Нелинейная динамика генерации многомодовых лазеров в применении к внутрирезонаторной лазерной спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОТДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ И АСТРОНОМИИ

ИНСТИТУТ СПЕКТРОСКОПИИ 'Г>Ги ОД

? р А(?г 9ППЯ

На правах рукописи

Виноградов Сергей Евгеньевич ,

УДК 621.373.826

НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ГЕНЕРАЦИИ , МНОГОМОДОВЫХ ЛАЗЕРОВ В ПРИМЕНЕНИИ К ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Специальность - 01.04.05 - оптика

, Автореферат......

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2000

Работа выполнена в отделе Люминесценции отделения Оптики Физического Института им. П.Н.Лебедева Российской Академии Наук.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Э.А.Свириденков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Вадим Николаевич ' 1 Сорокин

кандидат физико-математических наук

Владимир Романович Мироненко

Ведущая организация • Институт Химической ' и м ' Н ;! .■ • И П; ¡\! ; Физикийм. Н.Н.Семенова РАН

и; ¡1 ¡1 .п. )<! Г ;; ; ) Г!П! И ■ ! Защита диссертации состоится " ¿г^ш Л^/^

2000 г. в ___ часов на заседании специализированного

совета К002.39.01 по специальности 01.04.05 (оптика) в по адресу: Москва, Ленинский пр-т, 53, Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института спектроскопии РАН. ' ' ■ -

Автореферат разослан " '" 2000 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

канд. физ.-мат. наук ЦмШг В.А.Чуенков

ъъчч, а с о о.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Создание и развитие лазерной техники привело к существенному расширению возможностей оптическйх методов исследования и появлению ряда принциггйально новых методов.

Наиболее чувствительным методом спектрального анализа в настоящее время является метод внутрйрезона-торной лазерной спектроскопии (ВРЛС). Этот метод основан на высокой чувствительности спектрального распределения излучения широкополосного многомодово-го лазера к наличию частотнозависимых потерь в резонаторе лазера. Высокая чувствительность метода ВРЛС достигается в результате многократного прохождения лазерного излучения сквозь исследуемое вещество в резонаторе.

Высокая чувствительность метода ВРЛ С позволяет его использовать для решения спектрометрических задач, таких как дигностика состава различных газовых сред, определение степени загрязненности атмосферы и обнаружение в ней следов различных веществ. Также, благодаря сочетанию высокой чувствительности с быстродействием, метод ВРЛС находит широкое применение при исследовании кинетики химических реакций, рекомбинаций свободных радикалов и других нестационарных процессов. Высокая чувствительность метода позволяет про-

изводить исследования процессов взаимодействия излучения с веществом, обладающих малым сечением взаимодействия, таких как запрещенные переходы, комбинационное рассеяние и многофотонное поглощение.

Однако, предельная чувствительность метода ВРЛС на несколько порядков не достигала предсказывамых теорией значений. К настоящему времени было хорошо известно, что чувствительность ВРЛС ограничивается квантовыми флуктуациями, определяющими принципиальный предел возможностей детектирования слабых линий поглощения, и нелинейным взаимодействием мод (НВМ), определяющими динамику генерации многомо-додого широкополосного лазера. Также были известны некоторые виды нелинейного взаимодействия, определяющие динамику генерации многомодовых лазеров. Например, вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллю-эна в активной среде приводит к хаотической генерации мод непрерывного лазера на красителе. Неясным оставался вопрос о влиянии других видов НВМ.

Большое число важных .практических применений метода ВРЛС обуславливает актуальность исследования его возможностей, увеличения чувствительности, расширение спектрального диапазона, использование новых лазерных сред, а также, создание мобильных (портативных) внутрирезонаторных лазерных спектрометров.

Основные задачи работы:

1. Определить виды нелинейных взаимодействий, влияющих на динамику генерации лазера на красителе.

2. Компенсировать влияние нелинейных взаимодействий мод лазера на красителе и добиться максимальной чувствительности метода ВРЛС.

3. Создать внутрирезонаторный спектрометр на полупроводниковых лазерах и получить на нем высокую чувствительность ВРЛС.

Основные защищаемые положения

1. Экспериментально обнаружено, что за автоколебательный режим генерации кольцевого однонаправленного лазера на красителе отвечает четырехвоЛновое параметрическое взаимодействие мод в активной среде (ЧПВ) при неэквидистантных модах резонатора.

2. Создан кольцевой однонаправленный лазер на красителе с изменяемой дисперсией резонатора, на котором получены следующие результаты:

• Динамика генерации, определяемая ЧВП, зависит от величины неэквидистантности мод и мощности генерации и не зависит от знака дисперсии.

• При эквидистантных модах ЧВП затухает и динамика генерации приходит в соответствие с теорией, описываемой балансными уравнениями.

