Многоволновые лазерные системы пико- и наносекундных импульсов УФ- и ИК- спектральных диапазонов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Садовский Сергей Павлович

МНОГОВОЛНОВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ПИКО- И НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ УФ- И ИК- СПЕКТРАЛЬНЫХ ДИАПАЗОНОВ

01.04.21 - Лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ь АВГ 2015

005571276

Москва, 2015 г.

005571276

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук

Научный руководитель:

Гарнов Сергей Владимирович, доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение пауки Институт общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук, заместитель директора.

Официальные оппоненты:

Гордиенко Вячеслав Михайлович, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией сверхсильных световых полей кафедры общей физики и волновых процессов Физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, профессор.

Солохин Сергей Александрович, кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой «Лазерная физика и технология» ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева», доцент

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН).

Защита диссертации состоится 05 октября 2015 года в 15:00 на заседании диссертационного совета Д002.063.03 при ИОФ РАН по адресу г. Москва 119991, ул. Вавилова, 38, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН.

Автореферат разослан < > июля 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Воляк Т.Е.

тел. +7(499) 501-8147

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Многообразие задач исследовательского и технологического характера, решение которых требует наличия источников когерентного излучения с оптимальными для каждой задачи параметрами, а именно: длины волны, энергии, мощности, длительности импульса, ширины спектра, частоты повторения импульсов и т.д., предопределяет повышенный интерес к создашпо и развитию новых лазерных систем. К настоящему времени известно огромное число активных лазерных сред, на которых получена генерация в ультрафиолетовом (УФ), видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах. Однако до сих пор существуют спектральные области, для которых отсутствуют источники лазерного излучения, либо их характеристики не соответствуют предъявляемым требованиям.

Существенно расширить диапазон длин волн позволяют методы нелинейной оптики: за счет преобразования излучения во вторую и высшие гармоники, вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР) [1] и параметрической генерации света (ПГС) [2]. Особенностью последнего является возможность плавной перестройки длины волны и настройка на конкретную, требуемую в эксперименте частоту лазерного излучения.

Наличие источников излучения высокой мощности в ультрафиолетовом диапазоне представляет чрезвычайно важный интерес с точки зрения их практического применения в фотохимии, фотолитографии, УФ-спектроскопии, для обнаружения следов загрязняющих веществ в атмосфере, фотоабляции органических материалов, в системах масс-спектрометрии и для решения многих других задач. Особое место занимает проблема создания спектрально перестраиваемых источников УФ-импульсов ультракороткой длительности с высокой пиковой мощностью. Такие источники необходимы, в частности, для создания когерентного ВУФ-излучения в области 10-100 нм.

Одним из основных способов получения УФ-излучения высокой пиковой мощности и ультракороткой длительности (УКИ) является использование

связки: задающий пико- или фемтосекуидиый генератор импульсов и эксимерный усилитель [3]. Исторически в первых работах по генерации УКИ в УФ-области в качестве задающих генераторов использовались лазеры на красителях [4-6], которым присущи существенные недостатки по сравнению с твердотельными лазерами: быстрая деградация красителя, жесткие требования к стабильности лазера накачки, сложность системы синхронизации. В настоящее время для генерации УФ-излучения ультракороткой длительности активно используются твердотельные системы на основе титан-сапфировых (П:8а) лазеров с последующим нелинейно-оптическим преобразованием излучения [7-9]. Одпако они также не лишены ряда недостатков. К ним можно отнести сложность настройки Тква-лазерной системы, высокие требования к стабильности лазера накачки и жесткие требования к условиям окружающей среды. Поэтому реализация эффективного задающего твердотельного генератора УФ-излучения с импульсами короткой и ультракороткой длительности на длинах волн эксимерных лазеров, который был бы лишен вышеуказанных недостатков, является важной и актуальной задачей.

Двухчастотные лазеры с возможностью перестройки частоты излучения представляют научный и практический интерес в таких областях, как локация, спектроскопия, создание настраиваемых на заданную частоту лазерных терагерцевых источников. При этом перспективными являются двухчастотные лазеры, в которых выходное излучение генерируется в результате внутрирезонаторной селекции длин волн [10-12]. Излучение таких лазеров, в отличие от излучения, например, двух отдельных лазеров, автоматически совмещено во времени и в пространстве.

