режиме самонастройки…………………………………. 12 3. Узкополосный импульсный лазер  на красителях с

электродинамическими приводами поворота

дисперсионных элементов………………………………………………...

14 Заключение……………………………………………………………………... 17 Список Литературы…………………………………………………………… 18
Введение

Жидкостныелазеры используются в целом реже, чем газовые либо твердотельные лазеры, однакос точки зрения некоторых приложений они обладают рядом уникальных свойств.Параметры излучения твердотельного лазера в значительной степени зависят отоптических качеств используемого кристалла. Неоднородности кристаллическойструктуры могут серьезно ограничивать когерентность лазера. Кристаллы постоянноподвержены разрушениям; концентрация активирующих ионов задается в процессеизготовления лазера и является определенной величиной для данного кристалла. Сэтими конкретными трудностями не приходится иметь дело при работе с газовымилазерами, но зато эти лазеры имеют заметно меньшую концентрацию активноговещества из-за низкой концентрации атомов в газе. Преимущества жидкостныхлазеров заключаются в том, что они имеют значительно более высокую концентрациюактивных атомов, которую легко можно изменять; кроме того, активная средаявляется дешевой и относительно мало подверженной повреждениям. В то же времяжидкостные лазеры не столь громоздки, как газовые системы, и проще вэксплуатации.

Израсчетных типов жидкостных лазеров наибольшее значение имеют лазеры наорганических красителях. Эффект генерации раствора красителя впервые обнаружилив 1965 г. П. Сорокин с сотр. в лаборатории фирмы IBM в ходе исследования рядакрасителей, используемых в пассивных затворах для рубиновых лазеров. Наиболеесущественным преимуществом лазера на красителях над всеми рассмотренными здесьлазерами является возможность плавно перестраивать частоту излучения в пределахзначительного спектрального диапазона. Типичный газовый или твердотельный лазерможно перестраивать только внутри очень узкого диапазона (практически лишь впределах ширины кривой усиления). Хотя имеющиеся газовые и твердотельные лазерыизлучают большое число дискретных длин волн в диапазоне, простирающемся отближней ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, все жеостаются значительные участки оптического диапазона, в которых отсутствуютлинии генерации этих лазеров.

Перестраиваемый источник узкополосного излученияоптического. диапазона при высокой когерентности этого излучения желательноиметь во многих приложениях, таких, как спектроскопия, изучение молекулярнойдиссоциации и химических реакций, а также разделение изотопов.

           


1. Лазеры на органических красителях

 

1.1. Активная среда

 

Активная среда лазера на красителе состоит из раствораорганического красителя. Когда краситель возбуждается внешним источником коротковолнового излучения, он излучает на более длинных волнах илифлуоресцирует, поглощая фотон на длине волны возбуждения, а затем излучая фотонна длине волны флуоресценции. Разность энергии фотонов идет на безызлучательныепереходы и в конечном счете переходит в тепло.

/>

Рис. 1.1.Спектр поглощения (1) и флуоресценции (2) типичноголазерного красителя

Нарис. 1.1 приведены спектры поглощения и флуоресценции типичноголазерного красителя. Кривая флуоресценции, захватывающая желтую и большую частькрасной области спектра, сдвинута в более длинноволновую область по отношению ккривой поглощения, занимающей голубой и зеленый участки спектра. Эта ситуацияаналогична рассмотренной здесь при описании лазера на рубине: излучение лампынакачки лежит преимущественно в зеленой и голубой областях спектра, а кристаллрубина флуоресцирует в красной области. Существенное различие заключается втом, что краситель флуоресцирует в исключительно широком диапазоне частотвидимой области спектра в противоположность очень узкой полосе флуоресценциитипичного твердотельного лазера.

/>

Рис. 1.2.Диаграмма уровней для лазера на красителях.

Синглет-триплетныепереходы S1ÞT1(интекомбинационные перходы 2) приводят к сильномупоглощению лазерного излучения и срыву генерации за счет перехода T1ÞT2, ограничивающихвыходную мощность (перходы 1).

Широкийспектр флуоресценции красителя можно объяснить с помощью приведенной на рис.1.2 схемы энергетических уровней типичной молекулы красителя. Молекулакрасителя имеет две группы состояний: синглетные (S0, S1и S2) и триплетные (T1 и Т2).(Синглетные состояния возникают, когда полный спин возбужденных электронов вмолекуле равен нулю, а триплетные — когда спин равен единице.) Как мы ужеотмечали при рассмотрении правил отбора и радиационных времен жизни,синглет-триплетные и триплетсинглетные переходы маловероятны по сравнению ссинглет-синглетными и триплет-триплетными переходами. Накачка лазера накрасителях происходит при поглощении фотонов, которые переводят молекулы изосновного состояния S0в первое возбужденное состояние S1.Затем происходит быстрый безызлучательный переход в наинизшие из уровнейсостояния S0. Стимулированное излучение возникает при переходе междууровнем, расположенным вблизи дна состояния S1, и некоторымпромежуточным уровнем состояния. Так как состояния S0и S1содержат множество отдельных колебательно-вращательных подуровней, показанныхна рисунке отдельными линиями, то возникающая линия излучения весьма широка.Триплетные состояния T1 и T2 не участвуют непосредственнов генерации излучения, тем не менее наличие их весьма существенно. Имеетсянекоторая малая вероятность того, что будет иметь место запрещенный переход S1ÞT1 (называемый интеркомбинационнымпереходом). Так как переход Т1ÞS0(фосфоресценция) также является запрещенным, молекулы имеют тенденциюнакапливаться в состоянии T1. Но переход T1ÞT2являетсяразрешенным, и, к сожалению, диапазон частот для этого перехода почти вточности равен диапазону рабочих частот лазера. Как только в результатепереходов значительное число молекул накапливается в состоянии T1поглощение на переходе T1ÞT2 быстроуменьшает коэффициент усиления и может сорвать генерацию. По этой причиненекоторые лазеры на красителях работают в импульсном режиме при длительностиимпульса меньшей, чем та, которая требуется для достижения заметных значенийнаселенности состояния T1. Длянекоторых красителей может также иметь место поглощение, связанное с переходамив более высокие синглетные состояния (S1ÞS2), поэтому следует выбирать такие красители, у которыхчастоты этих переходов не лежат в интересующей исследователя спектральнойобласти.

