Исследование одночастотного импульсного лазера на красителе с решеткой, установленной в схеме скользящего падения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

л"~ На правах рукописи

УДК 621.375

ВАСИЛЬЕВ Сергей Викторович

СЛЕДОВАНИЕ ОДНОЧАСТОТНОГО ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРА НА КРАСИТЕЛЕ С РЕШЕТКОЙ, УСТАНОВЛЕННОЙ В СХЕМЕ СКОЛЬЗЯЩЕГО ПАДЕНИЯ

(01.04.21 - лазерная физика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Отделе кинетики Института общей физ*

РАН.

Научный руководитель: зав. лабораторией В.А. Мишин.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

зав. лаб. В.А. Сычугов, доктор физико-математических наук, вед. н.с. М.А. Казарян. Ведущая организация:Физический факультет МГУ.

Защита диссертации состоится «23» /с{9с£> ^Я.^ 1998 г. в гОшс. заседании специализированного совета К.003.49.02 Института оби физики РАН по адресу: 117942, Москва, ул. Вавилова 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФАН.

Автореферат диссертации разослан

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физ.-мат. наук

Т.Е. Воляк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время лазеры на красителях имеют многочисленные менения в научных и прикладных областях, например: медицине, строскопии, лидарной технике. При решении различных задач в об-:и спектроскопии высокого разрешения от лазеров требуются такие жтеристики как узкий контур генерации, высокая стабильность вы-ных параметров, а также возможность плавной (с точностью поряд-пирины линии) перестройки частоты. Этим требованиям наиболее но удовлетворяют лазеры на красителях, способные работать в од-астотном режиме (т.е. в режиме одной продольной и поперечной ы).

Одной из перспективных схем импульсных узкополосных лазеров :расителе является лазер с дифракционной решеткой, установленной углом скользящего падения (т. н. вЮ- резонатор)Ш. Схема вЮ :ра приведена на рис. 1, резонатор образован зеркалами М1, М2 и ракционной решеткой С, при этом решетка устанавливается под ыиим, порядка 85 - 89®, углом к падающему лучу. Длина волны ге-щии определяется соотношением

: Л(.УШ0 + .Ш2ф), (1)

X — длина волны излучения; Л - период решетки; 9 - угол

Liftman M.G. and MetcalfH.J. "Spectrally narrow pulsed dye laser without n expander."Appl. Opt. 17, 2224-2227 (1978).

3

падения излучения на решетку; ср - угол дифракции. Сканирование J зера осуществляется поворотом зеркала М2 (изменением угла ср). Выв излучения происходит через зеркальный порядок решетки или че{ зеркало М1.

Рис. А Схема GIG резонатора: Ml, М2 - зеркала; G — дифракционная решетка; С — кювета для красителя; Р — излучение лазера накачки.

Из формулы для дифракционной решетки (1) легко получить е ражение для ее угловой дисперсии:

где \\) — угол дифракции. В GIG резонаторе излучение дважды испьп вает дифракцию. На прямом обходе угол дифракции равен ф, а на обр ном - 9, таким образом, дисперсия GIG резонатора при однократном п ходе излучения описывается приближенной формулой

£> =

d\]i _ 1 dk kcosxy'

(2)

;/g)

if i i Л

(3)

—-+-

Л V car ф cosQj

[ приближении угла падения изучения на решетку к предельному гению 9 —» тг/2 => cos 9 —> 0 , поэтому дисперсия GIG резонатора гательно увеличивается. Высокая дисперсия решетки, установлен-в схеме скользящего падения, делает возможной работу лазера в уз-олосном и даже одночастотном режиме без использования расшири-;й пучка и дополнительных внутрирезонаторных селекторов часто-

Таким образом, основным преимуществом лазеров с GIG резона-эм является предельная простота конструкции. Минимальное коли-гво элементов, составляющих резонатор, позволяет, во-первых, зна-ельно уменьшить его оптическую длину (увеличить межмодовый ервал), что облегчает достижение одночастотного режима работы, вторых, существенно упростить управление лазером и повысить ста-ьность его характеристик. Существенным недостатком лазеров с г резонаторами является низкий КПД, что определяется крайне низ-дифракционной эффективностью существующих решеток, при пре-ьных (более 890) углах падения излучения. В настоящее время одно-готные лазеры с GIG резонатором не получили широкого распро-шения, однако высокая селективность и простота конструкции, со-хющиеся в GIG резонаторе, привлекают к этой схеме неослабеваю! внимание исследователей. На основе GIG схемы реализованы не ько лазеры на красителе, но и перестраиваемые лазеры с

другими активными средами и источниками накачки, в частности дис ные лазеры Р] и лазеры на титанате сапфира^].

Изучение работ, посвященных исследованию GIG лазеров, позь ляет сформулировать несколько задач, пока не получивших решения.