Таким образом, исследования, направленные на решение перечисленных задач, являются актуальными как с научной, так и с практической точек зрения.

Цель работы

Экспериментальное исследование и разработка схем преобразования лазерного излучения ближней инфракрасной области в область вакуумного

ультрафиолета, исследование модуляционных характеристик новых пассивных модуляторов добротности лазеров, разработка новых пикосекундных и наносекундных двухчастотных лазерных систем.

В соответствие с этим в работе решались следующие основные задачи:

1. Создание на базе Кс13+:У АР-лазера (Х=1079 им) твердотельного генератора излучения пикосекундной длительности с длиной волны А=248 им с возможностью последующего усиления его излучения в КгР-эксимерной активной среде.

2. Создание на базе Кс13+:УЛО-лазсра (Х=1064 нм) твердотельного генератора излучения пикосекундной длительности с длиной волны \=193.4 нм с возможностью последующего усиления его излучения в АгР-эксимерпой активной среде.

3. Исследование и использование нового нелинейно-оптического материала — кристалла гадолшгай-галлиевого граната Со2+:Сёз0а50)2 в качестве модулятора добротности лазеров, генерирующих излучение в спектральном диапазоне 1.3-1.7 мкм.

4. Создание двухчастотного пикосекундного 4-лазера с перестраиваемым спектральным интервалом в диапазоне нескольких единиц нанометров между генерируемыми длинами волн: \=1064±2 нм.

Научная новизна работы

1. Разработана и создана полностью твердотельная лазерная система, генерирующая УФ-пикосекупдные импульсы с длиной волны \=248 нм, основанная на безрезонаторном параметрическом преобразовании излучения оптических гармоник и их комбинаций Ш3 4: УАР-лазера (\=1079 нм).

2. Впервые создана полностью твердотельная лазерная система, генерирующая перестраиваемые в диапазоне 191-200 нм длин волн УФ-пикосекундные импульсы, основанная на безрезонаторном параметрическом преобразовании излучения оптических гармоник и их комбинаций Ш,+:УАО-лазера (\=10б4 нм).

3. Впервые исследован и использован в качестве модулятора добротности лазеров, генерирующих излучение в диапазоне длин волн 1.3-1.7 мкм, новый кристалл Со2+:Сс1зСа5012. Измерены сечения поглощения иона Со2+ на длине волны Х=1535 нм из основного и метастабильного состояний. С использованием пассивного затвора С02+:0сЬ0а50]2 реализована модуляция добротности излучения лазера на эрбиевом стекле (Х=1.535 мкм) и лазеров на кристаллах Ш3+:УАО (Х=1.3 мкм) и Ш3+:УУ04 (Х=1.34 мкм).

4. Впервые осуществлена плавная перестройка разности длин волн излучения (ДХ=1.2-4.4 нм) двухчастотного лазера на основе кристалла Кс13+:УУ04, вырезанного вдоль оси а, для с-поляризации излучения на переходе неодима *А1\ю (Х=1064нм) в режимах свободной генерации, модуляции добротности и синхронизации мод совместно с модуляцией добротности.

Практическая ценность работы

Созданная в данной работе лазерная система с длиной волны генерации Х=193 нм используется в исследованиях, которые направлены на создание генераторов направленного электромагнитного излучения СВЧ-диапазона на базе УФ-фотокатодов [13].

Исследованный новый кристалл Со2+:ОёзСа5012, обладающий необходимым качеством пассивного затвора и применим в качестве модулятора добротности в лазерах с длинами волн генерации Х=1.3—1.7 мкм. В частности, такой затвор может быть использован при разработке безопасных для зрения (длина волны Х=1.535 мкм) импульсных лазеров с активными элементами из эрбиевого стекла.

Созданный двухчастотный лазер с перестраиваемой в диапазоне от 1.2 до 4.4 нм разностью генерируемых длин волн открывает перспективы получения узкополосного терагерцового излучения с возможностью настройки частоты излучения на окно прозрачности атмосферы, например на частотах 0.63, 0.64, 0.71 ТГц.

Основные положения н результаты, выносимые па защиту

1. Пикосекундные импульсы на длине волны Л=248 нм могут быть получены с использованием одного твердотельного Ыс13+:УАР-лазера за счет последовательного преобразования его излучения (А=1079 нм) во вторую и третью оптические гармоники, безрезонаторной параметрической генерации и генерации суммарной частоты.

