Генерация пикосекундных импульсов излучения в лазерах на красителях с распределенной обратной связью при наносекундном возбуждении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО Ш4МЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ИМ. Б.Й.СТШЙОВА

На правах рукопиой ,

КЯРСШ .Владислав Юзёфовш. .

- ГЕЙВРМр !Ш«ЖКУ]ЩЙХ ШШШЬСОВ «Ш В ЛАЗЕРАХ НА КРАСЩЙУЩЙ: Ö Р^СШЕдалЩШ ОБРАТНОЙ

возшдаш

ЯРИ Í

' 01.04.21 ~ лазерная фи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертаций на соискание ученой стешни

'V

Шянск 1994 Р.

ч^^ 1 'tfT? J К. > * » "H

/ V«

M

^ tí

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Лазеры на красителях широко применяются в различных, областях научных исследований. В связи с этим важной задачей являетсях совершенствование известных и разработка новых лазерных систем. Интенсивное развитие в последнее время получили лазеры ультракоротких импульсов (УМ). Среда данного класса лазеров особое место занимают лазеры на красителях с распределенной обратной связью (РОС). Они позволяют получать перестраиваемые по спектру УКИ как при ашюсекундйом, так и наносекундам возбуждении, компактны и просты в обращении. В последнем случае для возбуждения РОС-лазеров успешно используются такие лазерные источники как азотный и ИАГ:М-лазеры, которые широко распространены и надежны в эксплуатации. Сочетание РОС-лавера с указанными лазерами позволяет весьма просты» путем получать перестраиваемые по спектру одиночные шкосекундные импульсы, что делает его удобным инструментом при изучении быстропротекающих процессов.

Первое сообщение о генерации импульсов пикосекундной длительности в РОС-лазере на красителях, возбуадаемом излучением наносекундой длительности было сделано автором работ II, 2]. Режим генерации импульсов пикосекундной длительности РОС-лазером на красителях яр! наносекундам возбуждении изучался при использовании схеш с отражательной голографической решеткой. Достоинством такой схемы является возможность формирования в активной среде качественной пространственной структуры даже при весьма низкой степени пространственной и временной когерентности возбуждающего излучения. В то же время такая схема не обеспечивает оперативной перестройки длины волны геиервдии. Устранение этого недостатка приводит к существенному усложнению устройства и его удорожанию [33.

Предложенная в [41 схема РОС-лазера с га лографжческой решеткой в качестве светоделителя, находящейся в непосредственном контакте с активной средой, значительно снижает требования к монохроматичности и когерентности возбуждающего излучения. Оперативная перестройка длины волны в такой схеме возможна при

3

РОС-лазером лишь тогда, когда вклад тепловой фазовой решетки в обратную связь пренебрежимо мал по сравнению со вкладом фазовой компоненты решетки инверсии населенности.

4.Экспериментально установлено, что усиленное спонтанное излучение значительно задержано относительно начала импульса накачки, в то же время оно возникает всегда раньше генера-х ции. Исследованы спектральные закономерности времен разгорания усиленного спонтанного излучения и генерации. Установлена связь изменения времен развития указанных излучений со снижением удельного веса усиленного спонтанного излучения в генерируемом РОС-лазером "излучении.

Б.Показана возможность получения устойчивого режима генерации шкосекундных импульсов в РОС-л&зере на бинарной смеси красителей в условиях переноса энергии возбуждения. Установлено, что в отличие от однокомпонентного раствора, в бинарной смеси наблюдаются особенности в спектральных зависимостях длительности одиночных импульсов, поляризации и времени разгорания излучения генерации.

Практическая значимость работы

В работе изучен механизм и особенности генерации одиночных спектрально-ограниченных импульсов пикосекундной длительности в РОС-лазере на красителях цри наносекундой длительности накачки. На основе полученных результатов определены пути реализаций устойчивого режима генерации УШ в таких устройствах.

