Формирование пикосекундных импульсов с длиной волны 1.5 мкм посредствомпассивной синхронизации мод и вынужденных рассеяний тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

ВСЕРОССШСКИИ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОПТИЧЕСКИМ ИНСТИТУТ ИМЕНИ С.И.ВАВИЛОВА"

Р Г Б Ой

1 3 ':'„■'. ? На правах рукописи

Пивинский Евгений Григорьевич

ФОРМИРОВАНИЕ ПИКОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ДЛИНОИ ВОЛНЫ 1.5 мкм ПОСРЕДСТВОМ ПАССИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД И ВЫНУЖДЕННЫХ РАССЕЯНИИ

(01.04.21 - лазерная физика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ С.И.ВАВИЛОВА'

На правах рукописи

Пивинский Евгений Григорьевич

ФОРМИРОВАНИЕ ПИКОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ДЛИНОИ ВОЛНЫ 1.5 мкм ПОСРЕДСТВОМ ПАССИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД И ВЫНУЖДЕННЫХ РАССЕЯНИИ

(01.04.21 - лазерная физика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте лазерной физики Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт имени С.И.Вавилова"

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Д.С. Прилежаев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

П.Н. Занадворов

кандидат физико-математических наук В.Г. Беспалов

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

технический университет

Защита состоится 1996 года в <(0 час. О О мин .

на заседании специализированного совета К 105.01.01 во Всероссийском научном центре "Государственный оптический

институт имени С.И.Вавилова" ( 199034, Санкт-Петербург, В. 0., Тучков пер., д. I ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физико-математических наук И.Н.Абрамова

(0) Всероссийский научный центр "Г0И им.С.И.Вавилова", 1996.

-з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пикосекундные световые импульсы (т ^ 10~"с), которые в научной литературе именуются также ультрокороткими импульсами (УКИ), широко используются в различных областях физики, фотохимии и фотобиологии, в частности, для исследования нестационарных нелинейных явлений, пикосекундной спектроскопии, измерений различных быстропротекакхцих процессов, для волоконной оптики, для исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом и т.д.

Однако, если для видимой и ближней инфракрасной областей разработано большое количество разнообразных источников УКИ, то за пределами этого диапазона возможности получения УКИ существенно ограничены. Это утверждение полностью относится и к спектральной области,находящейся вблизи 1.5 мкм и представляющей большой интерес с научной и практической точки зрения, поскольку излучение в этом диапазоне проходит с минимальными потерями атмосферу ( Справочник по лазерам. М. Сов.радио, 1978, т.1, 504 е.), оптическое волокно (Е.М.Дианов, П.В.Мамышев, А.М.Прохоров. Квант, электрон., т.15, 5(1988)) и практически безвредно для глазных тканей ( П.С.Авдеев, Ю.Д.Березин, Ю.П.Гудаковский и др. Квант, электрон., т.5, 220(1978)). Среди лазеров, излучающих УКИ в этом спектральном диапазоне, были известны лишь достаточно сложные и дорогостоящие устройства: лазеры на центрах окраски с синхронной накачкой (см..например, L.P.Mollenauer, R.H.Stolen, J.P.Gordon. Phys. Rev. Letters, v.45, ID95(I980)) и параметрические генераторы света (см..например, Г.Ионушкас, А.Пискарскас, В.Сируткайтис и др. Квант, электрон.,т.14, 2044(1987)). Кроме того, была известна также генерация УКИ в этом диапазоне при вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР) в волоконных световодах ( К.Л.Водопьянов, А.Б.Грудинин, Е.М.Дианов и др. Квант, электрон., т.14, 2053(1987) ), отличающаяся крайне низкими выходными энергиями в импульсе Ю^Дж).

Хотя в области 1.5 мкм лежит рабочая длина волны эрбиввого стекла (X = 1.54 мкм), генерация УКИ этим лазером посредством одного из самых простых способов, пассивной синхронизации мод (ПСМ), не была реализована из-за отсутствия обратимо просветляющихся сред с длиной волны А. > 1.3 мкм. Практически не была исследована также компрессия субнаносекундных и пикосекундных

-ч-

импульсов неодимовых лазеров (А. = 1.06 мкм) при обратном ВКР в сжатом метане (СН,), стоксов сдвиг у которого равен 2917 см"1, .что дает длину волны первого стоксового импульса Хс = 1.54 мкм. Поэтому представлялось актуальным проведение физических экспериментальных исследований, направленных на расширение набора источников УКИ света диапазона 1.5 мкм достаточно простыми и дешевыми лазерными устройствами, основанными на ПСМ в лазерах на эрбиевом стекле и на компрессии при ВКР в сжатом метане излучения неодимовых лазеров.

