Голографический лазер с распределенной обратной связью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

с/3

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ

1Л ! 9

¿ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Б.И.СОТАНОВА

На правах рукописи

РЫЖЧКИН Сергей Александрович

ГОЛОГРАФИЧЕСКМ ЛАЗЕР С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск - 1992

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте физики им.Б.И.Степанова Академии наук Беларуси

Научные руководители: доктор физико-математических наук, .-■ академик АН Б, профессор Рубинов А.Н.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Эфэндиев Т.Ш.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Михайлов В.П.

кандидат, физико-математических наук, Ивакин к.В.

Ведущая организация: Межотраслевой институт повышения квалификации кадров по новейшим направлениям развития техники и технологий при Белорусской государственной политехнической академии

Защита состоится " ¿хнВа199^ г. в /¿f часов на заседании специализированного совета К.006.01.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук в Институте физики им.Б.И.Степанова АН Б (220602, г. Минск, ГСП, пр. Ф.Ско-ривд, 68).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики АНБ. _ Автореферат разослан " Т " Ои/с-с-Що;^ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат. наук

■ ■ - - - ОКШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

; Актуальность

Проел еетзая осоетего сха.иих разашй лазеров с динамической распределенной обратной связью (РОО) ногтю звкзтнть, что осношше усилия авторов били пвпразлзнн на устранение основного йедостат-ка, присущего атому rraiy лазеров: завлспчостп его спектральных и энергетических характеристик от когерентных свойств накачки. Схе-ш, щкдлогй1щие создателям первих РОС-лазеров, продемонстрировали принципиальнее прагауцества этих устройств по сравнению с традиционная лазера!,я, нспользуиггггя днслерсношшз резонаторы различных тетов. Зипя преимуцествагп является: простота и низкая стсг'.юсть рос-лазеров без потерт кьчэства гепзрлруеного излуче-Ш1П. Одпайо, Eiicoicre трзбовыпя, нрэяьявягш-нэ при этом к временной и пространственной когервнтаоста в зсггэтйоЯ кзрв еппжавт преимущества лазеров с ,сш.":шесгссй РОС, поэтому дальнейшие усилия исследователей бала паправлзвц na укеньавпйэ зшглсилости качества ганэрацяокпах ХЕрпктэрпск-к РОО-лазерз от спзг.тралышх параметров пучка накачга. Разультато.ч псследовонг.! ягилось создание ряда схем /1-6/, ко тер:: е в той шл do Л гэрз позволили уменьшить эту сыгзсйгость. ГЫбодза шюдотворясЯ в этеч пл?нэ оказалась идея отрггаедзй я^ргкаяятвоз рспэчкз для ахре&яйпзздш периодической РОС-структура. Orra C-ltï прэдлекзт tBTOpri.-ï /I/, а затем получила развитие в кссдздукгпх работах /3-6/. Одгтако использований отра-ШТОЛЬНОЗ Д!'*РЕ1ЗД!о:ЗЮЙ рс-^еткп, хотя п позволило снизить трзоо-вапия к мопохрсматз^шостп лгзэра пгсачкц, по по позволило рзаяи-зовать те прзгг?угчэства, о котсрих гогоргдлосъ кше, так как схема лазера сказалась довольно слоп-юй л дорогостоящей. Кроме того, появились трудности с ссу^зствлеготеи перестройки ДЛЗЯЕ! волны РОС-лзезра, преодоление которых привело к ецз болев громоздим и усложненным репешям /7/. Таким образом, хотя на этом пути и были достигнуты весьма васокяе пар£.»гзгры генерации, но получены они были за счет значительного усложнения в поЕисзния стоимости устройства. Поэтому проблема создания простого и надежного перестраиваемого лазера с динамической РОС, способного работать при накачке низкокогерентшш источниками, не потеряла своей актуальности.

Цель работа. Разработка схемы и способов реализации РОС-

3

лазера, некритичного к степени временной и пространственной когерентности источника накачки.

Научная новизна

1. Предлоген и реализован новый тип РОС-лазера - гологрефа-ческий РОС-лазер, длина волны и ширина спектральной линии которого не зависят от спектрального состава излучения накачки.

2. Разработана и создана схема записи голографических веерных решеток, обеспечивающая плавную перестройку длины волны генерации голографического РОС-лазера.

0. Предложен н реализован новый способ стабилизации длины волш генерации голографического РОС-лазера.

4. Реализован частотный режим генерации до 1000 Гц голографического РОС-лазера без принудительной прокачки активного раствора.

На защиту выносятся следувцке основные положения и результа-

1. Ширина спектра генерации голографического РОС-лазера не зависит от спектрального состава излучения накачки.

2. Способ записи веерных голографических решеток, применение которых в РОС-лазере позволяет осуществлять плавную перестройку длины волны генерации в иироком спектральном диапазоне.

3. Результаты исследований, доказавшие возможность эффективной работы РОС-лазера с большой частотой следования импульсов без принудительной прокачки активного раствора.

4. Метода создания высокоэффективных, с большим ресурсом работы, с высоким порогом разрушения и хорошей прозрачностью в УФ диапазоне голографических решеток для РОС-лазера на красителях.

Практическая значимость работы

Разработанный голографический РОС-лазер, обладающий большим ресурсом работы и высокой стабильностью длины волны генеращш, может использоваться в спектроскопии, голограф!®, биологии и т.д. Миниатюрность, простота и возможность работы с большой частотой повторения импульсов позволили использовать разработанный РОС-лазер в спектрометре, разработанном в Институте спектроскопии РАН. Разработанный способ пассивной температурной стабилизации показателя преломления активной среды, может быть применим д.^

4

других типов надкостных лазеров.

Апробация работа

Основные результаты диссертации докладывались на XI Всесоюзной конференции по "Когерентной и нелинейной оптике", Ереван 1982, "Второй Всесоюзной школе по пикосекундной технике" (Москва 1903), 17 Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" 1983 Ленинград, Всесоюзном совещании "Инверсная заселенность п генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск 1986), V-ш Международном симпозиуме "Сверхбыстрое процессы в спектроскопии" (Вильнюс 1987).

Личный вклад соискателя ^

---V

Непосредственное участие совместно с научшш руководителя?.« в постановке задач. Участке в разработке и реализации проведения экспериментов. Цровэденпе экспериментов и обработка получешгах результатов. А.Д.Дасысо принимал участие в создании голограриес-koîî установки и макета гологргЛпческого РОС-лазера. И.А.Вабгсдович участвовал в экспериментах. Н.А.Голикова помогала в создании го-лографическпх релзток. Другие соавторы зашгмлись изучением вопросов не вопздзтх в диссертацию.

СТРУКТУРА IÎ СОДЕгаШКВ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, чзтарзх глав ц выводов. Она содержит 1Б0 страниц текста, гклтая 51 рисунок, 4 таблицы п список литературы из 122 наименований.

Во введети приводятся обпцю сведения о способах осуществления РОС в активной среде, проведен анализ опубликованных теоретических и экспериментальных работ, рассматривается актуальность темы, сформулированы цела и задачи исследований, содержится аннотация основного содержания, приведены затираемые научше положе-шш.

Первая глава диссертации содержит 2 параграфа.

В § I.I. описаны схеш возбутхдения, используете для получения пространственной модуляции оптических параметров активной среда, проанализированы их преимущества и недостатки. Показано, что основные усилия создателей лазеров с РОС направлены на устранение зависимости спектральных характеристик лазера от когерентных свойств источника накачки. Достигнутые на этом пути успехи

5

(использование отражательных решеток) приводит к услогшешш схемы.

В § 1.2. описывается новый тип РОС-лазера на красителях -голографшескнй РОС-лазер, обеспечивающий генерацию узкой линии при широком спектре накачки и отличающийся простотой и низкой стоимостью.

Предлагаемый лазер представляет собой кювету с раствором красителя, входная грань которой образована фазовой пропускающей голографической решеткой. Пучок излучения накачки направляется по нормали на поверхность решетки и на выходе из нее разделяется на три пучка, соответствующе нулевому и ± I порядкам дифракции.

Пучки накачки ± I порядков, интерферируя в растворе, создают пространственную решетку, на которой возбуждается генерация. В предложенном устройстве длина волны генерации Хр = пй0 не зависит от спектрального состава накачки и определяется лишь периодом голо-графической решетки й0 и показателем преломления раствора п.

Таким образом, в данном лазере оптическая система, обычно используемая для формирования двух пучков накачки, интерферирующих в активной среде,заменяется фазовой голографической решеткой. Это позволяет резко упростить устройство и, главное, снимает требования к временной и пространственной когерентности излучения лазера накачки. Используя решетки с различными периодами й , мои но осуществлять генерацию на дискретных частотах. Плавная перестройка длины волны генерации возмояша при использовании веерных голографических решеток.

Рассмотренные соображения были проверены экспериментально. Голографическая решетка записывалась в слое бихромированной иела-тины, нанесенном на кварцевую пластину, которая служила входной гранью кюветы со скошенными окнами. Эффективность дифракции в левый и правый порядки была одинакова и в- суше составляла 80 % падагацего пучка накачки. Слой желатины с записанной в нем решеткой защищался специальным покрытием, что позволяло использовать решетку в непосредственном контакте с гадкой активной средой без изменения параметров решетки и активной среды. В качестве активной среды использовался этанольный раствор крезил-фиолетового с концентрацией 0,5 ммоль/л. Возбуждение раствора осуществлялось излучением широкополосного лазера на родамине 6Ж. При ширине спектра накачки до 20 нм ширина линии генерации РОО-лазера составляла около 0,01 нм.

Во второй главе изложены результаты исследования, относящх-ся к формированию пропускающих голографических решеток для РОС-лазера.

В § 2.1. сформулированы требования, предъявляемые к решеткам, используемым в голографическом РОС-лазере. Идеальная решетка для создшшя РОС-лазера должна удовлетворять следующим требованиям: с максимальной эффективностью преобразовывать падающее по нормали излучение накачки в ± 1-ые порядки дифракции, обладать высокой лучевой стойкостью и прозрачностью на длине волны накачки, быть нечувствительной к внешним воздействиям. На основании этих требований, и из анализа литературных данных, сделан выбор

регистрирующего материала для записи решеток. Наиболее соответствующим выше указанным требованиям, материалом оказались слои би-xporeipoBamroro яэлатнна.

В § 2.2. предложена структура голографпческой решетки, оптическая схема записи таких решеток, приводятся расчеты длины волнн генерации от величины углов записи.

Для получзкия в растворе красителя интерференционной структуры, необходимой для создания распрэделанной обратной связи, голографическпя решетка долгяа формировать два дифракционных порядка распрострзняпдися сгадатрично относительно нормали к поверхности решетки. Для этого было предложено формировать в регистрирующей среде две объемные решетки с одинаковым периодом, штряхи которых наклонены сигме трпчно относительно нормали к поверхности. Две мэ/метричио расположенные объешще реветки с одинаковым периодом считив8втся излучением накачки одновременно под обдкм углом Брэгга, и лучи первга порядков дифракции интерферируя медду собой в растворе красителя создай? периодическую структуру, необходимую для создшшя РОС.

Разработанная схе?,;а записи позволяла за две экспозиции фор-(Яфовать в светочувствительном слое структуру из двух сииметрич-ных скрещенных решеток.

Данная схема записи дала возможность сформировать решетки, которые позволяют осуществить генерацию РОС-лазера в диапазоне от 350 до 800 нм на любой фиксированной длине волны.

В § 2.3. предложен и реализован способ записи "веерных" голографических решеток.

Известно, что длину волны голографического РОС-лазера можно плавно перестраивать путем варьирования показателя преломления

7

раствора, либо меняя. Другим способом перестройки является использование решеток с плавно изменяющимся периодом, так называемых, веерных. Нами был предложен новый способ формирования таких решеток. Способ базируется на использовании в каасдом из плеч схемы записи пары цилиндрических линз, фокусы которых совмещены, образующая одной вертикальна и образующая другой повернута относительно вертикали на угол и. Такое устройство позволяет получить веерные решетки, у которых происходит плавное изменение периода при параллельном смещении линии, вдоль которой производится измерение периода. Величину изменения периода при смещении этой линии на единицу длины, мы назвали "шагом веерности". Плавную перестройку длины волны РОС-лазера с веерной решеткой можно осуществлять, если сформировать полоску накачки параллельно линии, вдоль которой период реиетки постоянен и смещать кювету перпендикулярно этой линии в плоскости решетки. Скорость и диапазон перестройки будут зависеть от шага веерности и высоты решетки. Приводятся расчеты величины шага веерности от угла а. С помощью записанных таким способом решеток получена плавно перестраиваемая генерация РОС-лазера в диапазоне 10 нм. При этом существенного уширения спектра генерации по сравнению с обычной решеткой замечено не было. Ширина спектра составила величину ~ 0,01-0,03 нм при ширине полоски накачки 5 0,05 мм.

В § 2.4 рассмотрены селективные свойства объемных голографи-ческих решеток. Рассмотрела! теоретические работы /8-9/, посвященные изучению свойств наложенных двойных объемных решеток, которые имеют общий объем или близкий по значению угол Брэгга. При распространении плоской волны в объеме структуры ее интенсивность уменьшается вследствие дифракции на одной из решеток, что уменьшает интенсивность дифракции на второй решетке и наоборот. Таким образом, решетки оказывается энергетически связанными через нулевой порядок дифракции. Такая связь приводит к тому, что при считывании под углом Брэгга суммарная эффективность обеих решеток оказывается меньше 100 %, несмотря на то, что величина модуляции показателя преломления Ап0 выбрана оптимальной для одиночной структуры. Максимальная дифракционная эффективность достигается при величине модуляции показателя преломления для одной из решеток, равном - 0,7 от величины Апо- Эти результаты использовались наш для записи Двойных связанных решеток. Получены экспериментальные кривые угловой селективности двойных решеток, которые

8

хорошо согласуются о результатами работ /8-9/, а также демонстрируют возможность получения высокоэффективных решеток для создания РОО-лазера.

В § 2.5. рассматривается механизм образования голограмм в слоях БХЖ и технологии их обработки. На основании анализа литературы и проведенных экспериментов нами был разработан технологический процесс формирования и обработки слоев БХЖ толщиной 2-3 (дал, который позволяет получать голографические решетки с поглощением не более 10 % на \н=337 ш и дифракционной эффективностью до 80 Я.

В § 2.6. рассмотрен вопрос защиты решеток от внешних воздействий.

Поскольку голограммы на слоях БХН гигроскопичны и при непосредственном контакте с раствором красителя могут изменять свои параметры или вовсе разрупаться, необходимо использовать защшгое покрытие, от качества и свойств которого во многом зависят эксплуатационные характеристики РОО-лазера.

Наиболее простым и эффективным способом защити является заклейка решетки гонким, порядка 0,1 мм, стеклом. В качестве клея были использовали эпоксщщыо олигомэрн, так как они имеют наименьшую, по сравнению с друггаи оптическими клегагл, усадку при отзерздегащ п ползкризация клея пэ приводит к разрушения решетки. Испытания показали, что лучше всего необходимым требованиям удовлетворяет состав на основе диглшдиового ofnrpa кшфэриоа кислоты в качестве основы, обладаний наибольшей прозрачностью в УФ диапазоне и не изменявший спектральных характеристик пропускания в течение длительного времени эксплуатации решетки при плотности мощности накачки ~ 5«ЮгКВт на Х„„„=337 год.

НШ,

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований особешюстей работы и возможностей РОС-лазера при накачке импульсами с большой (до I кГц) частотой повторения без прокачки растора через кювету. Исследуются возможности стабилизации длины волны РОС-генерации, а также ресурс работы беспрокачной кюветы РОС-лазера.

В § 3.1. рассмотрена температурная стабилизация длины волны голографического РОС-лазера.

Как известно, увеличение температуры растворителя приводит к уменьшению показателя преломления и должно, соответственно, смещать длину волны генерации голографического РОС-лазера в коротко-

9

волновую часть спектра. Так, например, для етанольного раствора при Хг=600 нм, и изменении температуры на один градус смещение ДХ составит ^

дх = й • -= 0,18 нм

с1Т

Ширина спектральной линии генерации голографического лазера составляет 0,01 нм. Поэтому, для стабилизации длины волны генерации лазера с точностью до ширины спектра, необходимо контролировать и стабилизировать раствор с точностью 0,05°С. В параграфе описано устройство, которое позволяло стабилизировать температуру активного раствора с необходимой точностью, а также плавно перестраивать длину волны генерации в диапазоне ~ 10 нМ путем изменения температуры раствора. Использование не скольких решеток, с дискретно изменяющимся периодом, расположенных на входной грани кюветы РОС-лазера, позволило существенно расширить этот диапазон.

В § 3.2. предложен и реализован метод пассивной стабилизации длины волны генерации голографического РОС-лазера на красителях.

Как уже было сказано, повышение температуры раствора красителя приводит к отрицательной зависимости показателя преломления от температуры и соответственно приводит к уменьшению длины волны генерации РОС-лазера . С другой стороны, сдавливание раствора красителя приводит к увеличению длины волны генерации РОС-лазера.

Такая зависимость показателя преломления от температуры и давления позволяет достичь практически полной стабилизации и при использовании герметичной кюветы с двумя отсеками, заполненными раствором красителя объемом и падкой средой (компенсатором) объемом У2 и разделенными между собой гибкой мембраной.

При повышении температуры окружающей среды происходит повышение температуры Т раствора красителя и компенсатора, вызывающее в герметичной кювете возрастание давления Р в растворе красителя и компенсатора. Последний подобран таким образом, что его тепловое расширение компенсирует изменение объема кюветы и, тем самым, поддерживает объем раствора постоянным. Лучшая температурная стабилизация показателя цреломления раствора красителя, а следовательно, и длины волны генерации достигается в: том случае, если компенсатор развивает при повышении температуры большее давление, чем раствор красителя и оказывает через мембрану дополнительное давление на раствор красителя. Это условие выполняется, если объ-

10

емы раствора красителя У и компенсатора У2 удовлетворяют соотношению

Ч 01 - г*1

- = --(3)

71 г*ъ - Н

причем, (р2 / и2) > ф1 / ) где рг и р2 коэффициенты объемного расширения раствора красителя и компенсатора соответственно; и «2 -коэффициенты сжимаемости раствора красителя и компенсатора; у -расчетное изменение давления в кювете на один градус температуры.

При использовании этанольного раствора родамина 6Н и глицерина (компенсатор) с соотношением объемов У2 / = 3, нестабильность длины волны генерации составляет 1,6*1СГ3нм/к, т.е. величина ДХ / X ~ 2,5-Ю-6.

В § 3.3. исследован частотный рекам работы РОО-лазера.

Эксперименты по исследованию генерационных характеристик топографического РОС-лазера при накачке лазером, работающим в частотном режиме, показали, что длина волны генерации изменяется с изменением частоты следования импульсов накачки. Так, при увеличении частоты следования длина волны, генерации смещается в коротковолновую область. Измерения показали, что величина сдвига волны генерации определяется изменением средней мощности накачки

Р„_ независимо от того, достигается ли определенное изменение ср

средней мощности за счет вариации частоты повторения или амплитуды импульсов накачки. При постоянной средней мощности длины волны генерации остается стабильной. Результаты экспериментов позволяют сделать вывод о том, что смещение длины волны генерации обусловлено локальным изменением показателя преломления раствора в зоне генерации, вызванным поглощением излучения накачки. Получены экспериментальные зависимости изменения длины волны генерации от частоты следования импульсов накачки для различных растворителей. На основании экспериментальных данных проведен , полу эмпирический расчет теплообмена между зоной генерации и окружающей средой. Теплообмен между нагретым объемом и окружающей средой осуществляется с помощью двух механизмов теплопереноса: I) конвекции, то есть выноса нагретого раствора из активной зоны за счет архимедовой силы; 2) теплопроводности - передачи тепла из нагретой зоны в стенку кюветы и окружающий раствор. В результате расчетов было получено соотношение мезду тепловыми потоками в стекло, раствор,

II

а тшске конвективным потоком выяснилось, что примерно 75 % выделенной щенной в зоне генерации энергии поглощается передней стенкой кюветы, Б-8 % - уходит в ненагретый раствор, а 16-20 % выносится конвективным потоком. Благодаря наличию конвективного потока осуществляется режим свмопрокачки активного раствора, из-за которого возможен частотный рентам работы РОС-лазера.

В § 3.4. исследовалось влияние неоднородности распределения интенсивности накачки по длине РОС-структуры.

Измерялась эволюция спектральных и энергетических параметров генерации РОС-лазера при изменении частоты следования импульсов, при различной степени неравномерности распределения интенсивности

накачки вдоль РОС-структуры. Измерения показали, что уже в разовом режиме работы (Б Гц) спектрально-энергетические параметры РОС-генерации выше для более равномерного распределения накачки, и более медленно ухудшаются с ростом частоты следования импульсов чем для неравномерного распределения.

Быстрое ухудшение параметров РОС-генерации с увеличение?,! частоты следования импульсов накачки связано с неоднородностью нагрева зоны генерации вдоль ее длины. Неоднородность нагрева обуславливает градиент показателя преломлешш раствора красителя. Конвективный поток самопрокачки частично выравнивает эту неоднородность, причем тем сильнее, чем меньше вязкость растворителя. Поэтому эволюция спектрально-энергетических параметров РОС-лазера с увеличением частоты следования импульсов накачки для раствора ацетона значительно меньше, чем для этанольного раствора.

Полуэмперический расчет проведэшшй в § 3.3. позволяет оценить долю тепла, уносимого конвективным потоком из зоны генерации. Однако, предположение о существовании конвекции было сделано исходя из того, что в частотном режима работы мощность генераида РОС-лазера не меняется при постоянной мощности накач£ш. В § З.Б. приводятся результаты экспериментального наблвдения конвективного потока, описана его скорость для разных типов растворителей, а также проведена оценка ресурса работы частотного РОС-лазера, работающего в режиме самопрокачки.

Визуализация конвективного потока производилась с помощью оптического теневого метода. Скорость течения оценивалась измерением расстояния, пройденного верхней частью конвективного потока за определенный промежуток времени после включения накачки. Измерения дают следующие значения: I) ацетон -Р_„„ „„ - 140 мВт,

ЛОА • ч/Р я

Ук0НВ ~ 2 ш,/сек' 2> ЭТ£ШЛ -р„ак.ср. - 140 \опв ~ °-7

юл/сек. Рассчитанные в § 3.3. скорости соответственно

1,6 мм/сек и 0,64 мм/сек. Для оценки ресурса работы РОС-лазера были проведеш измерения зависимости мощности генерации раствора от дозы облучения в условиях, когда конвекция исключалась и генерирующий объем раствора бил постоянно локализован в зоне возбуждения. На основании этих измерений и данных о зависимости температура нагрева зоны генерации, приведенных в § 3.4 было получено условие устойчивой и эффективной работы в режиме часто повторяющихся импульсов, которое заключается в острой фокусировке цилиндрической линзой. Так для этанольного раствора родамина 6Я с концентрацией 2,б-10_3моль/л ширина полоски накачки должна быть < I мм. Рассчитанное время непрерывной работы лазера, при котором его мощность упадет не более чем на 10 %, для кюветы объемом 5 см3 при средней мощности накачки 140 мВт, составило 12 часов, при частоте следования импульсов I кГц.

Для создания РОС-лазера с хорошо воспроизводимыми параметрами излучениями, необходимо знать с какой угловой точностью требуется выставлять кювету с голографяческой решеткой относительно потока накачки. Б § 3.6 измерены зависимости спектральных и энергетических характеристик голографического РОС-лазера от направления потока накачки на дифракционную решетку кюветы. Показано, что наилучшие спектральные и энергетические характеристики голографи-ческий лазер имеет при нормальном падении луча накачки на решетку. Эксперименты и расчет показывают, что для воспроизводимости спектральных параметров с точностью до 0,01 нм требуется выставлять горизонтальный угол в пределах нескольких угловых минут отклонения от нормали к решетке. Остальные разъюстировки влияют только на эффективность генерации.

В четвертой главе приводятся спектральные, энергетические и временные характеристики голографяческого РОС-лазера при накачке различными типами лазеров.

В § 4.1. проведены измерения .-зависимости пороговых и энергетических характеристик РОС-лазера от дифракционной эффективности решетки. Показано, что изменение ДЭ решеток от 0,25 до 0,8 незначительно влияет на пороговые и энергетические характеристики РОС-генерации. Поэтому при создании голографических РОС-лазеров достаточно иметь решетку с эффективностью порядка 60 %, чтобы можно было говорить об оптимальном режиме работы.

13

В § 4.2. рассмотрен пикосекундный режим генерации РОС-лазе-

ра.

Получение пикосекундных импульсов в РОС-лазере с традиционной схемой при возбувдении излучением лазеров с синхронизацией мод связано с рядом ограничений, накладываемых как на спектр возбуждения, гак и на точность совмещения во времени интерферирующих в активной среде световых пучков. Схема топографического РОС-лазера свободна от этих требований и позволяет весьма просто получать импульсы генерации пикосекундной длительности.

Исследована зависимость длительности и ширины спектра одиночных пикосекундных импульсов от длины периодической структуры, получена перестройка длины волны излучения при вариации показателя преломления раствора. При возбуждении растворов излучением второй гармоники пикосекундного лазера на фосфатном стекле с неодимом (г = 4-7 псек ДХ = 7 им) получены импульсы длительностью 2-5 псек.

В § 4.3. исследована возмолаюсть получения субпшсосекундкых импульсов при помощи РОС-лазера.

Для получения таких импульсов использовалась схема возбуждения, в которой использовалась дополнительная голографическая решетка для формирования наклонного по отноиешш к решетке РОС-лазера фронта интенсивности накачки, причем угол наклона определяется углом дифракции накачки на дополнительной решетка.

Угол дифракции р можно подобрать так, что излучение РОС-генерации, сформированное в точке А, Судет распространяться в направлении В синхронно с приходом излучения накачки. Этот угол легко найти из условия одновременного прихода РОС-излучения и излучения накачки в точку В, величина угла задается соотношением tg р =п (п-показатель преломления раствора красителя). Были измерены характеристики генерации при возбуждении РОС-лазера прямым и наклонным фронтом. Длительность импульса генерации в случае накачки наклонным фронтом уменьшилась по сравнению с возбуждением прямым фронтом в 8 раз и составила ~ 0,7 псек, а излучение РОС-генерации было практически однонаправленным.

В § 4.4. исследованы временные и спектральные характеристики излучения голографического РОС-лазера при накачке наносекундными и субнаносекундными импульсами.

Была исследована кинетика генерации РОС-лазера с пропускаю-" щей решеткой при накачке импульсами с длительностью 8-10 нсек и

14

импульсами длительностью ~ 300 псек. В обоих случаях для накачки использовались азотные лазер«. При наносекундном возбуждении в зависимости от энергии накачки генерировался цуг импульсов, каждый из которых имел длительность от 35 до 70 псек либо одиночный импульс. При 4-6 кратном превышения порога генерации импульсов в цуге резко увеличивалось, расстояние мевду ними уменьшалось и огибающая цуга совпадала по длительности и форме с импульсом накачки. При 40-процентном превышении порога наблюдалась генерация одиночного пикосекундного импульса длительностью ~ 60 псек. При возбуздении импульсами 0,3 нсек, при превышении порогового уровня накачки в 1,5 раза наблюдалась генерация 1-2 пичков с длительностью ~ 60 псек и шириной спектра ~ 0,04 нм.

На основе приведенных экспериментов была разработана конструкция макета малогабаритного РОС-лазера, параметры которого приводятся в § 4.5. Макет состоит из двух основных узлов. Держатель обеспечивает плавное перемещение по вертикали корпуса, что при использовании веерных решеток позволяет осуществлять перестройку длины волны. В корпусе размещена кювета голографического РОС-лазера, механические узлы необходимых вотировок, термоизоляция, нагреватель и датчик температуры электронной схемы температурной стабилизации раствора красителя.

В параграфе приводятся параметры разработанного РОС-лазера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен и реализован новый РОС-лазер на красителях, длина волны, ширина спектральной линии и эффективность генерации которого не зависят от длины волны излучения накачки, а также от ее пространственной и временной когерентности. Предложенный лазер отличается гяшиатюрными размерами, надежностью и простотой устройства; он представляет собой кювету с раствором красителя, на входной грани которой размещена фазовая голографическая решетка. Экспериментальная проверка показала, что такой лазер обеспечивает эффективную генерацию излучения с шириной линии не более 0,01 нм даже при широком спектре накачки (20 нм); положение линии не изменяется при значительных изменениях (50 нм) длины волны излучения источника возбувдения. Подобный режим работы не может быть обеспечен ни одной из ранее использовавшихся схем лазеров со светоиндуцированной РОС-структурой.

2. Детально исследованы характеристики голографяческого

16

РОС-лазера в зависимости от параметров фазовой решетки и условий возбуждения. Показано, что соотношение интепсивностей пучков накачки, .дифрагированных ± 1-ми нулевом порядках, не оказывает существенного влияния на эффективность генерации РОС-лазера. Вместе с тем установлено, что для получения узкой линии генерации (менее 0,01 ш) требуется применять пучок накачки с достаточно равномерным распределением интенсивности по сечешнз. Выяснено также влияние углового отклонения пучка накачки от направления, соответствующего перпендикулярному падению на решетку, на спектральные и энергетические характеристики РОС-лазера. В результате определен комплекс требований, предъявляемых к

элементам голограммеского РОС-лазера Г; условиям накачки, при которых обеспечивается оптимальный рекам его работы.

3. Для повышения эффективности предложенного голографического РОС-лазера разработан и реализован метод записи голографичес-ких решеток со специальной структурой, обеспечивающей высокую (до 80 %) эффективность дифракции пучка накачки в ± I порядки, разработана технология изготовления таких решеток, обеспечивающая их высокую прозрачность и лучевую стойкость для УФ области спектра (применительно к Н2-лазеру накачки), а такие надеину» защиту от воздействия окрукавдей среды (раствора красителя и др.).

.4. Экспериментально и теоретически исследован тепловой реиил работы голографичаского РОС-лазера при накачке раствора импульсами излучения азотного лазера с большой частотой повторения. В результате показано, что конвективный поток активного раствора через зону генерации, образующийся вследствие ее нагрева, обеспечивает самопрокачку раствора красителя, достаточную для реализации устойчивого рекима эффективной генерации РОС-лазэра при большой частоте повторения импульсов без принудительной циркуляции раствора в кювете. Показано, что для реализации такого рекима определяквдим фактором является степень поперечной фокусировки излучения накачки в активной зоне. Рассчитаны скорости конвективного потока для различных растворителей. Данные расчета хорошо подтверждаются прямыми измерениями скорости, проведенными с помощью теневых методов. Так, для этанола скорость конвекции составила 0,6 мм/сек, а для ацетона Z км/сек. Исходя из рассчитанных и измеренных скоростей самопрокачки определен ресурс работы РОС-лазера на красителе в зависимости от общего активного раствора в кювете.

Экспериментально исследовал реним температурной перестройки длины волны генерации POG-лазера. Создано устройство, обеспечива-тзцее управляемое изменение температуря активной среды в диапазоне 20 + 40°С с точностью 0,01°С, что позволяет осуществлять подстройку длины волны генерации в предела! 5 t 7 нм при ее стабильности в пределах ширины лиши генерации.

Показано, что оперативная перестройка длины волны генеращш а небольших пределах мохет быть также реализована за счет изменения теплового регапла в активной среде путем варьирования частоты следования ишульсов накачки.

5. На основе предложенного оригинального способа записи томографических решеток с плавным изменением периода (веерных) создан ;.пшиат"ргшй РОС-лазер, обеспечиЕакцкй плавную перестройку длины волны генерации в пределах полосы усиления красителя при сирине линии генеращш 0,01 нм. Набор из 10-12 кювет с веерными голографяческими решетками позволяет реализовывать компактную, эффективную п легко автоматизируемую систему с перестройкой узкой линии генерации по всему видимому диапазону спектра.

G. Предложен а реализован новый способ стабилизации длины волны генерации топографического РОС-лазера, основанный на баро-компенсации температурного изменения показателя преломления активного раствора. Барокомпенсацпя достигается при использовании герметичной двухсекционной кюветы, одна из секций которой запол няется активным растЕором красителя, а другая, отделенная от первой гибкой диафрагмой, - еидким веществом - компенсатором. Показано, что при правильном подборе теплофизических свойств обеих компонент такое устройство позволяет уменьшить температурный дрейф длины волны генерации РОС-лазера более, чем на два порядка.

7. Получен и исследован режим генерации пнкосекундных импульсов в голографическом РОС-лазере при его накачке ультракороткими импульсами 2-ой гармоники лазера на стекле с неодимом. Показано, что при длительности импульса накачки 7 пс РОС-лазер может генерировать спектрально-ограниченше импульсы длительностью до 3 пс. Исследована зависимость спектрально-временных характеристик от длины РОС-структуры.

Показано, что дальнейшее сокращение импульса генерации может быть осуществлено с оценочной длительностью импульса 0,7 по. В этих условиях реализована почти однонаправленная генерация (соотношение интенсивностей потоков в противоположных направлениях

17

1:10) при возбуадении РОС-лазера специально сформированным импульсом накачки о фронтом, наклонным по отношению к поверхности топографической решетки.

Основное содержание даосертащш опубликовано в следующих работах.

1. Вабищевич И.А., Дасько А.Д., Ршячкин O.A., Рубинов А.Н., Эфендиев Т.Ш., Яковенко В.А. Генерация узкой линии излучения в лазере на красителях о РОС при возбуждении широким спектром // Письма в КТО. - IS82. - Т.8, ß 21. - C.I3I6-I3I9.