2. Пикосекундные импульсы на длинах волн Л=191—200 нм могут быть получены с использованием одного твердотельного Nd3+:YAG-лазера за счет последовательного преобразования его излучения (Х=1064 нм) во вторую и четвертую оптические гармоники, безрезонаторной параметрической генерации и генерации суммарной частоты.

3. Пассивный затвор на основе кристалла Co2+:Gd3Ga50 12 позволяет осуществлять модуляцию добротности лазеров генерирующих наносекундные импульсы на длинах волн 1.3, 1.34 и 1.535 мкм.

4. Двухчастотное излучение лазера на основе кристалла Nd3+:YV04 (Х=10б4 нм) с плавной перестройкой разности длин волн в пределах ДХ=1.2-4.4 нм может быть получено с использованием набора эталонов Фабри-Перо в режимах свободной генерации, модуляции добротности и синхронизации мод совместно с модуляцией добротности.

Достоверность полученных результатов обеспечивается высоким уровнем использованного экспериментального оборудования; сопоставлением данных, полученных различными методами; применением современных теоретических представлений и методов обработки при анализе данных; сравнением полученных результатов с имеющимися литературными данными; воспроизводимостью результатов.

Личный вклад соискателя в диссертационную работу заключается в активном участии в постановке задач, определении способов их решения, проведении экспериментальной работы, анализе и интерпретации полученных данных, написании статей и апробации результатов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции Advanced Laser Technologies, ALT'09

(г. Анталия, Турция, сентябрь 2009), Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, лазерам, их приложениям и технологиям ICONO/LAT'2013 (г.Москва, Россия, июнь 2013), Одиннадцатом Международном Междисциплинарном Семинаре LPpM3-XI (г. Будва, Черногория, сентябрь 2013), Международной конференции Advanced Laser Technologies, ALT'13 (г. Будва, Черногория, сентябрь 2013), Седьмой всероссийской школе для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям (г. Москва, июль 2013), Всероссийской школе для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям (г. Санкт-Петербург, июнь 2014), Международной конференции «Оптика лазеров 2014» (г. Санкт-Петербург, июль 2014).

Публикации

Результаты работы по теме диссертации изложены в 9 научных публикациях (6 статей в научных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК).

Структура и объем

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, списка используемой литературы. Общий объем диссертации составляет 105 страниц, включая 45 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, представлена научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Изложены основные научные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения об апробации работы и личном вкладе автора.

Первая глава носит обзорный характер, в ней проведен анализ современного состояния проблем, затронутых в диссертации. Дан обзор работ по генерации лазерных импульсов короткой длительности, использованию нелинейно-оптических преобразований для генерации коротковолнового

излучения. Рассмотрены способы получения двухчастотного излучения. Проанализированы результаты, опубликованные в научной литературе.

В параграфе 1.1 представлен обзор современных методов генерации лазерных импульсов короткой длительности. Рассмотрены материалы, пригодные для использования в качестве пассивных лазерных затворов для модуляции добротности и синхронизации мод в широком спектральном диапазоне.

В параграфе 1.2 изложены основные принципы оптической параметрической генерации и усиления лазерного излучения и генерации суммарной частоты.

В параграфе 1.3 рассмотрены способы и методы генерации коротковолнового УФ-излучения ультракороткой длительности с использованием связки генератор-эксимерный усилитель.

Проведено сравнение основных параметров твердотельных лазерных систем и эксимерных лазеров, излучающих в УФ-диапазоне. Дан обзор методов измерения контраста излучения усиленных в эксимерных усилителях УФ-лазерных импульсов. Рассмотрена проблема возникновения суперлюминесценции при усилении затравочного импульса и способы её дискриминации.

В параграфе 1.4 рассмотрены методы получения двухчастотной лазерной генерации. Проанализированы работы по генерации двухчастотного лазерного излучения с возможностью перестройки длины волны.

Во второй главе представлены результаты проведенных исследований по генерации УФ-пикосекундных лазерных импульсов и их усиления в эксимерных усилителях.