Цель работы заключалась:

а) в разработке и исследовании достаточно стойких красителей, способных обратимо просветляться в области 1.5 мкм, и в исследовании возможности ПСМ в эрбиевом лазера на этих красителях;

б) в исследовании временных, энергетических и угловых характеристик излучения ряда лазерных схем, генерирующих УКИ с длиной волны А. « 1.5 мкм, основанных на компрессии в сжатом метане излучения неодимовых лазеров и направленных на получение максимальной эффективности преобразования и минимальной длительности импульсов;

в) в сопоставлении и анализе полученных результатов для определения наиболее перспективных лазерных схем среди исследованных.

Степень новизны и научное значение результатов исследований.

1. Впервые предложены и исследованы три быстрорелаксирувдих полиметиновых красителя 4919у и 5001у (максимум поглощения 1.52 мкм) и 5105у (максимум поглощения 1.62 мкм). Обнаружена очень высокая (для столь длинноволновых красителей) стойкость красителей 4Э19у и 5001у. На них впервые в мировой практике реализован режим ПСМ в эрбиевом лазере (А. = 1,54 мкм) с длительностью УКИ г 7*10"12с.

2. Впервые проведены исследования обратного ВКР в сжатом метане пикосекундных импульсов стеклянного и гранатового неодимовых лазеров, которые показали, что при длительности импульсов накачки тн =< 50*10~12 может быть реализовано обратное ВКР в режиме компрессии с достаточно высокими энергетическими, временными и угловыми характеристиками.

3. При обратном ВКР в сжатом метане цугов пикосекундных импульсов гранатового неодимовового лазера впервые обнаружен и исследован эффект селекции одиночного импульса. Установлен диапазон

-¿г-

условий накачки метана, когда в результате конкуренции обратного ВКР с оптическим пробоем происходит выделение первого импульса из цуга при одновременном преобразовании его частоты.

4. Впервые проведены сравнительные измерения длительностей световых импульсов пикосекундного диапазона при одновременном использовании прямой (электронно-оптическая камера) и корреляционной (неколлинеарная генерация второй гармоники за одну вспышку) методик. Показано, что корреляционная методика дает достоверные значения длительностей измеряемых импульсов при достаточно большом поперечном размере светового пучка основного излучения. Установлен практический критерий определения длительностей УКИ корреляционной методикой с минимальными ошибками.

5. Проведены исследования воздействия пикосекундных импульсов, формируемых при попутном ВКР в сжатом метане при накачке его УКИ стеклянного неодимового лазера, на микрокристаллы галогенидов серебра с целью выяснения особенностей протекания электронных процессов на стадии образования скрытого изображения. Они позволили исключить объяснение световой сенсибилизации к излучению 1.06 и 1.53 мкм посредством теплового механизма.

6. Впервые детально исследованы двухкаскадная и трехкаскадная схемы последовательной компрессии на основе вынужденных рассеяний импульсов гранатового неодимового лазера длительностью tK8*I0_<,c с генерацией на выходе пикосекундных импульсов с длиной волны 1.54 мкм. Показано, что двухкаскадная схема способна генерировать УКИ длительностью tc - 2Q*IQ"lzc при достаточно высоких энергетических и угловых характеристиках выходного излучения, а трехкаскадная -УКИ с длительностью ic < IQ*I0~lzc. Обнаружено, что в известных пределах степень компрессии при ВКР в метане практически не зависит от энергии накачки и фокусного расстояния фокусирующей линзы.

7. В рамках трехкаскадной схемы впервые исследована компрессия на основе вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) импульсов длительностью i„ < 1*10~°с в CCI, и ацетоне. Показано, что в случае СС14 при определенных условиях могут быть получены стоксовы импульсы со средней длительностью %с -< I20*I0~lzc при минимальной tc 80*Ю"12с, что примерно лишь в два раза больше теоретического предела.

8. При обратном ВКР в сжатом метане импульсов длительностью %я 120*10~1гс с длиной волны X = 1.064 мкм впервые обнаружен эффект

аномального подавления обратного рассеяния с ростом интенсивности

накачки, т.е. неизвестный ранее случай конкуренции попутного и обратного ВКР.

Практические результаты работы и предложения по использованию результатов диссертации.