Полученные в работе результаты представляют собой основу для создания широкодиапазонного перестраиваемого источника ультракоротких спектрально-ограниченных импульсов на базе РОС-ла-зера, работающего при наносекундном возбуждении.

Применение результатов данной работы в существующих к настоящему времени типах РОС-лазеров позволит оптимизировать режим их работы с целью получения предельно возможных значений характеристик генерируемых импульсов.

5

решали "Перестраиваемые по частоте лазеры" (Иркутск, 1989), Международной конференции "Оптическая спектрометрия высокого разрешения" (Варшава, 1992), Ш-ем Межреспубликанском семинаре "Физика быстропротекагацих плазменных процессов" (Гродно, 1992), Международной конференции" Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии" (Гродно, 1993). ч

Личный вклад соискателя:

- непосредственное участие совместно с научными руководителями в постановке задач;

- участие в разработке и реализации методик проведения экспериментов;

- проведение экспериментов и обработка полученных результатов;

- выполнение численных расчетов на 5ВМ;

- интерпретация полученных экспериментальных результатов, сопоставление их с результатами численных расчетов.

С.А.Рыжечкин изготовил фазовые голографические решетки для РОС-лазера.

В.М.Катаркевич принимал участие в настройке измерительной аппаратуры при изучении спектральной зависимости длительности УКИ, участвовал в обсуждении результатов.

Другие соавторы занимались изучением вопросов, не вошедших в диссертацию.

СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Она содержит 151 страницу текста, включая 47 рисунков, I таблицу и список литературы из 162 наименований.

Во введении рассмотрена актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, приведена аннотация основного содержания работы и научные положения, выносимые на защиту.

Глава I диссертации носит обзорный характер. В ней кратко изложен принцип работы РОС-лазеров на красителях, рассмотрены способы осуществления пространственно-периодической модуляции

7

0.8 в РОС-лазере был реализован стабильный режим генерации спектрально-ограниченных одиночных импульсов длительностью т0 5= 55 пс и шириной спектра = 0,03 А. Данный режим работы РОС-лазера обеспечивался благодаря поддержанию постоянным невысокого превышения накачкой порогового уровня, Ен < 1,14 Ещзр. что легко достигалось благодаря чрезвычайно высокой стабильности энергии импульсов возбуждения: ДЕН = 0,01-Ен.

Спектральная зависимость длительности пикосекундных импульсов, генерируемых РОС-лазером на однокомпонентных активных средах, проанализирована в § 2.3.2. Импульсы с минимальной длительностью генерируются однокомпонентными растворами красителей в максимуме усиления, а их спектральная зависимость определяется зависимостью сечения вынужденного излучения от длины волны т(Хг) = тоУо-о/(г(Хг). В максимуме контура усиления величина т0 5= 25 пс, а на краях возрастает до значений т0 = 34 и 39 пс 'на длинах волн Хг= 435 и 486 нм соответственно. Показано, что при увеличении длительности возбуждающих импульсов с 0,7 до 10 не спектральная зависимость длительности одиночных пикосекундных импульсов значительно усиливается. В § 2.3.3 приведены результаты изучения спектра генерации. В режиме генерации одиночных УКИ, при энергии накачкиоЕн= 1,14-Е^ , спектральная ширина излучения составляла 0,03 А. Спектр излучения обнаруживал существенную зависимость от уровня накачки. Увеличение энергии накачки до Ен = 1,5-Епор, соответствующее генерации цуга из 4-х импульсов, приводило к уширению спектра излучения до 0,05 А. § 2.3.4 посвящен анализу энергетических характеристик УКИ. Показано, что энергия одиночных УКИ возрастает с увеличением длины РОС-струк-туры, уменьшением концентрации молекул красителя и при перестройке на край контура усиления. В § 2.3.5 приведены результаты исследования спектральной зависимости степени поляризации генерации. При возбуждении РОС-лазера на красителях поляризованным излучением с вертикальной ориентацией вектора I генерируемое излучение практически полностью шюскополяризованное. Деполяризация генерации слабо зависела от длины волны, минимум степени поляризаций соответствовал максимуму усиления красителя.