В параграфе 2.1 описана основанная на нелинейно-оптическом преобразовании излучения Nd34":YAP-лазера (Х=1079 нм) методика генерации пикосекундных импульсов с длиной волны \=248 нм, которые могут быть эффективно усилены в KrF-эксимерном усилителе. Представлен анализ возможных схем преобразования и обоснован выбор предложенной и

используемой в работе схемы: генерация излучения на суммарной частоте (ГСЧ: (248 нм)~'=С798 нм)~'+(359.6 нм)~') совместно с безрезонаторной параметрической генерацией света (ПГС: (539.5 нм)~'=(798 нм)~'+(1б65 нм)-1), где \=539.5 нм и \=359.б нм — вторая и третья оптические гармоники Ш3+:УАР-лазера.

Представлен расчет используемой в работе схемы параметрического генератора-усилителя на основе нескольких кристаллов, при которой расходимость параметрического излучения и пространственный снос луча минимальны. Дана оценка спектральной ширины параметрических волн.

Описана разработанная экспериментальная лазерная установка (Рис. 1), которая состоит из задающего генератора лазерного излучения (ЗГ) и двухкаскадного усилителя основной гармоники (У), генераторов второй (ГВГ) и третьей (ГТГ) оптических гармоник, параметрического генератора-усилителя света (ПГС) и генератора суммарной частоты (ГСЧ).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для генерации излучения с длиной волны >-=248 нм. ЗГ - задающий генератор Щ3+: У АР-лазер (/,=1079 нм), У - усилитель основной гармоники, 11=1079 нм, >^=539.5 нм и >.3=359.6 нм - длины волн основного излучения, второй и третьей гармоник, >«=798 нм, ^=1665 нм - сигнальное и холостое излучение параметрического генератора, ВВОь ВВ02 - кристаллы второй и третьей гармоник, ВВ03.5 — кристаллы параметрического генератора, ВВО,; - кристалл суммарной частоты, У2 - полуволновая фазовая пластинка.

В качестве генератора исходного лазерного излучения на длине волны Х=1079 нм использовался твердотельный Ш3+:УАР-лазер со следующими параметрами: частота повторения импульсов 2 Гц, энергия импульса до 10 мДж, длительность импульсов 30 пс.

Излучение Ш3+:УАР-лазера преобразовывалось в излучение сигнальной волны ПГС с длиной волны Х=798 нм и возможностью плавной её перестройки в спектральном диапазоне от 750 до 830 нм. Излучение на суммарной частоте с длиной волны Х=248 нм имело следующие параметры: энергия импульса 40 мкДж, спектральная ширина ДХ=2 нм.

Таким образом, экспериментально показана возможность генерации пикосекундных импульсов с длиной волны Х=248 нм на базе Ш1+:УЛР-лазера с использованием выбранной схемы преобразования его излучения.

В параграфе 2.2 описана методика генерации пикосекундных импульсов с перестраиваемыми в диапазоне 191—200 нм длинами волн на основе преобразования излучения Ы<1,+:УАО-лазера (Х=1064 нм). Представлен анализ возможных схем преобразования и обоснован выбор используемой в работе схемы генерации излучения с длиной волны Х=193 нм: генерация излучения на суммарной частоте (ГСЧ: (193 пмУ'=(708 нм)~'+(2бб нм)"1) совместно с безрезонаторной параметрической генерацией света (ПГС: (532 нм)~'=(708 нм)~'-К2134 нмГ1), где Х=532 нм и Х=266 нм — вторая и четвертая оптические гармоники Ш3+:УАО-лазера.

Представлен расчет используемой в работе схемы параметрического генератора-усилителя на основе нескольких кристаллов, при которой расходимость параметрического излучения и пространственный снос луча минимальны. Дана оценка спектральной ширины параметрических волн.

В работе описана разработанная экспериментальная лазерная установка (Рис. 2), состоящая из задающего генератора лазерного излучения (ЗГ) и двухкаскадного усилителя основной гармоники (У), генераторов второй (ГВГ) и четвертой (ГЧГ) оптических гармоник, параметрического генератора-

усилителя света (ПГС), генератора суммарной частоты (ГСЧ) и АгР-эксимерного усилителя.