• Экспериментально получены рекордные значения: — Длительность непрерывной генерации отдельных

мод и экспоненциальный рост провалов в линиях

5

поглощения, как минимум, до 0,1 сек. —Чувствительность метода ВРЛС по провалу 1 /е лучше, чем К = Ш = ю-10 см1.

3. Получена бесселективная генерация полупроводникового лазера во внешнем резонаторе.

4. Продемонстрирована возможность использования инжекционного диодного лазера с внешним резонатором для метода ВРЛС, получены первые спектры внутрирезонаторного поглощения с использованием полупроводниковых лазеров с устраненной селекцией потерь. Получено значение чувствительности ВРЛС по провалу 1/е с использованием диодного лазера порядка 10'5 см1.

Научная новизна:

1. В диссертационной работе впервые было экспериментально получено время непрерывной генерации мод многомодового лазера на красителе порядка 100 мсек. Получена рекордная чувствительность метода ВРЛС порядка 10"10 см'1.

2. Впервые экспериментально обнаружено, что, благода-

ря компенсации влияния вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и четырехволнового параметрического взаимодействия в активной среде, динамика генерации многомодового лазера на красителе приходит в соответствие с теорией усредненных балансных уравнений на временах не менее 100 мсек.

3. Впервые получен бесселективный спектр генерации ин-

жекционного полупроводникового диодного лазера во внешнем резонаторе.

4. Впервые получены спектры внутрирезонаторного по-

глощения с использованием полупроводниковых лазеров с устраненной селекцией потерь. Получено значение чувствительности ВРЛС по провалу 1/е с использованием диодного лазера порядка 105 см1. Практическая ценность:

1. Результаты исследования причин, ограничивающих

чувствительность метода ВРЛС, проведенные в настоящей работе, могут быть использованы при конструировании лазерных спектрометров, основанных на методе ВРЛС. Показано, что чувствительность таких спектрометров по провалу 1/е может быть лучше, чем К= Ш= 10-|Осм-'.

2. Полученный бесселективный спектр генерации инжек-

ционного полупроводникового диодного лазера во внешнем резонаторе говорит о возможности применения таких лазеров в качестве перестраиваемых источников излучения.

3. Продемонстрирована возможность использования ин-

жекционного диодного лазера с внешним резонатором для метода ВРЛС. Впервые создан бесселективный внутрирезонаторный лазерный спектрометр на полупроводниковом лазере с чувствительностью порядка 10'5 см1, обладающий малыми габаритами и

7

низким энергопотреблением. Апробация работы:

Материалы диссертационной работы докладывались

1. И Всесоюзном совещании по когерентнЬш и нелинейным эффектам во внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. (Ленинград, 1991)

2. Международной конференции 11th Symposium and

School on High-Resol,ution Molepular Spectroscopy. Капри, 1993

3. Международной конференции 51 Ohio State University International Symposium on Molecular Spectroscopy. Огайо, 1996. IH h ; 1

4. Международной конференции 12 Symposium and School on High Resolution Molecular Spectroscopy. Petergof, 1996.

5. Международной конференции 7th International workshop on laser physics (LPHYS"98). Берлин, 1998.

6. Международной конференции German-Russian laser symposium. Мюнхен, 1999

7. Семинарах Физического института им. П.Н.Лебедева РАН и Института спектроскопии РАН. Публикации:

Основное содержание диссертации опубликовано в 7 научных статьях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и приложения, содержит 107 страниц машинописного текста, в том числе 53 рисунка, и список литературы, включающий 98 наименований.

Содержание работы

Во Введении дан краткий обзор работ, посвященных методу ВРЛС и динамике генерации многомодовых широкополосных лазеров, сформулированы основные задачи диссертации, кратко излагается ее содержание.

Первая глава посвящена теоретическому обзору, описывающему динамику генерации многомодовых широкополосных лазеров с помощью усредненных балансных уравнений. Рассматривается зависимость интенсивности генерации отдельных мод, ширины спектра и глубины провалов в линиях поглощения от времени от начала генерации.

Показано, что существует три характерных временных шкалы: начало многомодовой генерации и насыщение коэффициента усиления (установление полной интенсивности генерации) на временах порядка 10"7 сек, конкуренция мод в виде сужения спектра генерации лазера как 1/ VI и экспоненциального роста провалов в линиях поглощения внутрирезонаторно исследуемого образца на временах до 1 сек, определяющийся квантовыми флуктуаци-ями стационарный режим (прекращение сужения спект-

9

ра генерации и роста провалов) на временах больше 1 сек.

Рассмотрены причины ограничения чувствительности метода ВРЛС: квантовые флуктуации и некоторые виды нелинейного взаимодействия мод. Определены характерные времена, на которых нелинейное взаимодействие мод начинает определять динамику генерации мно-гомодового лазера. Оценены характерная и теоретически предельная чувствительность метода ВРЛС.