/>

Рис. 1.3.Выходная мощность некоторых распространенных лазерныхкрасителей:

1 —карбостирил 165 (1,5 Вт, УФ); 2—кумарин 120 (1,5Вт, УФ); 3— кумарин 2 (1,8 Вт. УФ); 4— 7-диэтиламино-4-метилкумарин (1,35 Вт, УФ); 5 — кумарин 102 (1,5Вт, УФ); 6 —кумарин 7 (1,2 Вт, 4765/>); 7—кумарин 6(2,3 Вт, 488O/>); 8 — Na-флуоресцеии (4 Втсуммарного излучения); 9— родамин 110 (4 Вт суммарного излучения); 10— родамин6G (4 Вт суммарного излучения); 11— родамин 6G (2 Вт суммарного излучения); 12—родамин В (4 Вт суммарного излучения); 13—перхлорат крезила фиолетового (5 Втсуммарного излучения; 14—перхлорат нильского голубого (0,75 Вт, 6471/>). В скобках у наименованиякрасителя указаны типичная мощность накачки излучением Аг+-лазера, необходимаядля получения приведенных кривых перестройки и область спектра излучения.

Использованиеразличных красителей в качестве активных сред позволило осуществлять плавнуюперестройку рабочей частоты в широком диапазоне, охватывающем почти всю видимуюобласть спектра (рис. 3). Из рисунка видно, что применение родамина 6Gхарактерно для многих систем; это связано с его высоким КПД преобразования (»20%) и широким спектральным диапазоном перестройки. Максимальнаявыходная мощность лазера на красителях зависит от используемого растворителя икачества юстировки оптического резонатора. Некоторые добавки, такие, какциклооктатетрен, могут слегка сдвигать полосу флуоресценции красителя иувеличивать мощность излучения.

 

1.2. Накачка

 

Все лазеры на красителях накачиваются оптическимметодом. При накачке важно, чтобы источник накачки излучал на частотах, близкихк положению максимума полосы поглощения. По самой природе красителя лазерноеизлучение является более длинноволновым, чем возбуждающее излучение. Например,накачка родамина 6G, флуоресцирующего вблизи 590 нм (в оранжевой областиспектра), осуществляется излучением в области длин волн 490—515 нм. Для накачкикрасителя, флуоресцирующего в синей области спектра, нужен источникультрафиолетового излучения.

            Типисточника накачки определяет не только спектральный диапазон генерации, но иприменяемую геометрию накачки. Первым и самым простым методом накачкикрасителей является метод, аналогичный оптической накачке твердотельныхлазеров. Прокачка красителя осуществляется по трубке, помещенной вэллиптический отражатель. Оптическая накачка проводится с помощью стержневыхламп. Эти лампы обеспечивают импульсные значения мощности накачки несколькокиловатт и средние мощности излучения в видимом диапазоне порядка 50 мВт.

            Вкачестве источника для накачки красителей можно также использовать лазер наазоте. Оптическая накачка производится в поперечном по отношению к осигенерации направлении. Веерообразный пучок излучения лазера, используемого длянакачки, фокусируется в область, ось которой параллельна одной из стеноксодержащей краситель кюветы. Выходные окна кюветы можно сделать плоскими ипросверлить, нанеся соответствующее покрытие или повернув на угол Брюстера коси. Зеркала располагают вне ячейки с красителем для того, чтобы при изменениидиапазона перестраиваемых частот было достаточно сменить кювету с красителем иперестроить частотно-селективный элемент, расположенный в лазерном резонаторе.Так как излучение лазера на азоте является коротковолновым и его мощность вимпульсе высока, генерацию лазера на красителях можно получить в широкомспектральном диапазоне (350—680 нм). При таких коротких длинах волн источниканакачки иногда используется процесс накачки, протекающий в две стадии:излучение N2-лазера (337 нм) сначала поглощается специально добавленнымкрасителем, который эффективно поглощает на этой длине волны, а затем болеедлинноволновое флуоресцентное излучение, в свою очередь, поглощаетсякрасителем, который используется для генерации лазерного излучения. Энергия вимпульсе излучения типичного лазера на азоте равна примерно 1 мДж (т. е.мощность равна 100 кВт при длительности импульса 10 нс). Энергия на выходелазера на красителях при такой накачке составляет от 2 до 200 мкДж (типичноезначение 50 мкДж).

           Другимшироко используемым источником накачки для лазера на красителях является мощноеизлучение линий (сине-зеленая и ультрафиолетовая области спектра) ионногоаргонового лазера. Для многих красителей, у которых генерация происходит надлинах волн, превышающих 560 нм (от желтой до красной области спектра), полосыпоглощения красителя совпадают с длинами волн излучения аргонового лазера ввидимой области. Такие красители, как родамин 6G, могут поглощать почтиполностью излучение накачки в видимой области и преобразовывать более 20% поглощеннойэнергии в когерентное излучение с длиной волны в районе максимума полосыфлуоресценции. Накачку других красителей, таких, как кумарин 6, диапазонперестройки которого лежит от 520 до 560 нм, осуществляют одной из линийионного аргонового лазера (l=488 нм). Красители, генерацияизлучения которыми осуществляется в синей области спектра, следует возбуждать спомощью аргонового лазера, у которого токовый режим работы и^ зеркала подобранытак, чтобы получить высокую мощность ультрафиолетового излучения. Прииспользовании мощной накачки ультрафиолетовым излучением в настоящее времяможно получать перестраиваемое по длинам волн излучение в синей области спектрана уровне мощности несколько сот милливатт, т. е. на таком уровне мощности,который до создания лазеров на красителях был доступен только на отдельныхдлинах волн.