В качестве генератора исходного лазерного излучения на длине волны Л=1064нм использовался твердотельный Ш+:УАО-лазер со следующими параметрами: частота повторения импульсов 2 Гц, энергия импульса до 23 мДж, длительность импульсов 35 пс.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки для генерации излучения с длиной волны Я.=193 нм. ЗГ — задающий генератор Ш3+:УАО-лазер (Я.=1064 нм), У — усилитель основной гармоники, CL 7000 — ArF-усилитель, P-1/S1 — электронно-оптическая камера, >-i=1064 нм, А.2=532 нм и /ч=266 нм — длины волн основного излучения, второй и четвертой гармоник, >,=708 нм, X¡=2140 им - сигнальное и холостое излучение параметрического генератора, ВВС),, ВВ02 — кристаллы второй и четвертой гармоник, ВВ03.5 — кристаллы параметрического генератора, ВВ06 — кристалл суммарной частоты, П12 — кварцевые призмы, D]_3 — апертурные диафрагмы.

В результате последовательных преобразований исходного излучения получены пикосекундные импульсы с длительностью 15±3 пс и энергией 7 мкДж на длине волны \=193 нм.

Благодаря возможности перестройки длины волны сигнального излучения ПГС в диапазоне 665-850 нм, были получены УФ-пикосекундные импульсы с длинами волн от 191 нм до 200 нм и энергией 4—8 мкДж (Рис. 3).

i

, X=191-200 hm

I Ы. J IjlU

*as -.Tt -я 'se мо 2&г го:

Длина волны (нм)

U

Рис. 3. Перестраиваемое в области длин волн 191-200 нм УФ-излучение пикосекундных импульсов.

Описаны эксперименты по усилению пикосекундных УФ-импульсов с длиной волны \=193 нм в трехпроходном ArF-эксимерном усилителе. Экспериментально получено излучение с длиной волны Л.=193 нм, с энергией импульса до 8 мДж и длительностью 15 пс. Вклад суперлюминесценции в полную энергию импульса составлял не более 10%. Измеренный прямым методом с помощью электронно-оптической камеры PS-1/S1 контраст по интенсивности достигал 70-150.

Таким образом, экспериментально показана возможность генерации пикосекундного излучения с длинами волн в диапазоне от 191 нм до 200 нм базе Nd3+:YAG-jrajepa с использованием выбранной схемы преобразования.

В параграфе 2.3 приводятся основные результаты и выводы к Главе 2.

В третьей главе представлены результаты исследования нового оптического материала — кристалла гадолиний-галлиевого граната Co2+:Gd3Ga50i2 для использования его в качестве пассивного затвора-модулятора добротности лазеров, генерирующих излучение в области длин волн А=1.3-1.7 мкм.

В параграфе 3.1 приведены основные спектральные характеристики кристалла Co2+:Gd3Ga50I2.

С использованием излучения лазера на эрбиевом стекле с пассивной модуляцией добротности измерено сечение поглощения иона Со2' в кристалле Со2 :0с130а5012 с основного уровня аВ!.=(4.8±0.5)х КГ см" и сечение поглощения с метастабильного уровня се!=1.4х1(Г20см2, определено отношение ст«/с125=0.3.

В параграфе 3.2 описана схема эксперимента по генерации излучения лазеров на кристаллах Ш3+:УАО (1=1.3 мкм), Ш3+:У\Ю4 (А,=1.34 мкм), Ш3 :0сГУ04 (А=1.34 мкм) в режиме модуляции добротности с пассивными затворами на кристаллах Со2+:Сс13Оа5012 и Со2+:М£А120.,. Полученные экспериментальные данные с наиболее короткими длительностями импульсов, приведены в Таблице 1. На основе этих данных сделан вывод о том, что новый оптический материал С02т:0ё30а5012 по своим модуляционным характеристикам сравним с кристаллом Co2+:MgAl204 и может использоваться в качестве пассивного лазерного затвора.

Таблица 1. Экспериментальные данные с наиболее короткими длительностями импульсов.

Пассивный затвор Активный элемент Длительность импульса, не Частота повторения импульсов, кГц Средняя выходная мощность, мВт Энергия импульса, мкДж

Со2+:МёА1204 ШГУ04(я) 88 150 335 2.2

ШУАй 23 7 165 23

Ы(Шс1У04 (а) 150 110 96 0.9

С02+:0йз0а5012 Ш:УУ04 (я) 100 85 230 2.7

ШУАй 40 400 80 0.2

В параграфе 3.3 описана схема эксперимента по генерации излучения лазера на эрбиевом стекле (А.=1.54 мкм) в режиме модуляции добротности с пассивными затворами на основе кристаллов Со2+:Ос13Са5012 и Со2+:М£А1204. Получена зависимость выходной энергии от энергии накачки (Рис. 4) для режима свободной генерации и модуляции добротности.

