Исследование физических принципов преобразования характеристик излучения эксимерного XeCl лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Шубин Николай Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ЭКСИМЕРНОГО ХеС1 ЛАЗЕРА

Специальность - 01.04.04 - Физическая электроника,-01.02.05 - Оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1993г.

Работа выполнена на кафедре оптики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Егоров B.C.,

кандидат физико-математических наук, доцент Пастор -A.A.

Официальные оппоненты-.

доктор физико-математических наук Н.Л.Александров, кандидат физико-математических наук С.Ф. Бурзйко.

Ведущая организация: ГОИ им. С.И. Вавилова.

и а поимм ^ГЗЦ! ПО

присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034 , г. Санкт-Петербург, Университетская набережная, д.7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбУ.

Автореферат разослан «26» ¡Щт.

Ученый секретарь Специализированного Совета,

кандидат физ.-мат. наук /Н.А.Тимофеев /

Защита состоится

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш диссертации Диссертация посвящена исследованию нелинейных процессов, влияющих на формирование излучения эксимерного хесг лазера: исследованию новых нелинейных в ультрафиолетовом диапазоне сред и механизмов нелинейности при взаимодействии мощного ультрафиолетового излучения с веществом, а также исследованию влияния активной среда эксимерного лазера на характеристики излучения. Актуальность этих- исследований определяется прежде всего тем, что эксимерные лазеры к настоящему времени стали одним из самых мощных источников излучения в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Сфера их применения достаточно широка: - это медицина, фотолитография, лидары, лазерный термоядерный синтез, накачка рентгеновских лазеров и многое другое. При помощи эксимерных лазеров получают световые поля с рекордно высокой интенсивностью и рекордно малой длительностью импульса генерации.

Применение лазеров в этих областях выдвигает различные требования к параметрам генерации. Однако, несмотря на широкое распространение эксимерных лазерных систем,задача создания импульса с заданными пространственными, временными и спектральными характеристиками представляет значительные трудности. Они связаны в первую очередь с недостаточностью данных о нелинейных свойствах различных сред в ультрафиолетовом (Щ диапазоне спектра, которые являются основой устройств, служащих для формирования излучения - нелинейных зеркал, насыщающихся поглотителей, дефлекторов и т. п. Мало исследовано и влияние собственной активной среды'эксимерных лазеров на их излучение. В данной работе предложены и исследованы новые нелинейные среда, обладающие двухфотонной полосой поглощения вблизи частоты излучения эксимерного хесх лазерам Такие среды прозрачны в области длин волн генерации лазера в линейном приближении и одновременно с этим имеют достаточно низкий порог нелинейности, что делает их перспективными для использования в нелинейных элементах резонатора лазера. Исследовано, также, влияние активной среды хес! ла-

-к-

зера на процесс формирования излучения и обнаружен эффект автомодуляции суперлюминисценцш.

Целью настоящей работы является:

1. Исследование нелинейного взаимодействия, сжатого и конденсированного ксенона чистого и с донорами галогена, а также жидкого четыреххлористого углерода с излучением экси-мерного хес1 лазера.

2. Исследование процессов, происходящих в активной среде Хес1 лазера, и их влияния на формирование его излучения.

3. Разработка методов формирования пространственных, временных и спектральных характеристик излучения хесг лазера.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Исследовано вынужденное рассеяние излучения хес1 лазера в сжатом и конденсированном ксеноне и в смеси с донорами галогена. Показано, что в процессе нелинейного взаимодействия излучения со средой важную роль играет наличие двухфотонной полосы поглощения, обусловленной образованием экситонных состояний, находящейся вблизи частоты, генерации лазера.

2. Исследовано вынужденное рассеяние излучения хесг лазера в жидком четыреххлористом углероде. Показано, что в процессе вынужденного рассеяния важную роль играет двухфо-тонная диссоциация молекулы четыреххлористого углерода, которая сопровождается изменением коэффициента преломления среда.