Таккак большинство лазеров на красителях обладают исключительно высокимкоэффициентом усиления малого сигнала, требуется лишь небольшой объем активнойсреды. Однако поглощение интенсивного излучения и последующий нагрев малогообъема красителя, а также быстрое заселение триплетного состояния приводят кнеобходимости непрерывной и быстрой замены вещества в рабочем объеме. Еслиэтого не делать, происходит термическое разложение красителя, что увеличивает,в свою очередь, потери излучения в системе. Для предотвращения разложениякрасителя можно между двумя окнами, через которые осуществляется накачка ивыходит когерентное излучение, помещать поток раствора красителя. Однакоэкспериментально было найдено, что молекулы красителя разлагаются и загрязняютокна («пригорают» к ним). Чтобы избежать этого, в лазерах на красителяхиспользуют струю раствора красителя, которая из специально сконструированногосопла выпускается в воздух, где образует ровный ламинарный слой, через которыйи проходит излучение лазера накачки.

Нарис. 1.4 показаны сопло и коллектор, который собирает раствор длявозвращения его в систему циркуляции. Чтобы возник ламинарный режим истеченияиз сопла, в качестве растворителя часто используют этиленгликоль, т.е. веществос очень высокой вязкостью (этиленгликоль известен также как основной компонентбольшинства антифризов).

/>

Рис. 1.4. Фотография сопла лазера с ламинарным потоком красителя и коллектора.

1 – лазерное излучение накачки; 2 – область потокакрасителя; 3 – патрубок для сбора раствора красителя; 4 – сопло; 5 – шланг дляподачи раствора красителя.

 

      Полная геометриясистемы схематически показана на рис. 1.5. Пучок излучения лазеранакачки фокусируется в объем струи красителя, где практически полностьюпоглощается. Свет накачки, прошедший сквозь струю, поглощается специальнойловушкой. Стимулированное излучение ограничено лишь малым объемом накачки;оптическая ось резонатора составляет небольшой угол с направлением накачки.Резонатор имеет два участка; первый из них состоит из «глухого» зеркала со100%-ным отражением и дополнительного зеркала. Ось этого участка ориентированапод углом к накачивающему пучку. Второй участок, составленный дополнительнымзеркалом и выходным зеркалом (с пропусканием 2—5%), имеет ось, параллельнуюнаправлению накачки. Помимо удобств в работе, которые предоставляетпараллельность выходного излучения лазера направлению накачки, такойтрехзеркальный резонатор имеет большую длину. Это приводит к уменьшению частотногоинтервала между продольными модами, увеличению числа мод в пределах шириныкривой усиления и повышению выходной мощности излучения по сравнению с болеекоротким двухзеркальным резонатором.

/>

Рис. 1.5. Схематическое изображение лазера на красителях сламинарным потоком.

Резонатор образован отражателем 3 (с радиусом кривизныr=5 см и коэффициентом отражения R=100%) и плоским выходным зеркалом 7(R=95-98%). Вспомогательное зеркало 5 (r — 7,5 см, R=100%) служит дляуменьшения габаритов резонатора и обеспечивает параллельность лазерногоизлучения 8 на выходе и излучения накачки 1, направляемого в объем поворотнымзеркалом 2. Поток красителя 4 направлен перпендикулярно к плоскости рисунка ирасположен под углом Брюстера к излучению накачки. Длины волн перестраиваютсяселектирующим элементом 6.

1.3. Непрерывная перестройка частотыизлучения

Перестройкачастоты лазерного излучения осуществляется с помощью частотно-селективныхэлементов типа призменного устройства. В некоторых случаях для увеличениядисперсии используют систему из нескольких призм, работающих вблизи углаБрюстера.     Иногда коэффициент усиления красителя бывает настолько высок, чтороль диспергирующего элемента (и одновременно «глухого» зеркала) можетвыполнять дифракционная решетка. Если нормаль к поверхности решетки составляетугол /> с оптической осьюрезонатора, то в обратном направлении распространяется излучение в узкомспектральном диапазоне вблизи длины волны, удовлетворяющей условию

/>,                  (1.1)

где m— целое число (работа обычно ведется в первом порядке, т. е. т=1); d период решетки. Излучение с другими длинами волн не возвращается в резонатор ииспытывает большие потери. Рабочую длину волны можно изменить простым поворотомрешетки.

      Имеется ряд другихчастотно-селективных элементов, которые можно помещать в резонатор лазера накрасителях. Одним из таких элементов является используемый в промышленныхприборах так называемый клиновой фильтр. Этот фильтр состоит из слоя диэлектрическогоматериала в форме клина, на который с двух сторон нанесены слои, образующиезеркала с высоким коэффициентом отражения. Таким образом, фильтр представляетсобой эталон Фабри-Перо с переменным по высоте расстоянием между зеркалами.Передвижение клина в направлении, перпендикулярном к оптической оси резонатора,вызывает изменение длины волны, соответствующей максимуму пропускания фильтра.Уменьшенные потери на этой длине волны позволяют осуществить генерациюизлучения. Однако ширина линии лазерного излучения при таком методе селекцииможет оказаться слишком большой для ряда приложений. Поэтому для дальнейшегосужения линий генерации в резонатор помещают один (или более)плоскопараллельный эталон Фабри-Перо, подобный применяемому для полученияодномодового режима некоторых лазеров.