1. Подучен экспериментальный критерий определения длительности УКИ с минимальными ошибками при неколлинеарной генерации второй гармоники за одну вспышку в нелинейном кристалле.

2. Исследование, обратного ВКР в сжатом метане при его накачке УКИ, генерируемыми лазерами на гранате с неодимом и неодимовом стекле, показали, что эффективный преобразователь УКИ из области 1.06 мкм в область 1.5 мкм должен строиться на основе гранатового лазера с длительностью выходного импульса г > 50*10~1гс.

3. Обнаруженный и исследованный еффект селекции одиночного импульса из цуга при обратном ВКР цуга УКИ в сжатом метане позволяет получать одиночный и преобразованный по частоте импульс с вероятностью 100%. При этом не требуется система выделения одиночного импульса (искровой разрядник) исходного лазера высокого качества, что удешевляет его стоимомсть.

4. Полученные в процессе исследования компрессии при обратном ВКР в сжатом метане экспериментальные результаты (данные о пороговых энергиях, эффективностях ВКР-преобразователя, степенях компрессии, угловых расходимостях излучения) представляют большой практический интерес в деле конструирования соответствующих лазерных приборов.

5. Разработка и исследование быстрорелаксирующих пассивных затворов диапазона 1.5 мкм на основе растворов стабильных полиметиновых красителей существенно расширили практические возможности лазеров на арбиевом стекле.

6. Показано, что при последовательной ВРМВ-компрессии импульсы гранатового неодимового лазера длительностью ан * 8*10~ес в двух каскадах на СС14 могут быть сжаты до средней минимальной длительности т„ 120*10~12с, что важно с практической точки зрения, поскольку продемонстрирован сравнительно простой и дешевый способ генерации импульсов длительностью % ~ 100*10~12с.

Личный вклад автора. Автором выполнены основные экспериментальные исследования, представленные в диссертации, т.е. им разработаны методики измерений, созданы экспериментальные установки, проведена обработка

-f-

и интерпретация экспериментальных данных, сделаны теоретические оценки.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 5-ом Международном симпозиуме "Сверхбыстрые процессы в спектроскопии" (Вильнюс, 1987), 5-ой и 6-ой Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1987 и 1990), 14-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов" (Москва, 1989), 11-ой Вавиловской конференции (Новосибирск, 1990), 1-ой Всесоюзной конференции "Физические проблемы оптической связи" (Севастополь, 1990), 14-ой Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991), Международном симпозиуме по оптике, оптическому изображению и приборостроению SPIE (США, Сан-Диего, 1993), 3-ей Международной школе-семинаре-выставке "Лазеры и современное приборостроение" (Санкт-Петербург, 1994), 7-ой и 8-ой Международных конференциях "Оптика лазеров" (Санкт-Петербург, 1993 и 1995).

Структура диссертации.

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и списка литературы. Общий объем диссертации - 209 страниц. Из них 139 страниц машинописного текста и 45 страниц рисунков. Библиография - 212 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во Введении сформулирована и обоснована актуальность и цель

исследования, сжато изложено содержание диссертации, приведены положения, выносимые на защиту.

Глава I. Формирование УКИ света посредством пассивной синхронизации мод и вынужденных рассеяний представляет собой обзор литературы. В первом параграфе на качественном уровне изложена теория пассивной синхронизации мод (ПСМ) в твердотельных лазерах, приведены практические требования к оптической схеме и конструкциям отдельных узлов твердотельного лазера, соблюдение которых позволяет оптимальным образом формировать УКИ, рассмотрены новые экспериментальные подходы в ПСМ, позволяющие формировать УКИ

минимапьной длительности с высокой стабильностью.

Во втором параграфе изложены экспериментальные и теоретические результаты по формированию УКИ посредством компрессии световых импульсов при вынужденных рассеяниях (ВКР и ВРМБ), когда исходный импульс фокусируется в ВР-среду. При этом предварительно рассмотрены основы ВР, а также ряд аспектов, играющих важную роль при ВР, такие как нестационарность, конкуренция различных видов ВР между собой и другими нелинейными явлениями, четырехфотонные параметрические взаимодействия (ЧФПВ).

Глава 2. Формирование пикосекундных импульсов с длиной волны X * 1.5 мкм путем ВКР-конверсии в сжатом метане пикосекундного излучения с А. = 1.06 мкм.

Прежде всего в ней коротко излагается методика, которая была разработана и применялась для измерения длительностей УКИ света с минимальными ошибками скоростной электронно-оптической камерой (ЭОК) "Агат-СФ-I" при регистрации информации на фотопленку.