3. Обнаружено и исследовано явление автомодуляции су-перлюминисценции хесг лазера в отсутствие резонатора. Показано, что основные особенности этого явления можно описать с помощью системы уравнений для распространения импульса излучения по активной среде с учетом ее насыщения и при предположении, что инициирующее излучение формируется спонтанно.

4. Экспериментально продемонстрирована возможность формирования излучения эксимерного хес1 лазера при использований исследованных нелинейных сред и особенностей активной среды.

Практическая ценность работы состоит в возможности применения полученных результатов для управления пространствен-

ными, временными и спектральными характеристиками излучения эксимерных лазеров.

Публикации: по результатам работы опубликовано 4 статьи и 4 тезисов докладов на конференциях.

Апробация. Результаты работы доложены на Всесоюзной конференции по АСНИ, Ленинград 1986г. Всесоюзной конференции "Физика низкотемпературной плазмы", Ташкент, 1987г.

Конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1987г.

XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной

оптике, Москва-, 1991г.

Объем работы. Диссертация содержит 70 страниц текста, а также 28 рисунков и список литературы, включающий 82 наименования.

Основные положения, вынесенные на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования вынужденного рассеяния излучения хес1 лазера в сжатом и конденсированном ксеноне чистом и с добавлением донора галогена. Модель формирования вынужденного рассеяния в этой среде.

2. Результаты экспериментального исследования вынужденного рассеяния излучения хес1 лазера в жидком четыреххлорис-том углероде. Измерения изменения коэффициента преломления в этой среде под воздействием излучения хес1 лазера.

3. Результаты экспериментального исследования автомодуляции суперлюминисценции хес1 лазера. Модель наблюдаемого явления, которая базируется на системе уравнений, учитывающих распространение излучения по среде и ее насыщение.

4. Результаты экспериментов, в которых рассматриваемые нелинейные среды и особенности активной среды хес1 лазера использовались для формирования различных характеристик его излучения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

'•Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Во введении дано обоснование выбора темы диссертации, сформулированы решаемые в ней задачи.

В первой главе . диссертации приведен обзор литературных данных о различных методах формирования пространственных,

временных и спектральных характеристик излучения эксимерных лазеров и о влиянии собственной активной среды на параметры генерации. На основании анализа литературы делается вывод о существенных трудностях, встречающихся при формировании заданных характеристик излучения эксимерных лазеров, недостаточности знаний о свойствах нелинейных сред в УФ диапазоне спектра. Отмечается, что влиянию активной среды лазера на генерацию посвящено небольшое число работ, а использование особенностей собственной активной среда для формирования излучения в литературе практически не обсуждается.

Во второй главе диссертации описаны использованные в работе экспериментальные методы и приборы: лазеры и аппаратура для регистрации пространственных, временных и спектральных характеристик излучения. В ходе работы разработано и изготовлено несколько лазерных систем, отличающихся разрядной ячейкой, разрядным контуром и системой питания. На ранних этапах работы использовалась разрядная ячейка и некоторые элементы схемы питания аналогичные описанным в /1/, затем была создана более совершенная конструкция, позволяющая работать при частоте повторения до 100 Гц и с энергией импульса генерации до 40 мДж. Электрическая схема и устройство лазерной кюветы приведены на Рис.1.

Кроме этого большое внимание уделено регистрирующей аппаратуре. Разработан и изготовлен один из первых в СССР многоканальный оптический анализатор, позволяющий регистрировать пространственные и спектральные характеристики излучения. Фотоприемный элемент анализатора имеет 2000 фотодиодов, расположенных с шагом 12 микрометров. Прибор работает под управлением ЭВМ, это позволяет автоматически выполнять программу эксперимента и производить предварительную обработку информации по его ходу. В работе использовались .скоростные фотоприемные устройства и осциллографы, имеющие временное разрешение, позволяющие регистрировать импульсы излучения с длительностью менее 1 наносекунды.