• Не преодолен главный недостаток одночастотных лазеров с GIG [ зонатором - низкая эффективность генерации^].

• Несмотря на большой объем фактического материала, не сформух рованы критерии, позволяющие по заданным параметрам активнс вещества и источника накачки, определить параметры GIG резо! тора, обеспечивающие одночастотный режим работы лазера.

• Не выработаны методики, позволяющие проводить оптимизащ всего комплекса параметров GIG лазера, таких как

ТУ Диодные GIG лазеры выпускаются промышленно компанией New Focus.

[3] Bhabana Рай and Jacek Borysow. "Single-mode tunable Ti:sapphire laser ove wide frequency range, "Appl. Opt., Vol.36, No. 36, pp. 9337-9341 (1997)

[4] Следует отметить работу [McKinnie, Т., Berry, A, J., and King, T.A. "S ble efficient single-mode operation of a high repetition rate grazing incidence i laser" J. of Modern. Opt. 38, 1691-1701. (1991)], в которой сообщается о co3i нии одночастотного GIG лазера, имеющего эффективность 12%. Однако торы статьи не объяснили, как им удалось добиться такого результата последующих работах этих же авторов описываются GIG лазеры с бо. скромными характеристиками, например [David J. Binks, Lawrie A. W. Glosi Terry A. King and Iain T. McKinnie, "Frequency locking of a pulsed sin% longitudinal-mode laser in a coupled-cavity resonator", Appl. Opt., vol. 36, No. (1997)J

метрия активной зоны, длина резонатора, угол падения излучения на 1етку, величина обратной связи в резонаторе и т. д..

Цель работы

Основной задачей работы являлось изучение механизма возник-ения одночастотной генерации в лазере на красителе с GIG резона-ом. Важной частью работы стало создание экспериментального об-ца GIG лазера с оптимизированными параметрами.

Научная новизна и практическая ценность работы

Впервые создана математическая модель лазерного резонатора с дифракционной решеткой, корректно описывающая механизм возникновения одночастотной генерации. Построенная модель позволяет сформулировать условия, необходимые для достижения одночастотной генерации и провести оптимизацию конструкции лазера. Впервые предложена высокоэффективная дифракционная решетка для работы в схеме скользящего падения.

Создан образец одночастотного импульсного лазера на красителе с GIG резонатором, имеющего рекордные в своем классе характеристики.

Реализована схема одночастотного сканирования лазера на красителе.

Предложена и экспериментально реализована оптоволоконная система накачки одночастотного импульсного лазера.

Перечисленные результаты важны для таких практических применен как совершенствование источников излучения для спектроскопии выс кого разрешения.

Апробация работы и публикации

Материалы настоящей диссертационной работы докладывались обсуждались на семинарах ИОФАН, 2-ой Всероссийской конференц по физико-химическим процессам при селекции атомов и молек; (Звенигород, сентябрь 1997), 2-ой Международной конференции по i пользованию лазеров в исследованиях экзотических ядер (Poznan' ф< раль 1997), конференции Laser Optics'98 (Санкт Петербург, июнь 1998

Основные результаты работы опубликованы в 3-х статьях:

• Васильев C.B., Кострица С.А. Мишин В.А. «Исследование уэ перестройки частоты одномодового лазера на красителе с решетк в скользящем падении». ЖТФ, том 67, № 3, стр. 53 - 57 (1997).

• Васильев C.B., Мишин В.А., Шаврова Т.В. «Одночастотный лаз на красителе с оптоволоконной накачкой». Квантовая электрони том 24, №2, 131-133 (1997).

• Васильев C.B., «Эффективная дифракционная решетка для работь схеме скользящего падения». Квантовая электроника, том 25, № 429-432 (1997).

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка ературы. Общий объем диссертации составляет 185 страниц, вклю-78 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

=> Во введении обосновывается актуальность темы, форму-)уются основные цели и результаты работы, описана структура и шедено краткое содержание диссертации.

=> В первой главе диссертации проведен теоретический лиз резонаторов с пространственной дисперсией. Построены мате-гические модели пустого и активного резонаторов. Распространение [учения в резонаторе описывалось в рамках приближения геометрикой оптики. Для моделирования процессов, происходящих в актив-1 зоне лазера, использовалась балансные уравнения для молекул кра-еля и уравнения переноса для излучения. Задача решалась в квази-ционарном приближении. Анализ проводился для двух наиболее пространенных типов резонаторов - с решеткой, установленной в ©коллимационном режиме (т.н. резонатор Хэнша), и с решеткой, ус-ювленной в схеме скользящего падения излучения (GIG резонатор).