В первом параграфе приводятся результаты сравнительных измерений длительностей УКИ света в диапазоне (20-60)*Ю"12с прямой (ЭОК "Агат-СФ-I") и автокорреляционной (неколлинеарная генерация второй гармоники (НГВГ) в нелинейном кристалле за одну вспышку) методиками Ш. Исходные УКИ формировались задающим генератором (ЗГ) на ИАГ:ШЭ* с ПСМ с последующим выделением и усилением одиночного импульса.Затем лазерный пучок делился на две равные по интенсивности части, которые направлялись в прямой и автокорреляционный каналы измерений. В автокорреляционном канале длительность УКИ аи на полувысоте определялась по формуле (см. J.Jausky, G.Corradi, R.N.GyuzalIan. Optics Comms, v.23,293 (1977)) Tg = (2)1/Zflz,n(3ln p/2)/c, где dz - пространтвенная ширина ВГ на полувысоте вдоль оси z кристалла, с - скорость света в вакууме, п - показатель преломления для основного импульса в нелинейном кристалле.

На основании сопоставления данных по длительности УКИ для обоих каналов измерения сделан вывод, что для одиночного светового импульса одновспышечная автокорреляционная методика является надежным методом измерения длительности УКИ, но при этом поперечные размеры пучков,взаимодействующих в кристалле,должны быть достаточно большого размера. Установлено, что автокорреляционная методика дает минимальные ошибки при выполнении условия D/ci„ *>, 10, где D -

-Я-

ширина пучка основного излучения на полувысоте.

Во втором параграфе излагаются результаты по исследованию ВКР в сжатом метане при фокусировке в него излучения лазера с ПСМ на фосфатном, неодимовом стекле со средней длительностью УКИ IO*IO~12c. Одиночный УКИ этой длительности выделялся из цуга УКИ затвором Локкельса и усиливался в четырехпроходовом усилителе до энергии в импульсе Ен = 80 мДж при расходимости пучка по половине энергии О * Ю"3рад. Оказалось,что из-за оптического проОоя при использовании короткофокусных фокусирующих линз компрессия световых импульсов в этом случае практически не реализуема. Был получен лишь режим попутного ВКР (преобразование длины волны X = 1.055 мкм в X = 1.53 мкм) с эффективностью tj « 10%.

В третьем параграфе представлены результаты по использованию этого ВКР-преобразователя для исследования гологрвфической фотоэмульсии ВР-П 12]. Обнаруженная в предыдущей работе этого плана (см.И.О.Старобогатов, А.Г.Беляев, С.В.Виноградов и др. Письма в ЖЭТФ, т.46, 153 (1987)) сенсибилизация фотоэмульсии ВР-П к воздействию пикосекундного излучения с X = 1.06 мкм при подсветке пикосекундным излучением с X = 0.53 мкм и затухание этого процесса за времена порядка сотен пикосекунд допускали два возможных механизма этого явления. В наших экспериментах эффект сенсибилизации оказался более слабым, чем в случае длины волны X = 1.06 мкм. Полученный результат позволил исключить из рассмотрения механизм, связанный с нагревом на свободных электронах, так как поглощение Ж излучения свободными электронами растет как Хг с длиной волны. Наиболее вероятное объяснение эффекта сенсибилизации - перераспределение под действием Ж излучения электронов на ловушках различного типа.

В четвертом параграфе излагаются результаты по исследованию обратного ВКР в сжатом метане импульсов ИАГ:Шэ*-лазера с ПСМ (гд = (40-50)*10"12с) 13]. В этих экспериментах энергия импульсов накачки достигала Ед = 10 мДж, давление метана изменялось в широком диапазоне (р = 50-110 атм), фокусировка производилась линзами с I = 5 и 8 см. Было установлено, что в этом случае обратное ВКР протекает достаточно эффективно. При превышении пороговой энергии ВКР в ~ 20 раз эффективность насыщалась на уровне tj ~ 35%. При этом длительность стоксовых импульсов была tc = (7-I0)*I0""c, а их расходимость незначительно превышала расходимость пучка накачки.

При проведении этих исследований был обнаружен и изучен эффект

селекцяи одиночного УКИ из цуга УКИ при обратном ВКР. Установлен диапазон условий, когда в результате конкуренции обратного ВКР с оптическим пробоем происходит выделение первого импульса из цуга при одновременном преобразовании его частоты.