В трятьея г.яявя исследовано нелинейное взаимодействие излучения хес1 лазера со сжатым и конденсированным ксеноном чистым и с добавлением доноров галогена (нс1) - нелинейной среда, предложенной в данной работе для у правления генераци-

Ъ2

-х-ьз

йС X \

?г

^ С1~

Рис.1а

' э - тиратрон ТГИ1000/25, ы, ьг - насыщающиеся индуктивности, ьз - зарядная индуктивность, сг, сг - емкости основного разрядного контура, сз, С4 - обостряющие емкости, подключенные через разрядники преионизации, А - основные электроды.

Рис.16

1 - кювета из нержавеющей стали, 2 - турбина, приводимая в движение через электромагнитную муфту, предназначеная для прокачки газа,, через разрядный промежуток, 3 - основные электроды, 4 -обостряющие емкости, 5 - разрядники преионизации, 6 - тефлоновые изоляторы, 7 - тиратрон ТГИ1000/25, 8, 9 - емкости основного разрядного контура, 10, 11 - насыщающиеся индуктивности.

-о-

ей хес1 лазера. Эта среда обладает дзухфотонной полосой поглощения вблизи частоты генерации Хес1 лазера. Экспериментально наблюдается образование эксиплексов хе2с1 при возбуждении излучением хес1 лазера /2/, что указывает на то, что нелинейная восприимчивость в этом диапазоне спектра усилена наличием двухфотонного резонанса.

Приведены результаты эксперимента, в котором впервые наблюдалось вынужденное рассеяние в чистом ксеноне под давлением 30 - 60 атмосфер. Исследована зависимость сигнала вынужденного рассеяния от давления при добавлении от 0.05 до 5 % нс1. На Рис.2а приведена схема эксперимента, в котором одно из зеркал резонатора заменено • нелинейным зеркалом на сжатом ксеноне. Проведены эксперименты, в которых обнаружена пространственная, временная и спектральная трансформация излучения хес1 лазера при использовании в резонаторе нелинейного зеркала на сжатом и конденсированном ксеноне без спектральной селекции излучения. Получено сокращение длительности импульса генерации при частичной синхронизации мод <см. Рис. 3), дифракционная расходимость излучения и повышение спектрального контраста. Пространственную структуру генерации лазера с нелинейным резонатором (Рис.26) можно объяснить образованием в каустике фокусирующей линзы трехмерной дифракционной решетки, возникающей вследствие модуляции параметров среды (в первую очередь коэффициента преломления) под воздействием лазерного излучения. На основе классических расчетов распределения интенсивности в каустике линзы /3/ можно вычислить угол,под которым расходятся пучки генерации, который совпадает с наблюдаемым в опыте. Экспериментальные результаты указывают на то, что нелинейное взаимодействие обусловлено наличием полосы двухфотонного поглощения как эк-сиплекса ксенона так и эксиплекса галогенида ксенона вблизи частоты генерации хес1 лазера.

■ В четвертой главе исследовано нелинейное взаимодействие излучения эксимерного хес1 лазера с жидким четыреххло-ристым углеродом. Зарегистрировано вынужденное рассеяние, сопровождавшееся возникновением свободного хлора в растворенном виде. Впервые измерена зависимость коэффициента преломления этой среды от плотности мощности излучения хеС1 ла-

Рис.2а

Резонатор с нелинейным зеркалом на сжатом ксеноне.

1 - гаовета, заполненая сжатым ксеноном, 2 - кварцевая линза с фокусным расстоянием 2 см., 3 - разрядная ячейка хес1 лазера, 4 -плоскопараллельная кварцевая пластина, 5,6 - экраны для наблюдения генерации лазера, Д1 =105 см, Д2 = 250 см.

В

111

И2

О

Рис.26

Изображение пятен генерации в плоскости экранов. а - изображение в плоскости экрана 5, в - изображение в плоскости экрана 6, ш = 6.5 мм., к2 = 16.5 мм., в =1 ±0.5 мм.

-1С-

зера. Эксперимент основывается на зависимости коэффициента отражения границы двух сред от соотношения их коэффициентов преломления. Экспериментально получена зависимость коэффициента отражения границей раздела четыреххлористый.". углерод -флюорит от плотности мощности излучения , на основе которой получена величина нелинейной добавки к коэффициенту преломления среды.