Излучение в резонаторе рассматривалось как суперпозиция пуч-1, которые характеризовались следующими параметрами: частота, генсивность, характерный поперечный размер, угловое и пространст-[ное отклонения от оси резонатора. При распространении пучков лгри резонатора происходит изменение их

геометрических параметров. Дифрагируя на решетке, пучки с разньи частотами приобретают различные угловые отклонения от оси резон тора, которые при распространении по резонатору переходят в пр странственные. Пучки, имеющие частотную отстройку, вытесняются периферии резонатора и в меньшей степени усиливаются активной з ной. Уширение пучков, вызванное естественной расходимостью, пр водит к их взаимному перекрытию и потере селективности. Одновр менно с усилением в активной зоне происходит спонтанное рождение и вых пучков с различными частотами.

Мы сможем определить распределение излучения в резонато после N круговых обходов по индукции, если выразим параметры ка; дого пучка на i+1 обходе, через параметры для /-того обхода. В связр этим математическая модель резонатора включала в себя:

• соотношения между геометрическими параметрами пучка до и п еле кругового обхода резонатора;

• выражения, описывающие изменение параметров пучка при прох де через активную зону;

• начальные параметры пучков, рождающихся в активной зоне.

Модель пассивного резонатора позволила проследить эволювд излучения, представляющего собой суперпозицию пучков с различи ми частотами, интенсивностями и геометрическими характеристика?. В ходе исследования показано что:

• как в GIG резонаторе, так и в резонаторе Хэнша, в течение неско1 ких круговых обходов формируется стационарное распределение i лучения;

;елективность GIG резонатора растет с увеличением угла тдения излучения на дифракционную решетку и может значитель-ю, в десятки раз, превосходить селективность резонатора Хэнша; :уществует оптимальное соотношение между длиной резонатора и щаметром активной зоны, при котором обеспечивается максималь-гая селективность.

На втором этапе исследования в модель были включены уравне-, описывающие взаимодействие излучения с раствором красителя. | позволило учесть процессы спонтанного рождения и усиления из-ения и проанализировать динамику развития узкополосного лазер-

0 импульса из многочастотной спонтанной затравки.

Показано, что использование GIG резонатора позволяет достичь од-астотной лазерной генерации. Селективность резонатора Хенша су-;твенно ниже, поэтому одночастотный лазер на основе этой схемы кет быть реализован только при использовании дополнительных трирезонаторных селекторов частоты.

Сформулированы требования к конструкции GIG лазера, необходи-2 для достижения одночастотного режима генерации. Показано, что на резонатора не должна превышать 5-7 см, угол падения на ди-жционную решетку должен быть не меньше 89^, а ее эффективность гавлять 20 - 40%. При этих условиях обеспечивается работа GIG ла-

1 в режиме одной продольной моды с эффективностью генерации ло 30%.

Эффективность существующих дифракционных решеток при

предельных углах падения значительно ниже требуемой. Введение GIG резонатор расширителя пучка с небольшим коэффициентом yeej чения позволяет уменьшить угол падения излучения на решетку (yeej чить ее эффективность), не теряя селективность резонатора. С помощ] построенной модели, было проведено исследование и оптимизация G лазера со стандартной (металлической) дифракционной решеткой внутрирезонаторным расширителем пучка. Показано, что существу оптимальное соотношение между углом падения на решетку и коэф(] циентом увеличения расширителя, обеспечивающие одночастотную . зерную генерацию с максимальной эффективностью.

=> Теоретическое исследование импульсного лазера с G резонатором показало, что дифракционная решетка является его клю1 вым элементом, определяющим как спектральные, так и энергетичесь характеристики лазера. Дифракционная эффективность существуют решеток при больших углах падения значительно ниже требуемой, связи с этим во второй главе диссертации было проведено исследо: ние свойств дифракционных решеток при установке в схеме скользяи го падения (угол падения 0 > 890).

В настоящее время разработаны эффективные методы численж решения задачи дифракции на решетке, поэтому в качестве инструм' та исследования был выбран численный эксперимент. Дана матема' ческая формулировка задачи дифракции на решетке. Приведен об: литературы по методам ее решения. Изложены положения, исполь: ванных в работе методов, обсуждаются их

гоинства и недостатки. С помощью компьютерного моделирования, ведено исследование

металлических дифракционных решеток (используются в настоящее ?ремя),

диэлектрических дифракционных решеток,

сомбинированной структуры, состоящей из диэлектрической решет-си и металлического зеркала.

Результаты исследования позволяют заключить, что основной чиной, ограничивающей эффективность металлических решеток в имом диапазоне спектра является поглощение излучения металлом, »бенно резко поглощение проявляется в тех случаях, когда взаимо-ствие излучения с решеткой имеет резонансный характер (т.н. ано-ии Вуда). Такая ситуация имеет место при установке решетки в схе-жользящего падения. Таким образом, при углах падения более 89^ и емлемом уровне поглощения <5%, эффективность металлических 1еток в видимом диапазоне не превышает 10 - 15%.