Кинетика генерации РОС-лазера на красителях при одаочастот-ной наносекундной Накачке рассмотрена в главе 3.. В § 3.1 приведены результаты экспериментального исследования режимов генерации

9

существенно различно при больших и малых концентрациях красителя. В случае больших концентраций молекул красителя в растворе (С = ICT3 м/л) при значительных превышениях порога каждый всплеск в накачке вызывает генерацию цуга УКИ, при малых же концент-.раодях (С ™ 10~4М/л) каждому всплеску в накачке соответствует всплеск в генерации.

В 4-ой главе рассмотрены закономерности кинетики генерации и усиленного спонтанного излучения в однокомпонеятных и бинарных активных средах.

В § 4.1 приведен«! результаты исследований спектральной зависимости времен разгарания генерации и усиленного спонтанного излучения (УСИ) относительно начала импульса накачки (уровень 0.1) в однокомпонентном растворе кумарина I й в бинарной смеси кумарина I и кумарина 7. Показано, что время разгорания импульса генерации определяется степень» превышения порогового уровня накачки, в то время как аналогичная величина для УСИ зависит от абсолютного значения анергии возбуждения. УСИ развивается в РОС-лазерё всегда раньше импульса генерации. Рост степени превышения порогового уровня накачки ведет к -сокращению времени разгорания импульсов генераций относительно момента создания инверсии населенности в среде. В этом случае все большая доля энергии накачки приходится на генерацию, что ведет к уменьшению удельного веса УСИ в излучении рос-лазера при увеличении интенсивности накачки.

В § 4.2 показано, что даер о РОС до использовании в качестве активной среды бинарной смеси ■ красителей кумарина I с концентрацией С « ICf2 М/л (донор) и кумарина 7 с концентрацией С = 3- IQ-3 M/ji (акцептор) в условиях переноса энергии возбуждения, позволяет реализовать режим генерации одиночных импульсов пикосевундной длительности, Перестройка длины волны генерации прйводоа к измерению длительности одиночных УКИ, степени поляризации, а также временной задержки развития генерации относительно - начала импульса накачки.

Путем измерения кинетики усиленного спонтанного излучения в рднокомпонентной среде и в бинарной смеси красителей показано, что в смеси красителей состояние с инверсией населенности достигалось на, 180 пс позже, чем в среде донора при той же концентрации. Указанная временная задержка практически не изме-

II

увеличением накачки внше некоторого значения каждый импульс генерации состоит из двух цугов УНИ,' следующих друг за другом с постоянной временной задержкой в 600 пс. Данный факт является следствием влияния двух механизмов переноса энергии возбуждения: быстрого безызлучательного механизма, обеспечивающего генерацию первого цуга, и более медленного, излучательного, благодаря которому генерируется второй цуг УКИ.

В работе получены следующие основные- результаты;

1. Теоретически и экспериментально показано, что в гологра-фическом РОО-лазере возможна устойчивая генерация одиночных шек-трально-ограниченных пикосекундаых импульсов при использовании для накачки импульсов излучения с длительностью > 10_8с.

Определены экспериментальные условия (уровень накачки, длина периодической структуры, концентрация молекул красителя в растворе), обеспечивающие устойчивость такого режима генерации. В частности показано, что необходимо использовать концентрации раствора в диапазоне от 5-10~3 до Ю-2 М/л, длину светоиндуцированной структуры меньше 10 мм, а степень превышения порога не более 22%.

2. Показано, что длительность одиночного ультракороткого импульса, генерируемого Р00-лазером при наносекундой накачке, увеличивается при отстройке длины волны генерации на края контура усиления. Это связано с уменьшением сечения вынужденного излучения ог . Показано, что эта зависимость усиливается при увеличении длительности импульса возбуждающего излучения. Получена эмпирическая формула, позволяющая рассчитать изменение длительности генерируемых импульсов при перестройке длины волны излучения.