1

/ 2

3

-1-.-,-.-,-1-1-,-1-,-,-1

4 5 6 7 6 9

Е^.Дж

Рис. 4. Зависимость выходной энергии импульсов излучения лазеров на эрбиевом стекле от энергии накачки. 1 - режим свободной генерации, 2 — режимы модуляции добротности с пассивным затвором Со2+:№^А120,|, 3-е пассивным затвором С02+:0ё30а5012.

В параграфе 3.4 представлены основные результаты и выводы к Главе 3.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию двухчастотного Ыс13т:УУ04-ла:!сра с перестраиваемыми длинами волн.

В параграфе 4.1 представлена схема двухчастотного лазера (Рис. 5). В качестве активного лазерного элемента использовался кристалл Ш3+:УУ04, вырезанный вдоль оси а. Режим модуляции добротности лазера осуществлялся с помощью акустооптического модулятора АОМ1 (МЗ-Э21М), а режим синхронизации мод реализовывался введением в резонатор дополнительного акустооптического модулятора АОМ2 (АС-1).

Описана методика двухчастотной генерации лазера за счет внесения в резонатор дополнительных спектрально-селективных потерь, которые выравнивают добротность резонатора на разных участках спектра люминесценции активного элемента. В качестве такого селектирующего элемента в работе использовался эталон Фабри-Перо (ФП).

18-, 161412-И10-

а-

£14"

64 -

2-

М2 А0М1 А-Э М1

Рис. 5. Схема двухчастотного пикосекундного Ш3":УУ04-лазера: АЭ - активный элемент; М1-М4 - зеркала: АОМ1, АОМ2 - акустооптические модуляторы; ФП - эталон Фабри—Перо.

В параграфе 4.2 представлены результаты экспериментов по двухчастотной генерации лазера. Приведены спектральные области перестройки выходного двухчастотного лазерного излучения в режиме свободной генерации при внесении в резонатор эталонов Фабри-Перо разной толщины: 80, 97, 130 и 270 мкм (Рис. 6) и области спектральной перестройки при изменении наклона эталона Фабри-Перо толщиной 290 мкм (Рис. 7). Использование эталонов Фабри-Перо позволило изменять и контролировать разность генерируемых лазером длин волн в диапазоне от Д\=1.2 до ДХ=4.4 им. Двухчастотное излучение устойчиво наблюдалось в режиме свободной генерации лазера, в режиме модуляции добротности и в режиме модуляции добротности совместно с синхронизацией мод.

Длина волны излучения (А) Рис. 6. Спектральные области перестройки двухчастотного излучения лазера при внесении в резонатор эталонов ФП разной толщины.

Рис. 7. Спектральные области перестройки двухчаетотного излучения лазера с ФП толщиной 290 мкм при различном наклоне эталона.

При мощности накачки 12 Вт мощность выходного излучения в режиме свободной генерации составила 360 мВт; в режиме модуляции добротности — 300 мВт (при частоте следования импульсов 12 кГц и длительности импульсов 40-60 не); в режиме модуляции добротности совместно с синхронизацией мод — 280 мВт (при частоте следования импульсов 100 МГЦ и длительности импульсов 40-60 пс).

В параграфе 4.3 приведены основные результаты и выводы к Главе 4.

В заключении обсуждаются выводы по результатам диссертации.

Основные результаты и выводы работы

1. Разработан и создан полностью твердотельный генератор УФ-лазерного излучения пикосекундной длительности с длиной волны Х=248 нм, основанный на преобразовании излучения Ыс13+:УАР-лазера (Х=1079 нм) во вторую (1=539.5 нм) и третью (1=359.6 нм) гармоники; безрезонаторной параметрической генерации: (1=798 нм)"'+(1=1665 нм)~'=(1=539.5 нм) 1 и генерации суммарной частоты: (1=248 нм)~'=(1=798 нм)~'+(!=359.6 нм) '.