Эффективность решетки, установленной в схеме скользящего па-ия, может быть существенно увеличена при замене металла диэлек-ком. Как показало проведенное исследование, возможность резо-сного взаимодействия излучения с диэлектрической решеткой со-няется, дифракционная эффективность может достигать значений зких к 100%, а поглощение - отсутствует.

Авторами работы^] была предложена комбинированная структура, состоящая из диэлектрической дифракционной решетки и зеркала (рис. 2). Зеркало служит для возврата прошедшего через решетку излучения обратно в зону дифракции, а промежуточный слой диэлектрика обеспечивает согласование фаз. Перспективность этой схемы подтверждается работой!^], в которой сообщается о создании

"LIXD

Рис. В Схема комбинирован!, дифракционной решетки: С

диэлектрическая решетка; i

согласующий диэлектричеа решеток подобного типа, имеющих ре- слой; м _ метатическое ,

кордно высокую эффективность, при ус- многослойное диэлектричеа тановке в автоколлимационном режиме. зеркало; В - подложка.

В настоящей диссертации методами численного эксперимента ) следована комбинированная структура, состоящая из диэлектричесь дифракционной решетки и металлического зеркала. Проведенные р четы показали, что дифракционная эффективность комбинирована решетки при углах скользящего падения, может достигать 80%, чт< 4-6 раз превышает эффективность

151 Свахщ A.C., Сьщгов, RA., Тихомиров, А.Е «Эффективные дифракционнъ элементы для волн ТЕ- поляризации». ЖТФ, том 61, № Я стр. 124-129 (1991)

[6]Perry, M.U., Boud, R.D., Britten, J.A., Decker, D., Shore, B.W., Shannon, Suits, E. "High-efficiency multilayer dielectric diffraction gratings". Optics Lett vol.20, No 8, April 15, 940-942 (1995)

щционных металлических решеток. Спектральный диапазон, в ко-зм решетка сохраняет высокую эффективность составляет 20 - 80 а уровень поглощения не превышает 5%. При выборе параметров бинированной решетки (материалы решетки и зеркала, профиль иха) особое внимание уделялось возможности ее практической реа-щии. Использование GIG резонаторов с такими решетками позволит ;ственно улучшить характеристики одночастотных импульсных ла-

)в.

=> В третьей главе диссертации описаны особенности гтрукции экспериментального лазера на красителе, построенного проверки полученных теоретических результатов, и изложены ре->таты проведенных экспериментов.

Обсуждаются различные способы накачки лазера на красителе. 1сследуются различные схемы сканирования частоты GIG лазера. I! учетом проведенного анализа конкретизируются параметры резо-гатора и конструкция GIG лазера на красителе со стандартной ре-иеткой.

)писаны методика и результаты экспериментального исследования юстроенного лазера.

Особенностями построенного лазера являются предельно ком-гный дизайн и использование оптического волокна для ввода излу-ия накачки. Длину резонатора удалось сократить за счет использо-ш оригинальной конструкции кюветы для красителя и использова-миниатюрного расширителя пучка, объединенного с дифракцион-решеткой. Оптоволоконная накачка позволила жестко локализовать

размеры и положение активной зоны лазера относительно элемент резонатора, что является исключительно важным для достижения ] тойчивой одночастотной генерации. При использовании оптоволокс ного ввода геометрия активной зоны становится независимой от хар; теристик и типа лазера накачки, а лазер накачки и лазер на красите развязываются механически.

Возможность прецизионной настройки частоты является одним основных требований, предъявляемых к лазерам на красителе, fl плавного сканирования частоты необходимо синхронизировать изме] ние длины волны излучения и оптической длины резонатора так, что избежать перескока лазерной моды. Использование GIG резонатора i зволяет реализовать механизм плавного сканирования не усложняя к( струкцию лазера. В диссертации проведен теоретический анализ р личных схем плавного сканирования GIG лазера. Показано, что cor. сование расположения элементов резонатора с точностью 0.1 мм поз! ляет избежать перескока моды при сканировании частоты в диапазс около 500 см~1. С учетом проведенного анализа, механизм плавне сканирования частоты GIG лазера был реализован эксперименталь: Диапазон, в котором перестройка частоты лазера происходила без пе] скока моды достигал 100 см' 1.

Для исследования построенного лазера были проведены следу щие эксперименты.

• Исследованы характеристики оптоволоконной системы накачки . зера на красителе.

Исследованы характеристики GIG лазера при работе в многомодо-вом режиме.

Получена устойчивая одночастотная генерация лазера. Исследованы энергетические и спектральные характеристики од-ночастотного GIG лазера при работе на различных красителях.

Эксперименты показали, что использование оптоволоконной на-<и, позволяет сформировать в растворе красителя активную зону зильной цилиндрической формы диной несколько миллиметров и еречным диаметром примерно равным диаметру волокна.

Сопоставление характеристик экспериментального лазера с ре-штатами теоретических расчетов подтвердило корректность постро-ых в теоретическом разделе диссертации моделей и позволило уточ-ь значения некоторых спектральных констант красителя РН-45 (Ро-ин 6Ж).

Измерения показали, что эффективность генерации лазера в од-астотном режиме при использовании красителя Родамин 6Ж пре-1ала 6%, что является рекордом для лазеров этого типа. Ширина ара излучения была близка к пределу Фурье. Амплитуда резких IKOB частоты не превышала 50 МГц. Измерения выходной мощности [ирины диапазона сканирования одночастотного GIG лазера были ведены для красителей РН-41, РН-45, РН-50, Keton Red, R640, DCM i. смесей. В качестве растворителей использовались этиловый спирт дно-спиртовая смесь.

При накачке зеленой линией лазера на парах меди (510.6 нм)} тойчивая одночастотная генерация была получена в диапазоне 535-6 нм.

=> В заключении диссертации сформулированы результа работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Построена математическая модель и исследован механизм bi никновения одночастотной генерации в импульсном лазере на краси-ле с GIG резонатором. Сформулированы требования к конструкции G лазера, необходимые для достижения одночастотного режима гене] ции.

Показано, что длина резонатора не должна превышать 5 - 7 < угол падения на дифракционную решетку должен быть не меньше 8' а ее эффективность составлять 20 - 40%.

Поскольку эффективность существующих дифракционных реи ток при предельных углах падения значительно ниже требуемой, бь проведено исследование и оптимизация GIG лазера со стандартной (г таллической) дифракционной решеткой и внутрирезонаторным раси рителем пучка. Показано, что существует оптимальное соотношу между углом падения на решетку и коэффициентом увеличения раси рителя, обеспечивающие одночастотную лазерную генерацию с маю мальной эффективностью.

Методами численного эксперимента проведено исследова! свойств дифракционных решеток при установке в схеме скользящего

гния. Показано, что в оптическом диапазоне спектра эффективность ишических решеток ограничена за счет резонансного поглощения, углах падения более 89® и приемлемом уровне поглощения <5%, ективность металлических решеток в видимом диапазоне не пре-шет 10-15%.

Показано, что эффективность решетки, установленной в схеме 1ьзящего падения, может быть существенно увеличена при замене алла диэлектриком. Возможность резонансного взаимодействия из-;ния с диэлектрической решеткой сохраняется при этом дифракци-ая эффективность может достигать значений близких к 100%.

Проведено исследование комбинированной структуры, состоящей [иэлектрической решетки и металлического зеркала. Использование )й схемы позволяет реализовать на практике преимущества диэлек-теских решеток. Показано, что дифракционная эффективность ком-ированной решетки при углах скользящего падения, превышает эф-

тивность традиционных металлических решеток в 4 - 6 раз.

* * *

С помощью построенной теоретической модели была проведена дмизация параметров GIG лазера со стандартной решеткой и расши-глем пучка. Экспериментальный лазер, разработанной на основе по-знных результатов, при работе в одночастотном режиме, имел эф-тивность более 6%, что является рекордом для лазеров этого типа.

Результаты измерений характеристик экспериментального лаз< находятся в хорошем согласии с теоретическими расчетами, что го: рит о корректности построенной математической модели GIG лазера.

Разработанные методики и модели позволяют проводить иссле, вание и оптимизацию различных типов импульсных лазеров. В резу тате проведенного исследования создан лазер на красителе с рекордь ми характеристиками. Основными достоинствами лазера являются п дельная простота конструкции, высокая эффективность, близкая к п делу Фурье ширина линии генерации и возможность плавного скани вания частоты. Предлагаемый лазер может использоваться как для учных исследований в области спектроскопии высокого разрешен так и в качестве задающего генератора технологических лазерных с тем большой мощности.

Отпечатано компанией ™А1ех & Ка£ ¡ПС. для Лаборатории Атомной Спектроскопии ИОФАН Москва, Вавилова 38.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 621.375

ВАСИЛЬЕВ Сергей Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОЧАСТОТНОГО ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРА НА КРАСИТЕЛЕ С РЕШЕТКОЙ, УСТАНОВЛЕННОЙ В СХЕМЕ СКОЛЬЗЯЩЕГО ПАДЕНИЯ

(01.04.21 - лазерная физика)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: зав. лаб. В.А. Мишин.

Москва - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................................4

§ 1. Вводные замечания......................................................................................................................4

§2. Обзор результатов исследований по теме диссертации..........................................................5

1. Историческое введение...............................................................................................................5

2. Лазеры с резонатором Хэнша....................................................................................................6

3. Лазеры с резонатором Литтмана - Меткалфа.......................................................................7

4. Цель диссертации......................................................................................................................Ю

§3. Структура диссертации.............................................................................................................11

1. Программа исследований..........................................................................................................11

2. Краткое содержание диссертации..........................................................................................11

3. Основные защищаемые положения..........................................................................................15

4. Научная новизна и практическая значимость работы...........................................................15

5. Апробация работы....................................................................................................................15

ГЛАВА 1. ДОСТИЖЕНИЕ ОДНОЧАСТОТНОГО РЕЖИМА В РЕЗОНАТОРАХ С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИСПЕРСИЕЙ....................................................................................16

§ 1. Математическая модель пассивного резонатора с дифракционной решеткой в приближении геометрической оптики...........................................................................................16

1. Качественное описание модели пассивного резонатора.........................................................16

2. Распространение излучения в пустом резонаторе.................................................................17

3. Взаимодействие пучка с диафрагмой......................................................................................22

4. Угловая расходимость пучка....................................................................................................24

§2. Эволюция излучения в GIG резонаторе и резонаторе Хэнша................................................26

1. Угловая дисперсия в GIG резонаторе и резонаторе Хэнша....................................................26

2. Эволюция одиночного луча в GIG резонаторе и резонаторе Хэнша.......................................27

3. Селективность GIG резонатора и резонатора Хэнша и влияние геометрических параметров резонатора на селективность...............................................................................................31

§3. Модель активного резонатора..................................................................................................35

1. Качественное описание модели активного резонатора.........................................................35

2. Изменение параметров пучка при проходе через активную зону...........................................36

3. Дискретизация распространяющегося в резонаторе излучения............................................40

4. Взаимодействие излучения с раствором красителя...............................................................42

§4. Энергетические и спектральные характеристики GIG лазера и лазера с резонатором

Хэнша................................................................................................................................................49

§ 5. Характеристики GIG лазера и лазера Хэнша при использовании внутрирезонаторного расширителя пучка...........................................................................................................................53

§6. Заключение.................................................................................................................................58

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СВОЙСТВ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК ПРИ СКОЛЬЗЯЩЕМ ПАДЕНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ..............................................................................................................60

§1. Введение......................................................................................................................................60

§2. Модальный метод решения задачи дифракции на решетках.................................................62

1. Постановка задачи....................................................................................................................62

2. Основные особенности модального алгоритма.......................................................................64

3. Модальное представление поля в области штрихов решетки...............................................65

4. Определение амплитуд дифракционных гармоник..................................................................68

5. Обобщенный модальный алгоритм..........................................................................................71

§3. Свойства дифракционных решеток при углах скользящего падения..................................72

1. Вводные замечания.................................................................................................................... 72

2. Свойства металлических решеток..........................................................................................72

3. Свойства диэлектрических решеток.......................................................................................73

4. Комбинированная дифракционная решетка............................................................................75

§4. Заключение.................................................................................................................................79

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОЧАСТОТНОГО GIG ЛАЗЕРА..........................................................82

§1. Система накачки лазера на красителе.....................................................................................82

1. Источники накачки лазера на красителе.................................................................................82

2. Продольная и поперечная геометрия накачки лазера на красителе.......................................82

3. Транспортировка излучения накачки по оптическому волокну...............................................83

§2. Сканирование частоты лазера с GIG резонатором.................................................................85

1. Перестройка частоты поворотом зеркала.............................................................................85

2. Использование оптического редуктора для сканирования GIG лазера..................................88

§3. Конструкция лазера на красителе............................................................................................93

1. Особенности конструкции резонатора................................... .................................................93

2. Система управления лазером....................................................................................................95

§4. Экспериментальное исследование GIG лазера......................................................................96

1. Характеристики оптоволоконной системы накачки GIG лазера..........................................96

2. Энергетические и спектральные характеристики лазера на красителе...............................97

§5. Заключение...............................................................................................................................104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................................107

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................Ш

Введение

§1. Вводные замечания

Лазерная генерация в растворах красителей происходит на переходах между синглетными электронными уровнями этих сложных органических молекул. Колебательно-вращательные подуровни электронных состояний красителя сливаются, образуя полосы. Из большой ширины электронных полос вытекает основное свойство лазеров на красителях - возможность плавной перестройки их длины волны в широком диапазоне. Большое число красителей, используемых в качестве активных сред, позволяет получать перестраиваемое лазерное излучение в диапазоне от ближнего ИК до ближнего УФ.