Глава 3. Исследование пассивных быстрорелаксирувдих затворов диапазона 1.2-1.7 мкм и формирование пикосекундных импульсов с длиной волны 1.54 мкм посредством синхронизации мод лазера.

В первом параграфе представлены результаты по исследованию пассивных быстрорелаксирущих затворов на основе растворов впервые разработанных полиметиновых красителей 4Э19у и 5001у,. и фталоцианинового красителя, а также результаты по их использованию в лазере на Ег-Ув-стекле для пассивной модуляции добротности и ПСМ [4-7]. Разработанные красители показали очень высокую стабильность параметров (для столь длинноволновых красителей) при облучении и хранении. Кривые пропускания пассивных затворов (ПЗ) на растворах этих красителей были сняты на- установке, в основе которой находился ВКР-преобразователь УКИ стеклянного неодимового лазера. По кривым просветления П3~ установлено, что их энергетическая структура удовлетворительно описывается лишь четырехуровневой моделью с наведенным поглощением из метастабильного триплетного состояния. При этом время релаксации Тр ~ 5*Ю~1гс. При использовании всех исследованных ПЗ в Ет-Ув-лазере была получена модуляция добротности с длительностью моноимцульсов г = (Ю-40)*1СГс,с, а в случае ПЗ на основе растворов полиметиновых красителей в о-дихлорбензоле впервые в мировой практике был осуществлен режим ПСМ с длительностью УКИ ч 7*10"12с на длине волны А. = 1.54 мкм.

Во втором параграфе излагаются результаты исследования впервые разработанного широкополосного ПЗ на основе полиметинового красителя 5105у [8,9], у которого в растворе о-дихлорбензола максимум поглощения (А^^ = 1.62 мкм) смещен еще дальше в длинноволновую область, чем у красителей 4919у и 5001у, а длинноволновая граница рабочей полосы оценивается как ~ 1.75 мкм. Данный краситель показал удовлетворительную стабильность параметров при хранении и облучении. Его кривая просветления при его растворении в о-дихлорбензоле, так же как и красителя 4919у, была получена на установке, в основе которой находился ВКР-преобразователь-компрессор пикосекундных импульсов ИАГ:Шэ+-лазера. В этом случае энергетическая структура красителей была определена

-м-

более точно, чем в предыдущем параграфе. Численный расчет показал, что оба красителя можно описать сложной четырехуровневой моделью, в

которой распад возбужденного состояния происходит как непосредственно на основной уровень с коротким временем релаксации, так и через метастабильный триплетный уровень со временем релаксации 100*10-12с. Но поскольку формирование УКИ при ПСМ осуществляется практически лишь короткоживущей компонентой растворов красителей, то их можно характеризовать временами

релаксации Тр = Г7*10~12с и Тр = 2.2*10~'гс для растворов красителей 4919у и 5105у соответственно.

Глава 4. Формирование пикосекундных световых импульсов посредством последовательной компрессии наносвкунднЫх лазерных импульсов.

В первом параграфе излагаются результаты исследования двухкаскадной схемы формирования пикосекундных импульсов с длиной волны X. = 1.54 мкм. Эта схема представляла собой моноимпульсный ЗГ на ИАГ:ШЭ* (г =8*10~£с) и два последовательных каскада компрессии: сначала ВРМБ-каскад на СС14,а затем ВКР-даскад на сжатом метане [10]. В первом каскаде исходные импульсы сжимались до ас ^ 0.5*10~"с. Этими импульсами с энергией Ен до 20 мДж в импульсе при расходимости пучка по половине энергии 6 <* 4.2*10~4рад накачивался второй каскад. В широких пределах изменения параметров накачки и давления метана (р = 10 - 90 атм) были исследованы пороговые, энергетические, временные и угловые характеристики ВКР-компрессора.

При максимальном (десятикратном в данном случае) превышении пороговой энергии были получены выходные импульсы длительностью гс " 20*Ю~12с, энергией Ес « 5 мДж и расходимостью близкой к дифракционной. Достигнутая в этих экспериментах максимальная эффективность ВКР-компрессора ( т]д * 0.29) была заметно ниже теоретического предела для этого случая (т)т = 0.41). Поэтому были также исследованы причины уменьшения на практике потенциально возможной эффективности ВКР-компрессора. При исследовании его временных характеристик установлено, что длительности стоксовых импульсов практически не зависят как от превышения пороговой энергии накачки (по крайней мере, в диапазоне десятикратного превышения), так и от фокусного расстояния фокусирующей линзы (по крайней мере, при превышении минимального допустимого при компрессии фокусного расстояния в 2 раза).

Во втором параграфе излагаются результаты исследования трехкаскадной схемы формирования пикосекундных импульсов с длиной волны А = 1.54 мкм. Эта схема отличалась от предыдущей тем, что после ВРМБ-компрессора лазерное излучение направлялось в еще один ВРМБ-каскад на СС14 (исследовалась также ситуация при замене СС14 на ацетон), сжатое излучение усиливалось в однопроходовом усилителе на ИАГгШ3* и лишь затем направлялось в ВКР-компрессор. В этом случае были приняты меры по формированию в первом ВРМБ-компрессоре более длинных импульсов (чс = (0.8-0.9)*10"рс), нежели в первой схеме, чтобы ухудшить во втором компрессоре условия для конкурирующих с ВРМБ процессов.

В результате исследований для второго ВРМБ-компрессора была установлена оптимальная фокусирующая линза и диапазон превышения пороговой накачки (1.6-1.8), когда стоксовы импульсы имели минимальную среднюю длительность %с = 120*Ю~1гс [II]. После усиления до Е^Э мДж при угловой расходимости пучка 0 4.2*10~4рад этими импульсами накачивался ВКР-компрессор. В широком диапазоне изменения давления метана (р = 10-90 атм) и параметров накачки были исследованы его пороговые, энергетические, временные и угловые характеристики. При максимальном (десятикратном в данном случае) превышении пороговой энергии были получены выходные импульсы с длительностью тс < 10*10~12с, энергией Ес <* 2 мДж и расходимостью излучения мало превышающей дифракционную. Здесь, как и в случае двухкаскадной схемы, также не обнаружено существенного изменения длительности сжатых стоксовых импульсов ВКР-компрессора в пределах доступного превышения пороговой энергии накачки 'и изменения фокусного расстояния фокусирующей линзы, но обнаружен новый эффект, связанный с конкуренцией прямого и обратного рассеяний. Суть эффекта заключается в том, что при определенных условиях (в частности, р = 90 атм, 1 = 13.5 см) достаточная по теории (см.В.Б.Иванов, А.А.Мак, С.Б.Паперный, В.А.Серебряков. Квантов.электрон., т.13, 857 (1986)) малость нормированной волновой расстройки обеспечивала преимущественность обратного ВКР лишь при сравнительно небольших превышениях пороговой накачки. В дальнейшем с ростом энергии накачки и соответственно с еще большим уменьшением нормированной волновой расстройки происходило подавление не попутного, а обратного рассеяния. Численные оценки показывают, что это явление объясняется фазовой самомодуляцией, возникающей в импульсе накачки и приводящей к нарушению его

- 1Ъ -

когерентности.

В Заключении сформулированы основные результаты работы:

1. При проведении сравнительных измерений- длительности УКИ прямой (ЭОК "Агат-СФ-1") и автокорреляционной (НГВГ за одну вспышку) методиками установлен практический критерий измерения УКИ автокорреляционной методикой с минимальными ошибками:

В/С1 р10,

где Б - ширина пучка основного импульса на полувысоте, с - скорость света в вакууме, т - длительность УКИ на полувыс'оте, даваемая а той методикой.

2. Исследования ВКР в сжатом метане при накачке пикосекундными импульсами неодимовых стеклянного и гранатового лазеров (А. = 1.06 мкм) показали, что в первом случае, когда длительности лазерных импульсов тн £ 10*10"12с, на практике может быть реализован лишь режим попутного ВКР с эффективностью г) ~ 10%. Во втором случае (тн= (40-50)*10~,2с) было реализовано обратное ВКР в режиме компрессии с достаточно высокими параметрами: эффективность преобразования достигала 1] ^ 35% при высокой угловой направленности, длительность импульсов уменьшилась в 5 раз, что дало повышение исходной мощности в 2 раза. Таким образом, продемонстрирована возможность формирования посредством пикосекундного ИАГ:ШЭ+-лазера и ВКР-компрессора на сжатом метане импульсов с А. 1.54 мкм, длительностью гс ^ 10*10~12 и энергией в импульсе Ес >,3.5 мДж.

3. В процессе проведения этих исследований впервые обнаружен эффект селекции одиночного импульса при обратном ВКР цуга импульсов в сжатом метане. Установлено, что при определенном подборе параметров (давление метана, энергия накачки, фокусирующая линза) отражается лишь первый импульс цуга. Эффект объясняется близостью порогов светового пробоя и обратного ВКР и имеет место, когда первый порог несколько выше второго. Энергетический диапазон существования эффекта резко уменьшается с ростом давления метана из-за более быстрого падения при этом порога ВКР.