      Другим устройством,которое можно использовать для плавной перестройки частоты лазеров накрасителях, является двоякопреломляющий фильтр, состоящий из несколькихкристаллических кварцевых пластин различной толщины. Пластины эти помещают влазерный резонатор под углом Брюстера к оси, так что вертикально-поляризованныйсвет не испытывает потерь на отражение на поверхностях пластин. Как отмечалосьранее, такие условия способствуют усилению в резонаторе света с высокойстепенью поляризации. Чтобы понять принцип перестройки с помощью таких пластин,рассмотрим воздействие одной из них на свет в резонаторе. Главные направлениякристалла ориентированы так, что пластина является пластинкой в целую волну длявертикально-поляризованного света, если его длина волны в вакууме l0удовлетворяет условию и (n0 — nе) = тl (где т — целое число, а d расстояние, проходимоесветом в пластине). Для других длин волн вертикально-поляризованный свет послепрохождения через пластину станет эллиптически-поляризованным. После отраженияот зеркала резонатора этот эллиптически-поляризованный свет испытывает потерипри следующем прохождении поверхности кварцевой пластины. Эти потерипредотвращают возникновение генерации на длинах волн, заметно отличающихся оттех, для которых кварцевый элемент есть пластинка в целую волну.

      Хотя одна тонкаяпластина может выделить полосу из области генерации спектральной ширинойприблизительно 0,3 нм, это значение велико для большинства приложений. Однакоесли вторая пластина с удвоенной (по сравнению с первой) толщиной такжепомещена в резонатор, то ширина линии уменьшается до 0,1 нм. В некоторыхприложениях используют третью пластину (вдвое более толстую, чем вторая), чтобысделать ширину линии меньше 0,03 нм.

      Перестройка длины волнывыполняется вращением пластин, закрепленных на общем основании, вокруг нормалик поверхности пластин, как это показано на рис. 1.6. Так как пластинынаклонены к оптической оси резонатора, вращение приводит к эффективномуизменению разности показателей преломления и, следовательно, к изменениювыделенной длины волны.

/>

Рис. 1.6.Схематическое изображение двулучепреломляющего фильтра:

N–направление нормали к плоскости пластин; F, S– быстрое и медленное главные направления вращения кристалла соответственно.

 

Требованиятехники безопасности при работе с лазером на красителях в основном те же, что ипри работе с любым мощным лазером, излучающим в видимой области спектра. Еслилазер на красителях покрыт пылью, то могут существовать пучки, распространяющиесяпо довольно неожиданным направлениям. Во время юстировки или осмотра лазераследует принять во внимание все возможные направления излучения и позаботитьсяо том, чтобы заэкранировать их. При работе с лазером на красителях необходимызащитные очки, которые поглощали бы как излучение всех линий азотного лазеранакачки, так и излучение лазера на красителе во всем диапазоне перестройки егодлины волны. В некоторых случаях таким требованиям могли бы удовлетворить лишьполностью непрозрачные очки.

1.4. Разделение изотопов

Однойиз наиболее интересных и важных областей применения лазеров на красителях можетоказаться разделение изотопов, особенно изотопов урана. Основными изотопамиприродного урана являются 235U и 238U, причем 235Uсодержится менее 1%. Для использования в качестве топлива в атомных реакторахтребуется смесь с содержанием по крайней мере 3% 235U. В настоящеевремя используется газодиффузионный метод разделения изотопов урана — оченьдорогой и медленный процесс. Предложенный метод разделения изотопов урана припомощи лазеров на красителях основан на том, что эти лазеры можно очень точнонастроить на определенную длину волны. Причем точность их такова, что излучениеможет селективно возбуждать атомы 235U, не возбуждая при этом атомов238U. Затем возбужденные атомы 235U ионизуют, что можносделать с помощью другого (коротковолнового) источника света. Ионы 235Uможно отделить затем от нейтральных атомов 238U в электростатическомполе. Хотя технология разделения изотопов урана в промышленных масштабах еще неразработана, эксперименты, проведенные для демонстрации принципиальнойвозможности разделения, оказались успешными. Для разделения больших количествизотопов была предложена лазерная система, рассчитанная на работу со среднеймощностью 10 Вт при длине волны 500 нм. Частота следования импульсов должнабыть порядка 400 Гц при длительности импульса около 1 мкс. Вместо лазеров,работающих в видимой области спектра, некоторые схемы разделения изотоповтребуют использования перестраиваемых «инфракрасных» лазеров для осуществлениявзаимодействия излучения с молекулярными колебаниями в гексафториде урана UF6.Проводятся исследования по созданию широкополосных перестраиваемых источниковкогерентного излучения в области длин волн от 2 до 20 мкм.

1.5. Расширение спектрального диапазоналазера

Одной из главных задач специалистов, разрабатывающихлазерные устройства, является создание источников когерентного излучения, длинуволны которых можно перестраивать во всем спектральном диапазоне от дальнейинфракрасной области до ультрафиолета (и еще более коротковолнового излучения).Создание лазера на красителях оказалось исключительно важным событием с этойточки зрения, так как их излучение можно перестраивать в диапазоне длин волн,выходящем за пределы видимой области спектра. Однако имеются существенные«разрывы» в спектре лазерного излучения, т. е. области, в которых известныелазерные переходы редки, а перестройка их частоты возможна лишь в узкихспектральных диапазонах. Широкие полосы флуоресценции, на существовании которыхоснована работа перестраиваемого лазера на красителях, не обнаружены в дальнейинфракрасной области спектра, а используемые в лазерах красители быстроразрушаются интенсивным излучением накачки при возбуждении красителя, когданадо получить генерацию в ультрафиолетовой области спектра.

Нелинейнаяоптика. В поисках способов заполнитьэти пробелы многие специалисты по лазерам использовали нелинейные эффекты внекоторых оптических материалах. В 1961 г. исследователи из Мичиганскогоуниверситета сфокусировали свет рубинового лазера (длина волны 694,3 нм) вкристалл кварца и зарегистрировали в прошедшем кристалл излучении не только самсвет рубинового лазера, но и излучение с удвоенной частотой, т. е. на длиневолны 347,2 нм. Хотя это излучение было много слабее, чем на длине волны 694,3нм, тем не менее это коротковолновое излучение имело характерную для лазерногосвета монохроматичность и пространственную когерентность. Процесс генерациитакого коротковолнового излучения известен как удвоение частоты, или генерациявторой гармоники. (ГВГ), и пред­ставляет собой один пример из множестванелинейных оптических эффектов, которые использовались для расширенияперестраиваемого, спектрального диапазона лазерногоизлучения.                   

ГВГчасто применяют для преобразования инфракрасного излучения (l=1,06 мкм и другие линии) неодимового лазера в излучение, попадающее вжелто-зеленую область спектра (например, l=530 нм), в которойможно получить лишь небольшое число интенсивных лазерных линий. Генерациюгармоник можно также использовать для того, чтобы получить излучение с частотойв три раза большей, чем у исходного лазерного излучения. Нелинейныехарактеристики рубидия и других щелочных металлов применяют, например, дляутроения частоты неодимового лазера до значения, соответствующего длине волны353 нм, т. е. попадающего в ультрафиолетовую область спектра. Теоретическивозможны процессы генерации гармоник, более высоких, чем третья, ноэффективность такого преобразования крайне низка, поэтому с практической точкизрения они не представляют интереса. Возможность генерации когерентногоизлучения на новых частотах не ограничивается процессом генерации гармоник.Одним из таких процессов является процесс параметрического усиления, которыйзаключается в следующем. Пусть на нелинейную среду воздействуют три волны:мощная световая волна с частотой n1 (волна накачки) и две слабые световые волны с болеенизкими частотами n2 и n3. Привыполнении условия n1 = n2+n3 и условияволнового синхронизма имеет место перекачка энергии мощной волны с частотой n1 в энергию волнс частотами n2 и n3. Еслинелинейный кристалл поместить в оптический резонатор, то получим прибор, оченьнапоминающий лазер и носящий название параметрического генератора. Такойпроцесс был бы полезен даже в том случае, если бы возможности его использованиябыли ограничены получением разностей частот двух существующих. лазерныхисточников. Фактически же параметрический генератор является устройством,способным генерировать когерентное оптическое излучение, частоту которого можноперестраивать почти во всем видимом диапазоне. Причина эта заключается в том,что нет необходимости использовать дополнительные источники когерентногоизлучения на частотах n2 и n3. Колебания этимогут сами возникать в кристалле из шумовых фотонов (тепловых шумов), которыевсегда в нем присутствуют. Эти шумовые фотоны имеют широкий спектр частот,расположенный преимущественно в инфракрасной области спектра. При определеннойтемпературе кристалла и ориентации его по отношению к направлению волны накачкии к оси резонатора упомянутое выше условие волнового синхронизма выполняетсядля определенной пары частот n2 и n3. Для перестройки частоты излучения надо изменитьтемпературу кристалла или его ориентацию. Рабочей частотой может быть любая издвух частот n2 и n3 в зависимости от того, какой диапазон частот излученияприбора нужен. Быструю перестройку частоты в ограниченном спектральномдиапазоне можно получить с помощью электрооптического изменения показателейпреломления кристалла. Как и в случае лазера, имеется пороговый уровеньмощности накачки, который для получения стационарных колебаний следуетпревысить. В большинстве параметрических генераторов в качестве источниканакачки используют лазеры видимого диапазона, такие, как аргоновый лазер, иливторую гармонику неодимового лазера. На выходе прибора получают перестраиваемоеизлучение инфракрасного диапазона.


2. Одноструйный субпикосекундный лазерна красителе в режиме самонастройки

 

Спектроскопические исследования быстрых процессов в сложныхорганических и биологических молекулах, а также сверхбыстрых процессов вполупроводниках базируются на лазерных источниках, способных генерироватьсубпикосекундные световые импульсы. Наиболее короткие импульсы получены вкольцевых непрерывных лазерах на красителе (НЛК) со сталкивающимися импульсамив струе насыщающегося поглотителя (НП) при чисто непрерывной накачке скомпенсацией чирпа. Однако НЛК такого типа имеют очень низкий КПД,многоэлементную схему резонатора, две струи с независимыми системами прокачки;они исключительно сложны в настройке и эксплуатации. Одноструйные НЛК слинейным резонатором, на наш взгляд, более перспективны для широкогопрактического применения, поскольку они значительно проще в изготовлении иэксплуатации, обладают хорошими энергетическими (по КПД) и спектральными (пообласти перестройки) характеристиками и, что самое главное, в режимекомбинированной синхронизации мод позволяют получать световые импульсыдлительностью менее 1 пс. В нашей работе исследуются возможности генерации УКИсвета предельно малой длительности в таких простейших НЛК.

Обычно длительность УКИ, генерируемых НЛК,ограничивается спектральной полосой лазера, задаваемой внутрирезонаторнымиселектирующими элементами. Для расширения спектральной полосы лазера (контураусиления) с целью генерации более коротких световых импульсов селектирующийэлемент выводится из резонатора. Стабильный режим генерации УКИ достигаетсяпутем подбора и оптимизации спектральных характеристик генерирующих красителейи насыщающихся поглотителей.

Таким способом получены УКИ длительностью ~150 фс прииспользовании комбинированной смеси красителей родамин 6Ж (Р6Ж), родамин4С-перхлорат (Р4С-П) и ДОДКИ. В настоящей работе оптимизация спектральныххарактеристик красителей исследована с учетом применения «мягкого» и «жесткого»НП (параметры насыщения которых отличаются почти на порядок), а также ихсмесей. Корректировка контура чистого усиления осуществлялась выходнымизеркалами НЛК с заранее подобранными спектральными кривыми пропускания.

НЛКимел традиционный V-образный трехзеркальный резонатор с компенсациейастигматизма (скорость струи 10 м/с, толщина 0,1 мм, радиусы кривизны зеркал:коллимирующего 8 см, конечного и зеркала накачки 5 см, выходное зеркало —плоское, длина резонатора 1,5 м). Согласование длины резонатора с частотойследования импульсов накачки грубо производилось перемещателем типа «поршень вцилиндре»,  точно-мембранным пьезокорректором КП-1.

Лазеромнакачки служил аргоновый лазер с синхронизованными модами мощностью 0,5 Вт навсех сине-зеленых линиях. Акустооптический модулятор, синхронизирующий модылазера накачки, питался от синтезатора частот со стабильностью частоты не хуже10-8. Длительность импульсов накачки, оцененная по сигналу сфотодиода ЛФД-2, не превышала 300 пс. Длительность импульсов НЛК оценивалась поширине автокорреляционной функции (АКФ), получаемой традиционным способом снеколлинеарным удвоением в кристалле КОР (бесфоновая АКФ). Запись спектральныхогибающих производилась с помощью монохроматора МДР-2.

Генерирующимкрасителем для «мягкого» НП ДОДКИ был выбран Р6Ж. Оптимальная концентрациясоставляла 4•10-3 моль/л. В режиме самонастройки (т. е. безселектора) при концентрации НП 2*10-5 моль/л происходилаодновременная генерация на двух длинах волн: l1=614 нм и l2=570 нм. При этом на l1 генерировались импульсы длительностью Dt»0,5 пс, а на l2синхронизация отсутствовала. При увеличении концентрации НП генерация на l1подавлялась. Стабильный режим генерации УКИ на l1 достигался применением специального выходного зеркалас резким увеличением пропускания для длин волн менее 600 нм и пропусканиемоколо 3 % на 614 нм. С таким выходным зеркалом лазер генерировал на l1=614 нм,т. е. в области, где ДОДКИ хорошо насыщается. Дальнейшее увеличениеконцентрации НП укорачивало импульс, но уменьшало среднюю мощность НЛК.Импульсы длительностью 120 фс были получены при концентрации ДОДКИ 6*10-5моль/л. При этом выходная мощность НЛК составила 10 мВт. Зона допустимогорассогласования длины резонатора НЛК и частоты следования импульсов накачкисоставляла 20 мкм. На рисунке, а приведены АКФ такого режима генерации испектральная огибающая импульсов (ширина огибающей на полувысоте Dl=3,6 нм).Соотношение DtDn=0,35 свидетельствует о спектральной ограниченностиимпульсов. Однако отношение полуширины АКФ на 1/4 и 1/2 высоты, равное 2,5,говорит о существенном отклонении формы импульса от гауссовой или лорентцевой.

/>

Рис. 2.1.Автокорреляционная функция и спектральная огибающаяимпульсов для смесей Р6Ж/ДОДКИ (а), Р4С-П/МЗ (б) и Р6Ж, Р4С-П/КФ, 5103-у (в)

 

Режим самонастройки с«жестким» НП исследовался с парой Р4С-П — малахитовый зеленый (МЗ). В отличиеот ДОДКИ МЗ легко доступен и исключительно стоек, как и другиетрифенилметановые красители. Существует также возможность использования МЗ вкачестве НП для Р6Ж. Кривая усиления Р4С-П смещена относительно Р6Ж в краснуюобласть и лучше согласуется с кривой поглощения МЗ. В наших экспериментах сэтой парой толщина струи составляла 0,2 мм, мощность накачки 4 Вт.

Врежиме самонастройки по мере увеличения концентрации МЗ происходило«скатывание» длины волны генерации в красную область спектра, т. е. в сторонуот максимума поглощения МЗ. Замена широкополосного выходного зеркала наспециальное, имеющее резко увеличенное пропускание для длин волн более 660 нм ипропускание ~10 % на 660 нм, устраняло «скатывание» спектра в красную область ипозволило увеличить концентрацию МЗ до 1,3*10-4 моль/л. При этомлазер генерировал импульсы длительностью 130 фс со средней мощностью 20 мВт на l=660 нм. Критичность согласования длины резонатора НЛК и частотыследования импульсов накачки составляла ±3 мкм. АКФ и спектральная огибающаяэтого режима приведены на рис. 2.1.б. Соотношение DnDt=0,4, как в случае с ДОДКИ, свидетельствует оспектральной ограниченности импульсов. Отношение ширины АКФ на 1/4 и 1/2высоты, равное 1,8, говорит о близости формы импульсов к классическим кривымтипа гауссовой и лорентцевской.

Следуетобратить внимание на то, что в обоих случаях спектр генерации несимметричен изатянут в сторону, где пропускание выходного зеркала увеличивалось (для ДОДКИ вкоротковолновую, для МЗ в длинноволновую). Длительности импульсов, полученныекак в первом, так и во втором случаях, приблизительно одинаковы.

Наиболее короткие импульсы(~80 фс) были достигнуты нами при использовании смеси «жесткого»трифенилметанового НП (кристаллический фиолетовый (КФ) и «мягкого»полиметинового (5103-у, рис. 2.1.в). Выходное зеркало с пропусканием 5 %в данном случае не ограничивало спектр генерации, он задавался суммарнымконтуром усиления и поглощения смеси из двух генерирующих красителей: Р6Ж (2*10-3моль/л) и Р4С-П (0,2*10-3 моль/л), и двух поглощающих красителей: КФ(3*10-4 моль/л) и 5103-у (4•10—4 моль/л). При этомсредняя мощность накачки составляла 1,3 Вт, а длительность импульсов накачкибыла вдвое больше, чем в двух предыдущих случаях. Выходная мощность НЛКсоставляла 25 мВт на длине волны самонастройки 600 нм. Стабильность быланедостаточно высокой, что обусловливалось, по-видимому, недостаточной глубиной,модуляции (малым отношением поперечных сечений поглотителя и усилителя ).

ШиринаАКФ по полувысоте «плавала» от 140 до 180 фс. Соотношение DnDt =2 указывает на возможное наличие чирпа. Болеевысокое S достигается в двухструйной схеме НЛК. Именно в такой схеме возможнополучить стабильный режим генерации УКИ длительностью 69 фс. Получаютсяимпульсы длительностью 70 фс в одноструйном лазере с пленочным селектором снакачкой импульсами 2-й гармоники YAG:Nd-лазера. Однако импульсы накачки внашем случае почти на порядок длиннее и накачка многолинейна. Следует отметить,что приведенное исследование демонстрирует возможность перестройки длины волныгенерации лазера в режиме самонастройки путем изменения концентрациинасыщающихся поглотителей.

                   3. Узкополосный импульсный лазер  на красителях с

электродинамическими приводамиповорота дисперсионных элементов

Исследование изотопических сдвигов оптических линий атомов скороткоживущими ядрами на лазерно-ядерном комплексе, созданном сотрудникамиЛенинградского института ядерной физики и Института спектроскопии АН СССР,потребовало разработки узкополосного (dn~1 пм) импульсного лазера на красителях, которыйобеспечивал бы с высокой степенью воспроизводимости сравнительно быструю иплавную перестройку длину волны излучения и легко сопрягался с ЭВМ. Методыполучения узкополосного плавно перестраиваемого излучения достаточно хорошоразработаны — обычно это механическая перестройка (поворот) дифракционнойрешетки лазера, производимая синхронно и одновременно с перестройкой вставляемыхвнутрь резонатора эталона Фабри — Перо или фильтра Лио, либо перестройкаоптической длины такого резонатора за счет изменения давления газа. Последнийспособ обеспечивает синхронность перестройки всех дисперсионных элементоврезонатора лазера в сравнительно большом диапазоне длин волн (нескольконанометров) и высокую (0,2 %) линейность сканирования, но неприемлем из-занизкой скорости сканирования.

Приперестройке внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо изменением его зазора связьприводов решетки эталона вследствие линейности характеристик преобразованияобоих дисперсионных элементов достигается установкой одного коэффициентапропорциональности, обеспечивающего одинаковые приращения по длине волны взависимости от управляющего сигнала. Однако создание привода с линейной истабильной характеристикой преобразования для такого эталона является весьмасложной задачей. В большинстве случаев для этой цели используютсяпьезокерамические материалы, которым присущи такие свойства, как гистерезис идостаточно большая температурная нестабильность. Эти недостатки можнокомпенсировать только с помощью сложных технических решений, где эффектдостигается введением отрицательной обратной связи по перемещению, а измерениеперемещения осуществляется датчиком емкостного типа.

Перечисленные трудности привели нас к выбору другогоспособа перестройки эталона (с помощью его поворота), который мог бытьреализован с использованием хорошо зарекомендовавшего себя электродинамическогопривода (ЭДП), управляющего поворотом дифракционной решетки лазера.Единственный недостаток такого способа — нелинейность зависимости перестройкидлины волны от угла поворота — был устранен введением небольшогодополнительного функционального блока, осуществляющего нелинейную связь доуправляющим напряжениям приводов решетки и эталона (рис. 3.1).

Зависимости длины волны l от углов поворота j и q дифракционной решетки 1 и эталона Фабри — Перо 2 соответственно даютсяизвестными формулами: /> и />, где d — постояннаярешетки, t — зазор эталона и />.Исключив длину волны из этих зависимостей, находим связь углов /> и />: />, или />. Эта нелинейная зависимостьможет быть аппроксимирована полиномом второй степени

/>                (3.1)

где Up и Uэ — напряжения управления ЭДП решетки (ЭДПР)и эталона (ЭДПЭ) соответственно; /> —коэффициенты, устанавливаемые при настройке ЭДП. Для согласования размеровпучка на дифракционной решетке и эталоне служил призменный телескоп. 6.

Дляобеспечения плавной линейной перестройки длины волны лазера на входрегулирующего устройства (РУ) 3 ЭДПР подается вырабатываемое программным генератором(ПГ) 4 линейное пилообразное напряжение, при этом в функциональном блоке (ФБ)5, через который то же напряжение поступает на РУ 6 ЭДПЭ, формируется обратнаяпо отношению к (3.1) зависимость

/>

/>

Рис. 3.1.Схема управления синхронным поворотом

дифракционной решетки и внутрирезонаторного эталона

Забазовую модель был взят широко используемый в установках по лазернойступенчатой резонансной фотоионизации атомов серийный импульсный лазер накрасителях ЛЖИ-504 с накачкой импульсно-периодическим лазером на парах меди«Криостат-1», в котором перестраиваемый вручную синусный механизм поворотадифракционной решетки был заменен ЭДП. Аналогичный привод управлял поворотомвнутрирезонаторного плоского эталона Фабри-Перо, для чего сердечникидифференциального индуктивного датчика положения и линейного микродвигателямагнитоэлектрического типа жестко крепились к приводному рычагу кольца, вкотором закреплялся серийный кварцевый интерферометр ИФП-2 с воздушным зазором2 мм или внутренний эталон из комплекта ЛЖИ-504. Лазер обеспечивал ширину линииизлучения 0,04 см-1.

Сигналы с датчиковположения обрабатывались автоматическими регулирующими устройствами РУ ЭДПР иРУ ЭДПЭ, управляющий сигнал с которых поступал на обмотки микродвигателей дляповорота элементов. Регулирующие устройства были идентичны и выполнены встандарте КАМАК размером ЗМ.

Программныйгенератор и ФБ конструктивно выполнены в едином модуле КАМАК также размером ЗМ.Формируемое на выходе ПГ напряжение Uy пилообразной формы имеет максимальнуюамплитуду 5 В и может уменьшаться с шагом 0,5 В. Длительность нарастаниянапряжения может изменяться от 18 с до 30 мин с шагом 1/99 максимальногозначения. Выбранные диапазоны амплитуды (0—9) и длительности (0—99)управляющего напряжения указываются на цифровом табло (на лицевой панелимодуля).

/>

Рис. 3.2.Структурная схема ФБ

Функциональныйблок (рис. 3.2) состоит из сумматора аналоговых сигналов 1, аналоговогоумножителя I и инвертора. Аналоговый умножитель двухквадрантного типа выполненпо схеме с широтно-импульсным преобразователем. Он включает в себя: ключи 2и 5, генератор треугольного напряжения 3, компаратор 4,усилитель 6 и источник опорного напряжения 7. Цепь 6—5—7обеспечивает стабилизацию широтно-импульсного модулятора II, выполненного наэлементах 4 и 3. Усилитель 8 осуществляет инверсию схемы,включенной в его обратную связь, реализуя тем самым решение уравнения (3.1);

R1и R2 — переменные резисторы, с помощью которых устанавливаютсясоответствующие коэффициенты k1 и k2 обеспечивающие взависимости от начального положения эталона оптимальную функциональную связьмежду Up и Uэ, по минимуму отклонения максимумапропускания эталона от частоты, заданной положением дифракционной решетки.

Характеристики лазераизучались с помощью стабилизированного по температуре внешнего конфокальногоэталона Фабри — Перо с областью свободной дисперсии 0,125 см-1 ирезкостью 30. Электронные устройства ЭДП осуществляли плавную синхроннуюперестройку элементов, обеспечивая скорость сканирования длины волны от 0,1 до0,001 см-1/с. В диапазоне автоматического непрерывного сканированиядлины волны до 2 см-1 нелинейность характеристики составляет 0,5—2 %и зависит от начального положения внутрирезо-наторного эталона. Максимальныйдиапазон синхронного сканирования решетки и эталона (без срыва синхронизации) 3см-1. Воспроизводимость длины волны такого лазера составляет 5•10-3см-1 на интервале работы 4 ч и полностью определяетсяхарактеристиками внутрирезонаторного эталона.

Описанныйузкополосный лазер на красителях на базе ЭДП поворота дисперсионных элементов суправлением от ЭВМ был с успехом использован в ядерно-оптических экспериментахна установке ИСАН и ЛИЯФ.


Заключение

 

В настоящее время наряду с исследованиями понелинейной оптике продолжаются работы и над созданием лазеров совершенно новыхтипов. Одно из важных направлений исследования — получение когерентнойгенерации длинноволнового рентгеновского излучения (l=10-9¸10-10 м).

Существуют два основных препятствия на пути созданиярентгеновских лазеров: практически отсутствуют отражатели, пригодные длярезонаторов в области длинноволнового рентгеновского излучения, и, кроме того,растут трудности, связанные с осуществлением накачки, и с уменьшением длиныволны. Так как любое твердое тело поглощает рентгеновское излучение, невозможнодля создания обратной связи применить обычные лазерные резонаторы. Мало надеждына то, что удастся создать резонатор с замкнутой траекторией луча, отклоняяизлучение с помощью нескольких скользящих отражений от кристаллов. Таким образом,источники когерентного рентгеновского излучения, вероятно, будут усилителями, ане генераторами.

Другая серьезная проблема заключается в трудностинакачки таких лазеров. Она возникает вследствие крайне короткого времени жизнирентгеновских переходов (t»10-15 с). Поддержание инверсной населенности требуетмощностей накачки порядка ватта на атом. Становятся доступными системы накачки,использующие пикосекундные импульсы на выходе системы. Такая система состоит иззадающего генератора и каскадов усиления и может давать импульсную выходнуюмощность излучения порядка 1012 Вт. Кроме того, следует отметитьнакачиваемые электронным пучком системы на эксимерах. Если удастся создатьрентгеновский лазер, его можно будет использовать для радиографии с малымидлительностями экспозиции просвечивания плотных газов при высоких температурахи получения голограмм микрообъектов.

Выдвинутыпредложения и проведены предварительные исследования возможности созданиягразеров (гамма-лазеров) с рабочей длиной волны примерно 0,1 нм. Такие приборы,работая без зеркал, могли бы использовать возбужденные состояния ядер дляполучения стимулированного излучения.

Какуюнаиболее короткую длину волны лазера можно получить? Единственноепринципиальное ограничение связано с образованием электрон-позитронных пар.Лазер, работающий на пороговой (с точки зрения образования пар) частоте, имелбы длину волны 1,2 *10-12 м. Сравнивая частоту такого лазера счастотой мазера на аммиаке (24 ГГц), видим, что устройства, использующиеусиление с помощью вынужденного излучения, могли бы работать в диапазоне,охватывающем десять порядков по частоте.


Список литературы:

 

Д. О’Шиа, Р. Колден, У. Родс, «Лазерная техника», Москва Атомиздат, 1980 г. «Квантовая электроника», №5, 1989г. «Квантовая электроника», №6, 1989г.
еще рефераты
Еще работы по физике