2. Разработан и создан полностью твердотельный генератор УФ-лазерного излучения пикосекундной длительности с длинами волн в диапазоне

Ä.=191—200 нм, основанный на преобразовании излучения Nd'^YAG-лазера (Х= 1064 им) во вторую (А=532нм) и четвертую (А=266 нм) гармоники, безрезонаторной параметрической генерации: (Х=665-850 нм)-1+(Х=2660-1422 нм)-|=(Х=532 нм)"1 и генерации суммарной частоты: (Х=191-200 нм)~1=(Х=665-850 нм)-1+(Х=359.6 нм)-1. Излучение с длиной волны Х=193.4 нм усилено в ArF-эксимерном усилителе до энергии 8 мДж с контрастом по интенсивности до 150.

3. Впервые исследован и использован в качестве пассивного модулятора добротности кристалл Co2+:Gd3Ga5Oi2. Измерены сечения поглощения на длине волны Л= 1535 нм из основного и метастабильного состояний, составляющие 0^=4.8* Ю-20 см2 и ctcs=1.4><10"20 см2 соответственно. С использованием в качестве пассивного затвора кристалла Co2+:Gd3Ga50|2 осуществлена модуляция добротности излучения лазера на эрбиевом стекле (Х= 1.53 5 мкм) и лазеров на кристаллах Nd3+:YAG (Х= 1.3 мкм) и Nd3+:YV04 (Х=1.34 мкм).

4. Впервые осуществлена плавная перестройка разности длин волн в пределах М=1.2-4.4 нм двухчастотного излучения Ш3+:УУ04-лазера с а-поляризацией излучения на переходе неодима 4F3n—>4Inn (Х=1064 нм) в режиме свободной генерации, модуляции добротности (длительность импульсов 40-60 не) и в режиме синхронизации мод совместно с модуляцией добротности (длительность импульсов 40-60 пс).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Sirotkin A.A., Sadovskiy S.P.. Garnov S.V. 1,3 (im passively Q-switched diode pumped lasers with Co2+ doped crystals as the saturable absorbers // The 17th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT09), Antalya, Turkey, 2009. Book of Abstracts. — P. 101

2. Кравченко В.Б., Садовский П.И., Соболев A.T., Захаров Л.Ю., Садовский С.П. Кристалл GGG:CoSt — нелинейно-оптический материал для диапазона 1.3-1.7 мкм // Квант, электроника. 2009. Т. 39. № 12. — С. 1121-1124.

3. Изынеев Л. А., Садовский П.И., Садовский С.П. О возможности увеличения энергии импульса эрбиевого минилазера на стекле с пассивной модуляцией добротности // Квант, электроника. 2010. Т. 40. № 5. — С. 389-392.

4. Садовский С.П. Источник пикосекундных УФ-лазерных импульсов на основе параметрического преобразования излучения // Труды 54-й научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе». Москва-Долгопрудный-Жуковский: МФТИ. 2011. — С. 55-56

5. Sadovskiy S.P.. Sirotkin A.A., Garnov S.V. Tunable two-frequency ст-polarized Nd:YV04-YV04 laser // The 21th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT13), Budva, Montenegro, 2013. Book of Abstracts. — P. 159

6. Сироткин A.A., Садовский С.П., Гарнов C.B. Двухчастотный пикосскундный лазер на композитных кристаллах ванадатов с ст-поляризацией излучения // Квант, электроника. 2013. Т. 43. № 7. — С. 600-602.

7. Брендель В.М., Букин В.В., Гарнов C.B., Багдасаров В.Х., Садовский С.П.. Чижов П.А., Долматов Т.В., Лоза О.Т., Литвин В.О., Тараканов В.П., Терехин В.А., Трутнев Ю.А. Сверхсветовой источник направленного импульсного широполосного электромагнитного излучения // Формирование, обработка и регистрация электромагнитных полей. М.: Наука, 2014. —- С. 59-65. (Труды ИОФАН. Т. 70).

8. Садовский С.П.. Чижов П.А., Букин В.В., Брендель В.М., Долматов Т.В., Поливанов Ю.Н., Орлов С.Н., Гарнов C.B., Вартапетов С.К. Пикосекундная лазерная система с длиной волны 193 нм на основе твердотельного Nd:YAG лазера, парметрического генератора и ArF усилителя // Формирование, обработка и регистрация электромагнитных полей. М.: Наука, 2014. — С. 73-78. (Труды ИОФАН. Т. 70).