4. Проведенные исследования воздействия пикосекундных импульсов с X = 1.53 мкм, формируемых при попутном ВКР в сжатом метане при его накачке УКИ стеклянного неодимового лазера, на микрокристаллы галогенидов серебра (фотоэмульсия ВР-П) позволили исключить

объяснение световой сенсибилизации фотоэмульсии к излучению

I.06-1.53 мкм посредством теплового механизма.

5. Впервые предложены и исследованы быстрорелаксирущие пассивные затворы диапазона 1.5 мкм на основе растворов стабильных полиметиновых красителей 4919у и 5001у. На них впервые в мировой практике осуществлена ПСМ в лазере на Ег-Ув-стекле {X = 1.54 мкм) с длительностью одиночного импульса % < Ю*Ю~1гс.

6. Впервые предложен и исследован быстрорелаксирущий пассивный затвор на основе раствора широкополосного полиметинового красителя 5105у. Данный затвор позволяет продвинуть генерацию УКИ посредством ПСМ в область I.6-I.7 мкм. Проведенные исследования показали, что все исследованные красители имеют сложную энергетическую структуру.

7. Исследован двухкаскадный BP-компрессор. Исходные импульсы ИАГ:Ш3+-Л8зера длительностью тн 8*I0~"c сжаты в * 400 раз, исходная мощность повысилась примерно в 50 раз. Показано, что в простой установке, состоящей лишь из ЗГ и двух BP-каскадов, могут быть получены импульсы с X = 1.54 мкм, длительностью 20*I0~i2c, энергией Ес >,5 мДж и расходимостью близкой к дифракционной.

8. Исследован трехкаскадный BP-компрессор. Исходные импульсы сжаты в >j 800 раз, исходная мощность повысилась в >/40 раз. Продемонстрирована возможность формирования посредством " данной схемы УКИ с длиной волны X = 1.54 мкм, длительностью I0*I0~i2c, энергией Ес £,2 мДж и расходимостью мало превышающей дифракционную.

9. В рамках исследования трехкаскадного ВР-компрессора впервые исследована ВРМБ-компрессия в СС14 и ацетоне импульсов с длительностью t„= 0.8-0.9*10~рс. Показано, что в случае CCI в

Л 4

узком диапазоне превышения пороговой энергии накачки (I.6-I.8) могут быть получены стоксовы импульсы со средней длительностью %с « I20*rI0"lzc при минимальной ic ~ 80*Ю"12с, что всего в два раза больше предельной величины, даваемой теорией.

10. При накачке сжатого метана импульсами длительностью tH и I20*10~izc обнаружен необычный случай конкуренции прямого и обратного рассеяний, заключающийся в подавлении обратного рассеяния с ростом энергии импульса накачки из-за возникновения в последнем фазовой самомодуляции. Этот эффект демонстрирует принципиальное ограничение эффективности обратного ВКР при возрастании интенсивности накачки.

II. При исследовании различных схем BP-компрессии проведено исследование обратного ВКР в сжатом метане для импульсов накачки

длительностью %„ = 500, 120 и (40-50)*10 12с. Сопоставление

И

полученных результатов позволяет сделать следующие основные выводы:

а) пороги обратного ВКР по мощности (при одинаковом давлении) монотонно растут с уменьшением ан> пороги же по энергии, как правило , наоборот падают с 'уменьшением"тн; ------- - - -------

б) при энергии накачки т:н ~ 10 мДх для генерации первой обратной стоксовой компоненты с высокой эффективностью (т) ~ 30%) требуется давления метана р ~ 100 атм;

в) энергетическая эффективность ВКР-компрессора определяется превышением пороговой энергии и практически не зависит от длительности импульса накачки;

г) угловая расходимость сжатого стоксового излучения растет с превышением пороговой энергии по примерно линейному закону, оставаясь при десятикратном превышении порога еще достаточно хорошей;

д) длительности стоксовых импульсов при ВКР-компрессии практически не зависят от превышения пороговой энергии (по крайней мере, в диапазоне десятикратного превышения) и фокусного расстояния фокусирующей линзы (по крайней мере, при превышении минимально