3. Исследовано влияние резонансной и тепловой фазовой решеток на кинетику генерации РОС-лазера при одаочастотной накачке с длительностью импульсов ¿10 не и использовании различных концентраций растворов. Показано, что при таких длительностях импульса накачки в случае, малых концентраций раствора (~10"4' М/л) даже в пороговом режиме вклад тепловой решетки сравним со вкладом фазовой, компоненты резонансной решетки. По этой причине генерация одиночного ультракороткого импульса при таких концентрациях оказывается невозможной. При использовании больших кон-

13 '

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Нурстак В.Ю,, Рубинов А.Н., Рыжечкин С.А., Эфендаев Т.Ш. Генерация вдкоеекундаых импульсов в томографическом РОС-лазере с частотой повторения до I кГц // Тез. докл. V-ro Мездунар. симпоз. "Сверхбыстрые процессы в спектроскопии" (Вильнюс, 1987). Вильнюс, 1987. С.61-62.

2. Курстак В.Ю., Рубинов А.Н., Рыжечкин С.А., Эфендаев Т.Ш. Генерация пикосекуидных импульсов в голографическом рое-лазере на красителях при наносекундам возбуждении // ШС. 1990. Т.62, N2. С.202-206.

3. Рубинов А.Н., Катаркевич В.М., Нурстак В.Ю., Эфендаев Т.Ш, Спектральная зависимость длительности и энергии пикосекундных импульсов в голографическом РОО-лазере на красителях // Доклада АН BC0P.I990.T.34,N3.C.2I7-22Q.

4. Курстак В.Ю., Чепцов Ю.И. Генерационные характеристика пикосекундного голографического РОС-лазера на красителях пра наносекундном возбуждении // Сб. докл. П-ой Межреспубликанской школы-семинара молодых ученых. (Минск,1990). Минск. 1990., C.I2S-128.

Б. Курстак В.Ю., Рубинов А.Н., Эфендаев Т.Ш. Генерация пикосекундных импульсов в РОО-лазере на бинарных смесях красителей цри наносекундном возбуждении // ГОС. 1991. Т.54, N6. С.946-950.

6. Anuirlk S.S., Kuratajc V.Yu., Rubinov A.N., Efendiev T.Sh. Generation ol picosecond impulses by dye laser with distributed feedback // Abatr. of the Int. Conf. "High performance optical spectrometry" (Warsaw, Poland, 1992). Warsaw, 199?. P.55.

7. Адуфрик C.C., нурстак В.Ю., Рубинов ¿.Н,, Эфендаев Т.Ш. Генерация импульсов пикосекундной длительности РОС-лазером на красителях при наносекундном возбуждении // Тез. докл. Ш-го Мекреспубл. сем. "Физика быстропротекаюцих плазменных процессов" (Гродао, 1992) Гродно, 1992. С.61.

8. Катаркевич В.М., Курстак В.Ю., Рубинов А.Н., Эфендаев Т.Ш. Кинетика генерации и усиленной люминесценции в РОС-лазере на красителях при субнаносекундном возбуждении // Квантовая электроника. 1992. Т.19, Ы5. С.500 - 505,

15

КУРОТАК Владислав Юзефович

ГЕНЕРАЦИЯ ПЖОСЕ2ШЩЫХ ИМПУЛЬСОВ ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛАЗЕРАХ НА КРАСИТЕЛЯХ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПРИ НАНОСЕКУВДНОМ ВОЗБУЖДЕНИИ

Подписано к печати 112. од. 1994 Формат 60x90 1/16: Бумага типографская. Печать офсетная. Объем 1,05 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 99 Бесплатно.

Институт физики им. Б.И.Степанова АН Б 220072, г.Минск, пр. Ф.Скорины, 70

Отпечатано на ротапринте Института физики им. Б.И.Степанова АН Б