9. Садовский С.П.. Чижов П.А., Букин В.В., Брендель В.М., Долматов Т.В., Поливанов Ю.Н., Воробьев Н.С., Смирнов A.B., Гарнов C.B., Вартапетов С.К. Генерация пикосекундных УФ импульсов на основе Nd3 ': YAG лазера с

усилением в ArF-усилителе // Квант, электроника. 2015. Т. 45. № 3. — С. 189192.

Список цитируемой литературы

1. Faust W.L., Henry С.Н. Mixing of visible near-resonance infrared light in GaP // Phys. Rev. Letts. 1966. V. 17. № 25. — P. 1265.

2. Giordmaine J.A., Miller R.C. Tunable coherent parametric oscillation in LiNb03 at optical frequencies // Phys. Rev. Lett. 1965. V. 14. № 24. — P. 973976.

3. Попов B.B. Мощные эксимерные лазеры и новые источники когерентного излучения в вакуумном ульрафиолете // УФН. 1985. Т. 147. № 3. — Р. 587-604.

4. Maeda M. М.Т., Sato A., Uchino О., Miyazoe Y. UV picosecond pulse amplification by a XeCl laser // Appl. Phys. Lett. 1980. V. 36. № 8. — P. 636638.

5. Egger H., Luk, T.S., Boyer, K., Muller, D.F., Pummer, H., Srinivasan, T., Rhodes, C.K. Picosecond, tunable ArF* excimer laser source // Appl. Phys. Lett. 1982. V. 41. № 11, —P. 1032- 1034.

6. Ringling J., Kittelmann O., Noack F. Efficient generation of subpicosecond seed pulses at 193 nm for amplification in ArF gain modules by frequency mixing in nonlinear optical crystals // Opt. Lett. 1992. V. 17. № 24. — P. 1794-1796.

7. J. Ringling K., F. Noack, G. Korn and J. Squier. Tunable femtosecond pulses in the near vacuum ultraviolet generated by frequency conversion of amplified Tirsapphire laser pulses // Opt. Lett. 1993. V. 18. № 23. — P. 2035-2037.

8. Kouta H., Kuwano Y. Attaining 186-nm light generation in cooled b-BaB204 crystal // Opt. Lett. 1999. V. 24. № 17. — P. 1230-1232.

9. Zhang F.F., Yang F., Zhang S.J., Xu Z., Wang Z.M., Xu F.L., Peng Q.J., Zhang J.Y., Wang X.Y., Chen C.T., Xu Z.Y. A picosecond widely tunable

deep-ultraviolet laser for angle-resolved photoemission spectroscopy // Chin. Phys. B. 2013. V. 22. № 6. — P. 3.

10. Zhou R., Zhang В., Ding X., Cai Z., Wen W., Wang P., Yao J. Continuous-wave operation at 1386 nm in a diode-end-pumped Nd:YVC>4 laser // Optics express. 2005. V. 13. № 15. — P. 5818-5824.

11. Yu H., Zhang H„ Wang Z., Wang J., Yu Y., Zhang X., Lan R., Jiang M. Dual-wavelength neodymium-doped yttrium aluminum garnet laser with chromium-doped yttrium aluminum garnet as frequency selector // Applied Physics Letters. 2009. V. 94. № 4. — P. 041126.

12. Сироткин A.A., Гарнов C.B., Власов В.И., Загуменный А.И., Заварцев Ю.Д., Кутовой С.А., Щербаков И.А. Двухчастотные лазеры на кристаллах ванадатов со взаимно параллельной и ортогональной поляризациями генерируемого излучения // Квант, электроника. 2012. Т. 42. № 5. — С. 420-426.

13. Брендель В.М., Букин В.В., Гарнов С.В., Багдасаров В.Х., Садовский С.П., Чижов П.А., Долматов Т.В., Лоза О.Т., Литвин В.О., Тараканов В.П., Терехин В. А., Трутнев Ю.А. Сверхсветовой источник направленного импульсного широполосного электромагнитного излучения // Формирование, обработка и регистрация электромагнитных полей. М.: Наука, 2014. — С. 59-65. (Труды ИОФАН. Т. 70).

Подписано в печать:

17.07.2015

Заказ № 10859 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru