Для расширения спектральной полосы лазера (контура усиления) с целью
генерации более коротких световых импульсов селектирующий элемент выводится
из резонатора. Стабильный режим генерации УКИ достигается путем подбора и
оптимизации спектральных характеристик генерирующих красителей и
насыщающихся поглотителей.
Таким способом получены УКИ длительностью ~150 фс при использовании
комбинированной смеси красителей родамин 6Ж (Р6Ж), родамин 4С-перхлорат
(Р4С-П) и ДОДКИ. В настоящей работе оптимизация спектральных характеристик
красителей исследована с учетом применения «мягкого» и «жесткого» НП
(параметры насыщения которых отличаются почти на порядок), а также их
смесей. Корректировка контура чистого усиления осуществлялась выходными
зеркалами НЛК с заранее подобранными спектральными кривыми пропускания.
НЛК имел традиционный V-образный трехзеркальный резонатор с
компенсацией астигматизма (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 частотой следования импульсов накачки грубо производилось
перемещателем типа «поршень в цилиндре», точно-мембранным пьезокорректором
КП-1.
Лазером накачки служил аргоновый лазер с синхронизованными модами
мощностью 0,5 Вт на всех сине-зеленых линиях. Акустооптический модулятор,
синхронизирующий моды лазера накачки, питался от синтезатора частот со
стабильностью частоты не хуже 10-8. Длительность импульсов накачки,
оцененная по сигналу с фотодиода ЛФД-2, не превышала 300 пс. Длительность
импульсов НЛК оценивалась по ширине автокорреляционной функции (АКФ),
получаемой традиционным способом с неколлинеарным удвоением в кристалле КОР
(бесфоновая АКФ). Запись спектральных огибающих производилась с помощью
монохроматора МДР-2.
Генерирующим красителем для «мягкого» НП ДОДКИ был выбран Р6Ж.
Оптимальная концентрация составляла 4•10-3 моль/л. В режиме самонастройки
(т. е. без селектора) при концентрации НП 2*10-5 моль/л происходила
одновременная генерация на двух длинах волн: (1=614 нм и (2=570 нм. При
этом на (1 генерировались импульсы длительностью (t(0,5 пс, а на (2
синхронизация отсутствовала. При увеличении концентрации НП генерация на (1
подавлялась. Стабильный режим генерации УКИ на (1 достигался применением
специального выходного зеркала с резким увеличением пропускания для длин
волн менее 600 нм и пропусканием около 3 % на 614 нм. С таким выходным
зеркалом лазер генерировал на (1=614 нм, т. е. в области, где ДОДКИ хорошо
насыщается. Дальнейшее увеличение концентрации НП укорачивало импульс, но
уменьшало среднюю мощность НЛК. Импульсы длительностью 120 фс были получены
при концентрации ДОДКИ 6*10-5 моль/л. При этом выходная мощность НЛК
составила 10 мВт. Зона допустимого рассогласования длины резонатора НЛК и
частоты следования импульсов накачки составляла 20 мкм. На рисунке, а
приведены АКФ такого режима генерации и спектральная огибающая импульсов
(ширина огибающей на полувысоте ((=3,6 нм). Соотношение (t((=0,35
свидетельствует о спектральной ограниченности импульсов. Однако отношение
полуширины АКФ на 1/4 и 1/2 высоты, равное 2,5, говорит о существенном
отклонении формы импульса от гауссовой или лорентцевой.
[pic]
Рис. 2.1. Автокорреляционная функция и спектральная огибающая импульсов 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 отличие от ДОДКИ МЗ легко доступен и
исключительно стоек, как и другие трифенилметановые красители. Существует
также возможность использования МЗ в качестве НП для Р6Ж. Кривая усиления
Р4С-П смещена относительно Р6Ж в красную область и лучше согласуется с
кривой поглощения МЗ. В наших экспериментах с этой парой толщина струи
составляла 0,2 мм, мощность накачки 4 Вт.