допустимого при компрессии фокусного расстояния в 2-3 раза). 12. Сравнение результатов по различным вариантам формирования пикосекундных импульсов с \ = 1.54 мкм показывает, что ПСМ в лазере на Ег-Ув-стекле несмотря на разработку достаточно стабильных пассивных затворов все же заметно уступает способам, основанным на гранатовых неодимовых лазерах и ВР-компрессии, поскольку для последних реально получены одиночные УМ с энергией в несколько миллиджоулей, расходимостью близкой к дифракционной и частотой следования импульсов ~ I Гц. Для получения же подобных результатов в случае Ег-Ув-лазера требуется еще большая работа.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1.Е.Г.Пивинский, Г.Е.Николаев, Д.С.Прилежаев, З.В.Нестерова. Сравнительные измерения длительностей пикосекундных импульсов света прямой и автокорреляционной методиками. //Квант.электрон., Т.19, №3 (1992), С.274-276.

2.И.0.Старабогатов, С.Д.Николаев, Е.Г.Плвинский, Д.С.Прилежаев, Д.И.Стаселько. Пикосекундная световая сенсибилизация мелкозернистой фотоэмульсии к воздействию излучения 1.53 мкм. // Оптика и спектр., т.72, в.З (1992), с.639-642.

-и-

3.В.А.Горбунов, Е.Г.Пивинский , Д.С.Прилежаев. Обратное ВКР пикосекундных импульсов света в сжатом метане. // Квант, электрон., т.22, Jí 3 (1995), с.275-278.

4.А.А.Ищенко, И.Г.Кучма, В.Г.Маслов, А.Г.Мурзин, Е.Г.Пивинский, Д.С.Прилежаев, Т.П.Прокофьев, В.А.Фромзель. Модуляция добротности эрбиевых лазеров с длиной волны 1.54 мкм с помощью просветляющихся сред. // Известия АН СССР, сер. физич., т.52, № 2 (1988), с.309-311.

5.А.А.Ищенко, И.Г.Кучма, А.А.Мак, В.Г.Маслов, А.Г.Мурзин, Е.Г. Пивинский, Д.С.Прилежаев, В.А.Фромзель. Генерация УКИ с длиной волны 1.54 мкм лазером на эрбиевом стекле с пассивной модуляцией добротности. // Письма в ЖТФ, т.14, в.1(1988), с.7-9.

6.Н.А.Деревянко, А.А.Ищенко, И.Г.Кучма, А.А.Мак, А.Г.Мурзин, Е.Г. Пивинский, Д.С.Прилежаев, Ю.Л.Сломинский, З.А.Смирнова, А.И. Толмачев, В.А.Фромзель. Выстрорелаксирующий пассивный затвор на основе полиметиновых красителей для эрбиевого лазера с длиной волны 1.54 МКМ. // Оптика и спектр.,т.67, в.4 (1989), с.920-926.

7.Н.А.Деревянко, А.А.Ищенко, М.А.Кудинова, И.Г.Кучма, А.А.Мак, А.Г. Мурзин,Е.Г.Пивинский, Д.С.Прилежаев.Ю.Л.Сломинский, А.И.Толмачев, В.А.Фромзель. Авторское свидетельство СССР Jé I52970I, зарегестрировано 15 августа 1989 г. по заявке Л 432546С от 9 ноября 1987 г.

8.V.Froni2el, A.Ischenko, I.Kuchma, A.Mutzin, E.Plvlnsky, D. Prilegaev, "New quickly "dye for passive mode-locking at 1300-1750 ш", In Mode-locked lasers and ultraíast phenomena, G.B.Altshuler, Editor, Proc. SPIE 1842 (1992), p.56-60.

9.А.А.Ищенко, М.А.Кудинова, И.Г.Кучма, А.А.Мак, А.Г.Мурзин,. Е.Г. Пивинский, Д.С.Прилежаев, Ю.Л.Сломинский, А.И.Толмачев, В.А. Фромзель. Авторское свидетельство СССР № 1732662,зарегистрировав 8 января 1992 г. по заявке № 4834928 от 5 июня 1990 г.

Ю.В.В.Акулиничев, М.Е.Мавричев, Е.Г.Пивинский. Трехкаскадна? компрессия наносекундных лазерных импульсов. // Оптика и спектр., Т.76, № 4 (1994), С.681-684.

1I.V.V.Akulinlchev, A.V.Golubev, tó.E.Mavrichev, E.G.Pivinsky, A.A. Sorokin. Fast silicon p-l-n diodes lor soft x-ray plasma diagnostics. // В сб. "Proceedings of 17th Symposium on plasme physics and techology", Prague, 1995, p.95-97.