В настоящее время лазеры на красителях имеют многочисленные применения в научных и прикладных областях, например, медицине, спектроскопии, лидарной технике. При решении различных задач в области спектроскопии высокого разрешения от лазеров требуются такие характеристики как узкий контур генерации, высокая стабильность выходных параметров, а также возможность плавной (с точностью порядка ширины линии) перестройки частоты. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют лазеры на красителях, способные работать в одночастотном режиме (т.е. в режиме одной поперечной и продольной моды). Для реализации одночастотного режима необходимо, чтобы ширина линии генерации лазера была меньше межмодового интервала резонатора. Это достигается повышением селективности резонатора и увеличением его межмодового интервала (уменьшением оптической длины резонатора). Рассмотрим, как реализуется одномодовый режим в импульсных перестраиваемых лазерах.

§2. Обзор результатов исследований по теме диссертации

1. Историческое введение

Первые лазеры на красителях были запущены в 1966 г. Сорокиным и Ланкардом в США [9], Шефером Шмидтом и Вольсом в ФРГ [10] и Степановым, Рубиновым и Мостовщиковым в СССР [12]. Работа по уменьшению ширины линии генерации лазеров на красителе началась практически сразу после их создания. В 1967 г. был предложен резонатор лазера в котором роль одного из зеркал играла дифракционная решетка, установленная в автоколлимационном режиме [1] (см.рис. 0.1а). Введение в резонатор селективного элемента позволило существенно сузить линию, а так же в несколько раз увеличить диапазон перестройки частоты которая осуществлялась простым поворотом решетки. Несколько позднее для повышения селективности этого резонатора было предложено использовать эталоны Фабри-Перо (см. рис. 0.1b). В лазерах с резонатором такой конструкции удалось получить линию шириной Av ~ 50 ГГц (на длине волны Х~ 600 нм ) [2]. Важным этапом исследований по уменьшению ширины линии генерации импульсных лазеров на красителе стало введение в резонатор телескопических и призменных расширителей пучка, что позволило существенно повысить селективность резонатора [3, 4, 5] (см. рис. 0.1с). Ширину контура генерации лазера с внутрирезонаторным расширителем удалось уменьшить до 2-3 ГГц (k ~ 600 нм) и, при использовании внутрирезонаторных эталонов (см. рис. O.ld), достичь од-ночастотного режима генерации. Именно эта схема одночастотного импульсного лазера на красителе, получившая название схемы Хэнша, является в настоящее время наиболее распространенной.

В конце 70-х годов появились первые работы по лазерам с решеткой, установленной в схеме скользящего падения [15, 16] (см. рис. 0.2а). Высокая угловая дисперсия решетки, установленной под большим, порядка 89°, углом к падающему пучку позволяет получить узкополосную и даже одночастотную генерацию, не используя внутрирезонаторные расширители и эталоны [17, 18, 26, 40]. В литературе этот тип резонаторов обычно называют схемой Литтмана - Меткалфа (Littman - Metcalf) или GIG - схемой (от слов Grazing Incidence Grating).

Таким образом, к началу 80-х годов сложились две основные концепции резонаторов узкополосных импульсных лазеров на красителях - с решеткой, установленной в автоколлимационном режиме и внутрирезонаторным расширителем пучка (схема Хэнша) и с решеткой, установленной в схеме скользящего падения (GIG лазеры).

2. Лазеры с резонатором Хэнша

Остановимся подробнее на конструкции лазеров с резонатором Хэнша. Схема лазера приведена на рис. 0. Id. Резонатор образован зеркалом М и дифракционной решеткой G, установленной в автоколлимационном режиме. Внутри резонатора размещается призменный расширитель пучка Е и эталон F. Вывод излучения осуществляется через зеркало, или через отражение от входной призмы расширителя. Комбинация решетка - расширитель обеспечивает ширину линии генерации Av « 2 - 3 ГГц (3-5 мод), использование эталона позволяет достичь одночастотный режим работы лазера, с шириной линии близкой к пределу Фурье: Av « 1/т » 50 МГц (где г - длительность лазерного импульса).

Грубая перестройка лазера осуществляется поворотом решетки, а тонкая - синхронным вращением эталона и решетки. При плавном сканирования частоты лазера требуется синхронизировать изменение длины волны на которую настроен резонатор и его оптической длины так, чтобы не происходило перескока лазерной моды. Наличие в резонаторе двух селектирующих элементов существенно затрудняет практическую реализацию механизма плавного сканирования. Необходимо использовать высокоточные приводы эталона и решетки, и систему управления их совместным движением, требуется также согласование ширины эталона и длины резонатора [6].

В качестве расширителей пучка в резонаторах одномодовых лазеров используются наборы полупризм (в таких призмах свет распространяется перпендикулярно одной из граней) [7, 8, 23, 24]. С ростом коэффициента расширения селективность резонатора увеличивается, однако возрастает и его длина (уменьшается межмодовый интервал), что затрудняет достижение одночастотной генерации. Потери на расширителе в основном определяются отражением от входных граней призм. Расширитель в котором все призмы установлены под углом Брю-

стера к лазерному пучку имеет минимальные потери, однако, в этом случае коэффициент увеличения каждой призмы невелик (равен показателю преломления материала призмы) и для получения высоких коэффициентов расширения требуется использовать большое число призм.