Экспериментально получено сокращение длительности генерации и уменьшение расходимости излучения лазера при использовании в резонаторе хеС1 лазера нелинейного зеркала на че-тыреххлористом углероде. В резонаторе отсутствовали сужающие спектр излучения элементы. Получена дифракционная расходимость и длительность импульса генерации около 1 наносекунды

(РИС.4).

В пятой главе исследован эффект автомодуляции суперлю-минисценции хеС1 лазера в отсутствие резонатора, обнаруженный.авторами /4/. При достаточно высокой плотности накачки газовой среды лазера его суперлюминисценция, т.е. излучение в отсутствие резонатора носит характер затухающих осцилляции с периодом около 4 наносекунд (для лазера с длиной активной среды 60 см). Исследованы особенности явления в лазерах с длиной активной среды 20 и 60 см (Рис.5).

Предложена модель,описывающая явление, которая основывается на системе уравнений в частных производных, учитывающих распространение импульса излучения по активное среде и насыщение коэффициента усиления, подобная описанной в /5/. В отличие от системы уравнений в /5/ мы рассматривали формирование суперлюминисценции лазера из спонтанной затравки и учитывали зависимость накачки от времени. Приведено численное решение, которое качественно описывает наблюдаемый в экспериментах с "длинной" активной средой временной характер суперлюминисценции. Вместе с тем характер решения для "короткой" активной среды отличается от наблюдаемого экспериментально. Это указывает на существенную роль в формировании суперлюминисценции таких процессов, как линейное или нелинейное рассеяние излучения лазера в собственной активной среде, или коллективных и когерентных эффектов типа суперизлучения по Дике, что не противоречит соответствующим оценкам /6/.

Осциллограмма излучения хесх лазера с нелинейным резонатором, использующим в качестве одного из зеркал вынужденное рассеяние на сжатом ксеноне (Рис.2). Регистрировался один из пучков генерации.

1нс

Рис.4а

Импульс генерации лазера на хесг с нелинейным резонатором, использующим рассеяние на сс14 при фокусировке излучения на поверхность жидкости.

1нс

Рис.46

Импульс генерации лазера на хес1 с нелинейным резонатором, использующим рассеяние на сс14 при фокусировке излучения под поверхностью жидкости.

г

Суперлюминисцениия лазера на хеС1 с длиной активной среды 20 см

Рис.56

Суперлюминисцениия лазера на хес! с длиной активной среды 60 сь

Основные результаты диссертации:

1. Впервые обнаружено вынужденное рассеяние излучения хес1 лазера без спектральной селекции в сжатом и конденсированном ксеноне чистом и с галогенсодержащими добавками и исследован механизм этого явления. Показано, что вынужденное рассеяние в этой среде можно описать как дифракцию излучения на объемной дифракционной решетке, локализованной в области каустики фокусирующей линзы.

Показано, что нелинейность среды обусловлена двухфотон-ным резонансом излучения хесг - лазера с квазимолекулами хе^

И ХеС1.

п

2. Впервые показана возможность использования нелинейного зеркала на сжатом ксеноне с галогенсодержащими добавками в резонаторе лазера, и получено сужение спектра излучения, сокращение импульса генерации и близкая к дифракционной расходимость.

3. Впервые продемонстрирована возможность использования нелинейного зеркала на четыреххлористом углероде в резонаторе хес1 лазера без спектральной селекции. Получено сокращение длительности импульса излучения хес1-лазера до величины менее 1 нсек и расходимость,близкая к дифракционной. Исследована зависимость коэффициента преломления'четырех-хлористого углерода от интенсивности излучения хес1 лазера.

4. Впервые обнаружен эффект автомодуляции суперлюминис-ценции Хес1 лазера в отсутствие резонатора и исследованы его основные свойства. Предложена система уравнений, удовлетворительно описывающая основные особенности явления.

Показано, что это явление должно сопровождать все лазерные системы с импульсной накачкой и достаточно высоким коэффициентом усиления. Показано, что при формировании затравочного излучения хес1 лазера важную роль должны играть когерентные и коллективные эффекты.

Продемонстрирована возможность получения импульса излучения хес1 лазера длительностью около 1 нсек, используя эффект автомодуляции суперлюминисценции.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. B.C. Егоров, Н.П. Пенкин, А.А.Пастор, П.Ю. Сердобин-цев, H.H. Шубин, Изучение режима автомодуляции суперизлучения XeCl. Оптика И спектроскопия, 1984, Т.56, #4, с.759-^61.

2. А.А.Пастор, П.Ю.Сердобинцев, Н.Н.Шубин, Автоматизированная установка для лазерной спектроскопии на основе K1200LL/12, Тез. Всесоюзной конференции по АСНИ, Ленинград, 1986Г, секция 4, стр.23.

3. А.В.Демьянов, В.С.Егоров, И.В.Кочетов, А.П.Напарто-вич, A.A.Пастор, Н.П.Пенкин, П.Ю.Сердобинцев, Н.Н.Шубин, Пространственно - временное распределение частиц в плазме разряда в смеси не:хе:нс1. Тез. конференции "Физика Низкотемпературной ПлаЗМЫ» - 7, Т.1, С.232-233, ТаШКеНТ, 1987Г.

4. А.А.Пастор, П.Ю.Сердобинцев, Н.Н.Шубин, Интерферо-метрическая диагностика газоразрядных активных сред высокого давления. Тез. Конф. Оптика лазеров, c.i87, Ленинград,

1987Г.

5.'И.О.Блинов, А.В.Демьянов, B.C. Егоров, И.В.Кочетов, А.П.Напартович, А.А.Пастор, П.Ю.Сердобинцев, Н.Н.Шубин, Эволюция пространственного распределения заряженных и возбужденных частиц в плазме электроразрядного xeci лазера. Квантовая ЭЛеКТрОНИКа, Т.67, #6, С.183-188,198ЭГ.

6. В.В.Берцев, А.А.Пастор, П.Ю.Сердобинцев, Н.Н.Шубин, Модуляция временных, спектральных и пространственных характеристик xeci лазера при вынужденном рассеянии в сжатом и конденсированном ксеноне. Оптика и спектроскопия, т.67,

#4,с.1413-1415, 1989Г.

7. В.В.Берцев, А.А.Пастор, П.Ю.Сердобинцев, Н.Н.Шубин, Флуоресценция смесей инертных газов с молекулярными добавками при двухфотонной накачке излучением эксимерных лазеров. Тез. XIV международной конференции по„коreрентной и нелинейной оптике (КИНО 91), т.2, е.. 99, 1991Г.

8. B.C. Егоров, А.А.Пастор, Н.Н.Шубин, Осцилляции су-перлюминисценции эксимерного лазера на xeci, возбуждаемого импульсным поперечным разрядом. Оптика и спектроскопия,

Т.74, #6, С.1348-1357, 1993Г.

ЛИТЕРАТУРА

I. Ражев A.M., Исследование электроразрядных лазеров высокого давления на электронных переходах молекул азота и

галогенидов инертных газов. Кандидатская диссертация. Новосибирск 1982г.

. 2.Wiedemann L., Fajardo М., Apkarian v., Cooperative photoproduction of Xe£l in liqud Cl^/Xe solutions. Chemical Physics Letters v.134, no.l, p.55-58 (1987) .

3.М. Борн, Э. Вольф, Основы оптики, Москва, Наука, 1970

г.

4. B.C. Егоров, Н.П. Пенкин, А.А.Пастор, П.Ю. Сердобин-цев, Н.Н. Шубин, Изучение режима автомодуляции суперизлучения XeCl. _0птика И спектроскопия, 1984, т.56, #4, С.759-761.

5. A.M. Самсон, Л.А. Котомиева, Н.А. Лойко, Автоколебания в лазерах. Минск,"НАВУКА i ТЭХН1КА", 1990,279с.

6. Denis Lo, Jing-Gang Xie, Superfluorescent Emmision from Discharge-exited rare gas halide sistem, Opt.Comm., V.70, no■3, p.248-252,1989.