В режиме самонастройки по мере увеличения концентрации МЗ происходило
«скатывание» длины волны генерации в красную область спектра, т. е. в
сторону от максимума поглощения МЗ. Замена широкополосного выходного
зеркала на специальное, имеющее резко увеличенное пропускание для длин волн
более 660 нм и пропускание ~10 % на 660 нм, устраняло «скатывание» спектра
в красную область и позволило увеличить концентрацию МЗ до 1,3*10-4 моль/л.
При этом лазер генерировал импульсы длительностью 130 фс со средней
мощностью 20 мВт на (=660 нм. Критичность согласования длины резонатора НЛК
и частоты следования импульсов накачки составляла ±3 мкм. АКФ и
спектральная огибающая этого режима приведены на рис. 2.1.б. Соотношение
(((t=0,4, как в случае с ДОДКИ, свидетельствует о спектральной
ограниченности импульсов. Отношение ширины АКФ на 1/4 и 1/2 высоты, равное
1,8, говорит о близости формы импульсов к классическим кривым типа
гауссовой и лорентцевской.
Следует обратить внимание на то, что в обоих случаях спектр генерации
несимметричен и затянут в сторону, где пропускание выходного зеркала
увеличивалось (для ДОДКИ в коротковолновую, для МЗ в длинноволновую).
Длительности импульсов, полученные как 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 суммарным контуром усиления и поглощения смеси из
двух генерирующих красителей: Р6Ж (2*10-3 моль/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 этом средняя мощность накачки составляла 1,3 Вт, а
длительность импульсов накачки была вдвое больше, чем в двух предыдущих
случаях. Выходная мощность НЛК составляла 25 мВт на длине волны
самонастройки 600 нм. Стабильность была недостаточно высокой, что
обусловливалось, по-видимому, недостаточной глубиной, модуляции (малым
отношением поперечных сечений поглотителя и усилителя ).
Ширина АКФ по полувысоте «плавала» от 140 до 180 фс. Соотношение (((t
=2 указывает на возможное наличие чирпа. Более высокое S достигается в
двухструйной схеме НЛК. Именно в такой схеме возможно получить стабильный
режим генерации УКИ длительностью 69 фс. Получаются импульсы длительностью
70 фс в одноструйном лазере с пленочным селектором с накачкой импульсами 2-
й гармоники YAG:Nd-лазера. Однако импульсы накачки в нашем случае почти на
порядок длиннее и накачка многолинейна. Следует отметить, что приведенное
исследование демонстрирует возможность перестройки длины волны генерации
лазера в режиме самонастройки путем изменения концентрации насыщающихся
поглотителей.
3. Узкополосный импульсный лазер на красителях с
электродинамическими приводами поворота дисперсионных элементов
Исследование изотопических сдвигов оптических линий атомов с
короткоживущими ядрами на лазерно-ядерном комплексе, созданном сотрудниками
Ленинградского института ядерной физики и Института спектроскопии АН СССР,
потребовало разработки узкополосного (((~1 пм) импульсного лазера на
красителях, который обеспечивал бы с высокой степенью воспроизводимости
сравнительно быструю и плавную перестройку длину волны излучения и легко
сопрягался с ЭВМ. Методы получения узкополосного плавно перестраиваемого
излучения достаточно хорошо разработаны — обычно это механическая
перестройка (поворот) дифракционной решетки лазера, производимая синхронно
и одновременно с перестройкой вставляемых внутрь резонатора эталона Фабри —
Перо или фильтра Лио, либо перестройка оптической длины такого резонатора
за счет изменения давления газа. Последний способ обеспечивает синхронность
перестройки всех дисперсионных элементов резонатора лазера в сравнительно
большом диапазоне длин волн (несколько нанометров) и высокую (0,2 %)
линейность сканирования, но неприемлем из-за низкой скорости сканирования.
При перестройке внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо изменением его
зазора связь приводов решетки эталона вследствие линейности характеристик
преобразования обоих дисперсионных элементов достигается установкой одного
коэффициента пропорциональности, обеспечивающего одинаковые приращения по
длине волны в зависимости от управляющего сигнала. Однако создание привода
с линейной и стабильной характеристикой преобразования для такого эталона
является весьма сложной задачей. В большинстве случаев для этой цели
используются пьезокерамические материалы, которым присущи такие свойства,
как гистерезис и достаточно большая температурная нестабильность. Эти
недостатки можно компенсировать только с помощью сложных технических
решений, где эффект достигается введением отрицательной обратной связи по
перемещению, а измерение перемещения осуществляется датчиком емкостного
типа.
Перечисленные трудности привели нас к выбору другого способа
перестройки эталона (с помощью его поворота), который мог быть реализован с
использованием хорошо зарекомендовавшего себя электродинамического привода
(ЭДП), управляющего поворотом дифракционной решетки лазера. Единственный
недостаток такого способа — нелинейность зависимости перестройки длины
волны от угла поворота — был устранен введением небольшого дополнительного
функционального блока, осуществляющего нелинейную связь до управляющим
напряжениям приводов решетки и эталона (рис. 3.1).
Зависимости длины волны ( от углов поворота ( и ( дифракционной решетки 1
и эталона Фабри — Перо 2 соответственно даются известными формулами: [pic]
и [pic], где d — постоянная решетки, t — зазор эталона и [pic]. Исключив
длину волны из этих зависимостей, находим связь углов [pic] и [pic]: [pic],
или [pic]. Эта нелинейная зависимость может быть аппроксимирована полиномом
второй степени
[pic] (3.1)
где Up и Uэ — напряжения управления ЭДП решетки (ЭДПР) и эталона (ЭДПЭ)
соответственно; [pic] — коэффициенты, устанавливаемые при настройке ЭДП.
Для согласования размеров пучка на дифракционной решетке и эталоне служил
призменный телескоп. 6.
Для обеспечения плавной линейной перестройки длины волны лазера на
вход регулирующего 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 обратная по отношению к (3.1) зависимость
[pic]
[pic]
Рис. 3.1. Схема управления синхронным поворотом
дифракционной решетки и внутрирезонаторного эталона
За базовую модель был взят широко используемый в установках по
лазерной ступенчатой резонансной фотоионизации атомов серийный импульсный
лазер на красителях ЛЖИ-504 с накачкой импульсно-периодическим лазером на
парах меди «Криостат-1», в котором перестраиваемый вручную синусный
механизм поворота дифракционной решетки был заменен ЭДП. Аналогичный привод
управлял поворотом внутрирезонаторного плоского эталона Фабри-Перо, для
чего сердечники дифференциального индуктивного датчика положения и
линейного микродвигателя магнитоэлектрического типа жестко крепились к
приводному рычагу кольца, в котором закреплялся серийный кварцевый
интерферометр ИФП-2 с воздушным зазором 2 мм или внутренний эталон из
комплекта ЛЖИ-504. Лазер обеспечивал ширину линии излучения 0,04 см-1.
Сигналы с датчиков положения обрабатывались автоматическими регулирующими
устройствами РУ ЭДПР и РУ ЭДПЭ, управляющий сигнал с которых поступал на
обмотки микродвигателей для поворота элементов. Регулирующие устройства
были идентичны и выполнены в стандарте КАМАК размером ЗМ.
Программный генератор и ФБ конструктивно выполнены в едином модуле
КАМАК также размером ЗМ. Формируемое на выходе ПГ напряжение Uy
пилообразной формы имеет максимальную амплитуду 5 В и может уменьшаться с
шагом 0,5 В. Длительность нарастания напряжения может изменяться от 18 с до
30 мин с шагом 1/99 максимального значения. Выбранные диапазоны амплитуды
(0—9) и длительности (0—99) управляющего напряжения указываются на цифровом
табло (на лицевой панели модуля).
[pic]
Рис. 3.2.Структурная схема ФБ
Функциональный блок (рис. 3.2) состоит из сумматора аналоговых
сигналов 1, аналогового умножителя I и инвертора. Аналоговый умножитель
двухквадрантного типа выполнен по схеме с широтно-импульсным
преобразователем. Он включает в себя: ключи 2 и 5, генератор треугольного
напряжения 3, компаратор 4, усилитель 6 и источник опорного напряжения 7.
Цепь 6—5—7 обеспечивает стабилизацию широтно-импульсного модулятора II,
выполненного на элементах 4 и 3. Усилитель 8 осуществляет инверсию схемы,
включенной в его обратную связь, реализуя тем самым решение уравнения
(3.1);
R1 и R2 — переменные резисторы, с помощью которых устанавливаются
соответствующие коэффициенты k1 и k2 обеспечивающие в зависимости от
начального положения эталона оптимальную функциональную связь между Up и
Uэ, по минимуму отклонения максимума пропускания эталона от частоты,
заданной положением дифракционной решетки.
Характеристики лазера изучались с помощью стабилизированного по
температуре внешнего конфокального эталона Фабри — Перо с областью
свободной дисперсии 0,125 см-1 и резкостью 30. Электронные устройства ЭДП
осуществляли плавную синхронную перестройку элементов, обеспечивая скорость
сканирования длины волны от 0,1 до 0,001 см-1/с. В диапазоне
автоматического непрерывного сканирования длины волны до 2 см-1
нелинейность характеристики составляет 0,5—2 % и зависит от начального
положения внутрирезо-наторного эталона. Максимальный диапазон синхронного
сканирования решетки и эталона (без срыва синхронизации) 3 см-1.
Воспроизводимость длины волны такого лазера составляет 5•10-3 см-1 на
интервале работы 4 ч и полностью определяется характеристиками
внутрирезонаторного эталона.
Описанный узкополосный лазер на красителях на базе ЭДП поворота
дисперсионных элементов с управлением от ЭВМ был с успехом использован в
ядерно-оптических экспериментах на установке ИСАН и ЛИЯФ.
Заключение
В настоящее время наряду с исследованиями по нелинейной оптике
продолжаются работы и над созданием лазеров совершенно новых типов. Одно из
важных направлений исследования — получение когерентной генерации
длинноволнового рентгеновского излучения ((=10-9(10-10 м).
Существуют два основных препятствия на пути создания рентгеновских
лазеров: практически отсутствуют отражатели, пригодные для резонаторов в
области длинноволнового рентгеновского излучения, и, кроме того, растут
трудности, связанные с осуществлением накачки, и с уменьшением длины волны.
Так как любое твердое тело поглощает рентгеновское излучение, невозможно
для создания обратной связи применить обычные лазерные резонаторы. Мало
надежды на то, что удастся создать резонатор с замкнутой траекторией луча,
отклоняя излучение с помощью нескольких скользящих отражений от кристаллов.
Таким образом, источники когерентного рентгеновского излучения, вероятно,
будут усилителями, а не генераторами.
Другая серьезная проблема заключается в трудности накачки таких
лазеров. Она возникает вследствие крайне короткого времени жизни
рентгеновских переходов (((10-15 с). Поддержание инверсной населенности
требует мощностей накачки порядка ватта на атом. Становятся доступными
системы накачки, использующие пикосекундные импульсы на выходе системы.
Такая система состоит из задающего генератора и каскадов усиления и может
давать импульсную выходную мощность излучения порядка 1012 Вт. Кроме того,
следует отметить накачиваемые электронным пучком системы на эксимерах. Если
удастся создать рентгеновский лазер, его можно будет использовать для
радиографии с малыми длительностями экспозиции просвечивания плотных газов
при высоких температурах и получения голограмм микрообъектов.
Выдвинуты предложения и проведены предварительные исследования
возможности создания гразеров (гамма-лазеров) с рабочей длиной волны
примерно 0,1 нм. Такие приборы, работая без зеркал, могли бы использовать
возбужденные состояния ядер для получения стимулированного излучения.
Какую наиболее короткую длину волны лазера можно получить?
Единственное принципиальное ограничение связано с образованием электрон-
позитронных пар. Лазер, работающий на пороговой (с точки зрения образования
пар) частоте, имел бы длину волны 1,2 *10-12 м. Сравнивая частоту такого
лазера с частотой мазера на аммиаке (24 ГГц), видим, что устройства,
использующие усиление с помощью вынужденного излучения, могли бы работать в
диапазоне, охватывающем десять порядков по частоте.
Список литературы:
1. Д. О’Шиа, Р. Колден, У. Родс, «Лазерная техника», Москва Атомиздат, 1980
г.
2. «Квантовая электроника», №5, 1989г.
3. «Квантовая электроника», №6, 1989г.