Таким образом, для создания эффективного одночастотного лазера на основе схемы Хэнша требуется тщательная оптимизация всех параметров резонатора [11]. Основным недостатком лазеров этого типа является сложность конструкции, настройки и управления. Несомненным достоинством лазеров с резонатором Хэнша является высокий КПД, который достигает 15%. В настоящему времени на основе этой схемы создан широкий спектр одночастотных импульсных перестраиваемых лазеров с различными активными средами и источниками накачки [8, 11, 13, 14, 22].

3. Лазеры с резонатором Литтмана — Меткалфа

Своего рода альтернативой схеме Хэнша являются резонаторы с решеткой установленной под углом скользящего падения. Схема GIG лазера приведена на рис. 0.2а, резонатор образован зеркалами М1, М2 и дифракционной решеткой G, при этом решетка устанавливается под большим, порядка 85 - 89углом к падающему лучу. Длина волны генерации определяется соотношением

X = A(sin 0 + sin 9), (1)

где X ~ длина волны излучения; Л - период решетки; 6 - угол падения излучения на решетку; ф - угол дифракции. Сканирование лазера осуществляется поворотом зеркала М2 (изменением угла ф). Вывод излучения происходит через зеркальный порядок решетки или через зеркало М1.

Сравним селективность GIG резонатора (рис. 0.2а) и резонатора с решеткой, установленной в автоколлимационном режиме (рис. 0.1а). Из формулы для дифракционной решетки (1) легко получить выражение для ее угловой дисперсии:

= ^ = (2) dk Лсоэф

В резонаторе с решеткой в схеме Литтрова угол дифракции совпадает с углом падения Q(l), который составляет 40 - 60°. В GIG резонаторе излучение дважды испытывает дифракцию. На прямом обходе угол дифракции равен ty(GIG), а на обратном - &(GIG), таким образом, отношение дисперсий GIG резонатора и резонатора с решеткой в схеме Литтрова описывается формулой

Р{аю) _ cosQ{l) COSQ{l) COSQU D{l) cosQ{gig) cos cos

В GIG резонаторе угол повторной дифракции Q(GIG> может быть близок к 90°, поэтому его дисперсия быстро растет с увеличением угла падения на решетку и может значительно, в десятки раз, превышать дисперсию решетки, установленной в автоколлимационном режиме. Таким образом, высокая дисперсия решетки, установленной в схеме скользящего падения делает возможной работу лазера в узкополосном и даже одночастотном режиме без использования внутрирезонаторных расширителей пучка и эталонов.

В отличие от схемы Хэнша, GIG резонатор содержит только один селектирующий элемент, что значительно упрощает механизм плавного сканирования лазера. В GIG резонаторе перестройка частоты осуществляется перемещением только одного оптического элемента (зеркало М2, на рис. 0.2а), тогда как в резонаторе Хэнша необходимо двигать решетку и эталон (G и F на рис Id). Тем не менее практическая реализация механизма плавного сканирования остается сложной задачей, поскольку требует использования кинематических элементов сочетающих в себе высокую точность и большой ход [32]. В работе [26] предложен оригинальный способ плавной перестройки, обеспечивающий синхронное изменение длины резонатора и частоты лазера в широком диапазоне. Можно показать, что продольный индекс лазерной моды не будет изменяться во время сканирования частоты, если плоскости всех элементов резонатора, а так же ось вращения перестроечного зеркала М2 пересекаются вдоль общей прямой (см. рис. 0.2Ь). С помощью этого сравнительно простого метода, требующего, однако, использования высокоточной механики и тонкой юстировки, удалось сканировать частоту в режиме одной моды в диапазоне 15 см'1 [18, 27]. Неизбежных неприятностей, связанных с использованием механических приводов, таких как

«жесткий старт» и люфт, можно избежать при гидравлическом сканировании лазера [28, 91]. Интересным и заслуживающим внимания является предложение использовать оптические редукторы для сканирования GIG лазера [29, 30, 31]. В этом случае перестройка лазера осуществляется вращением клина с небольшим углом при вершине, помещенного между решеткой G и зеркалом М2 (см. рис. 2с), при этом скорость сканирования может быть существенно уменьшена, что понижает требования к кинематическим элементам механизма перестройки.

Для достижения одночастотной генерации в GIG лазере требуется установка решетки под углом 89° и более к падающему пучку [18, 19]. Дифракционная эффективность существующих решеток при больших углах падения излучения не п