2. Муравьев A.A., Рубинов А.Н., Рыжечкин С.А. Простой способ, генерации одиночных пикосекущшых импульсов в лазере на красителе

//Письма в ЖТФ. - 1983. - Т.9, R 19. - С.П65-И69.

3. Дасько А.Д., Муравьев А.А, Рубинов А.Н., Рыкечкин С.А., Эфендиев Т.Ш. Новый тип лазера на красителях со светопндуцировая-ной РОС // Изв. АН COOP, сер. фпз. - IS83. - Т.47, В 12. -С.24082414.

4. Дасько А.Д., Катаркевич В.М., Рубинов А.Н., Рыгочюш С. А., Эфендиев Т.Ш. Гологра^лчоскзе РОС-лазеры на красителях //Изв. •АН СССР, сер.фаз. - 1934 - Т.48, JS 8. - 0Л522-1Б26.

5. Вабищевич il.А., Дасько А.Д., Еиквчкпн С.А., Рубинов А.Н., Эфендиев Т.Ш. Стабилизация частоты излучения в лазерах на красителях с РОС //Сб. "Лазера и оптическая нелияеГаюсть". Ыанск. -1987 - С.16-19.

6. Вабкцевич И.А., Голикова H.A., Дасько А.Д., Рубинов А.Н., Рыкечкин С.А., Эфендиев Т.Ш. РОС-лазер на красителях с частотой повторения импульсов до I кГц без прокачки активного раствора. //Квантовая электроника.- 1988. - T.I5, J6 4. - С.676-680.

7. Курстак В.Ю., Рубинов А.Н., Рыкечкин С.А., Эфендиев Т.И. Генерация пикосекундных импульсов в топографическом РОС-лазере на красителях при наносекундам возбуждении //КПС. - 1990 -Т.52, »г.- С.202-206.

8. A.c. 1457628, СССР. МНИ:HOIS 1/04, G02B 5/32. Способ формирования и записи голографических решеток и устройство для его осуществления /Рубинов А.Н., Эфендиев Т.Ш., Вабищевич И.А., Голикова H.A., Дасько А.Д., Рыжечкин С.А., Яковенко В.А. - 4 с: ил. (имеется разрешение на открытую публикацию от 04.07.91 г.).

9. A.c. 1393282 СССР. МКИ: HOIS 3/02. Лазер с распределенной обратной связью /Вабищевич И.А., Дасько А.Д., Рыжечкин С.А., Рубинов А.Н., Эфендиев Т.Ш., Яковенко В.А. (СССР). - 4 с: ил (име-

18

ется разрешение на открытую публикацию от 04.07.91 г.).

10. А.с. 1452424 приоритет 3.03.87 г. Лазер на растворах органических соединений с распределенной обратной связью /Рубинов

A.Н., Вабищевич И.А., Дасько А.Д., Рыкечюш С.А.

11. А.с. 1676406 приоритет 21.11.89 г. Лазерный перестраиваемый источник монохроматического излучения. Компанец О.Н., Гусев

B.Н., Куравлев Д.А., Рикечкин О.А., Бфендиев Т.Ш.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Рубинов А.Н., Эфендиев Т.Ш. рос-лазеры на красителях // НПО.-1977.-Т.27, JS 6.-С.634-645.

2. Ващук В.И., Забелло Е.И., Тихонов Е.А. Новые схемы лазеров на красителях с динамической распределенной обратной связью //Квантовая электроника.-1989.-Т75, Я 7.- C.I507-I5I2.

3. Ketskemety J., Вог Ja., Hacs В., Кота I., EuMnov A.N. Jmproved line Harrowing and Wavelength Stabilisation Technique of DPB Dye Lasers //Opt. Commun3.-1977.-V.22, N 3.-P.275-277.

4. Bor Zs. A novel pumping arrangement for tunable Zingle picosecond pulse generation with H2 laser pumped distributed feedback dye laser //Opt. Communs.-1979.-V.29, N 1.-P.103-108.

5. Jasny J. Novel method for wavelenth tuning of distributed feedback dye laser //Opt. Coranum.-1985.-V.5, N 4.- P.238-242.

6. Бор Ж. Генерация пикосекундных импульсов за счет самомодуляции добротности в лазере на красителе с распределенной обратной связью //Изв. АН СССР.-I984.-Т.48, Л 8.-С. 1527-1533.

7. Ясни Д. Перестраиваемый в широком диапазоне пикосекунд-ный лазер на красителе с распределенной обратной связью //Приборы для научных исследований.-1986.- Я 7.-С.49-54.

8. Case S.K. Conpled-wave theory for multiple exposed thick holografic gratlns //y0SA.-1975.-V.65, N 6.-P.724-729.

9. Alferness R., Case S.K. Conpllng In doubly exposed thick dolograflc gratlns //Y0SA.-1975.-V.65, N б.-Р.730-739.