Вторая глава диссертации рассматривает нелинейную динамику генерации многом одового непрерывного лазера на красителе (НЛК).

В §1 описываются оптические переходы в молекуле красителя и необходимые параметры лазеров на красителе, в частности, необходимая плотность мощности накачки.

В §2 представлено описание экспериментальной установки, на которой производилась данная работа. Установка представляла собой оптический стол на виброизолированной платформе, на котором размещался аргоновый лазер накачки, электронная система прерывания накачки и оборудование для создания струи раствора красителя. На оптическом столе собирались различные схемы лазеров на красителе, излучение которых вводилось в самодельный спектрометр с фотохронографической или оптоэлектрической многоканальной регистрацией.

§3 посвящен экспериментальному исследованию кинетики генерации лазера стоячей волны на красителе. Пред-

10

ставлена полученная зависимость ширины спектра генерации НЛК от превышения накачки над порогом, т.е. от плотности мощности излучения в резонаторе. Представлены фотохронограммы (временные развертки) спектров генерации НЛК со спектральным разрешением продольных мод при различных превышениях накачки над порогом. Из факта заметного уменьшения длительности генерации отдельных мод НЛК при увеличении плотности мощности в резонаторе сделан вывод о влиянии нелинейных процессов взаимодействия мод на динамику генерации НЛК. Характерные средние времена генерации отдельных мод лежат в пределах 0.2 — 2 мсек.

§4 — обзор теоретических работ, рассматривающих влияние вынужденного рассеяния Манделыптама-Брил-люэна на динамику генерации многомодового НЛК.

В §5 представлено экспериментальное исследование динамики генерации многомодового кольцевого НЛК бегущей волны, в котором устранено влияние вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна на динамику генерации НЛК. Спектр генерации такого НЛК, как показано на приведенных фотохронограммах, испытывает во времени автоколебания всегда из коротковолновой в Длинноволновую область спектра. Период автоколебаний уменьшается при увеличении накачки или отности-тельного заполнения резонатора оптическими элементами. Характерное среднее время генерации отдельных мод составило 8 — 15 мсек.

В §6 приведено теоретическое рассмотрение влияния четырехволнового параметрического взаимодействия мод в активной среде (ЧПВ) на динамику генерации НЛК. Ставится задача для дальнейших экспериментов: создать НЛК с эквидистантными модами и попытаться добиться затухания ЧПВ.

Третья глава диссертации представляет собой экспериментальной исследование динамики генерации кольцевого НЛК бегущей волны с изменяемой дисперсией резонатора.

В §1 описывается схема такого НЛК и четырехприз-менный способ изменения дисперсии резонатора, аналогичный используемому в фемтосекундной технике. Приведенные фотохронограммы иллюстрируют специфику динамики генерации такого НЛК при различных значениях дисперсии резонатора-положительной, отрицательной и нулевой. Впервые обнаружено, что направление и период автоколебаний спектра генерации НЛК бегущей волны не зависит от знака дисперсии, а зависит только от ее абсолютной величины. При нулевой дисперсии (случай эквидистантных мод) автоколебания прекращаются.

§2 посвящен исследованию динамии генерации колце-вого НЛК бегущей волны с нулевой дисперсией резонатора (с эквидистантными модами). Представлены несколько серий экспериментов с фотохронографической и оптоэлектрической многоканальной регистрацией вре-

менного поведения спектров генерации НЛК показывающие, что теперь влияние нелинейных взаимодействий устранено на временах не менее 80— 100 мсек. На таких временах (времена генерации больше 100 мсек были в экспериментах недоступны в силу несовершенства оборудования) непрерывно продолжается сужение спектра генерации как, 1М и провал в линиях поглощения растет экспоненциально. Достигнута, рекордная чувствительность метода ВРЛС лучше чем 10"10 см-1. Длительность генерации отдельных мод лазера всего лишь на порядок не достигает теоретического предела, определяемого квантовыми флуктуациями.

г В^З; приведены эксперименты с кольцевым НЛК бегущей ]?олцы с, изменяемой дисперсией резонатора с селекцией мод, который показал такие же особенности динамики генерации, как и такой же бесселективный НЛК. Этот факт позволяет уменьшить более чем на порядок число лазерных уравнений при численном моделировании таких НЛК.

Четвертая глава диссертации посвящена попытке использования полупроводникового лазера в методе ВРЛС.

В §1 писывается важность поставленной задачи. Обычные ВРЛС-спектрометры используют крупногабаритные (обычно, аргоновые) лазеры накачки, отличающиеся высоким энергопотреблением и требующие специального охлаждения. Полупроводниковые же лазеры накачивают-

ся импульсом тока порядка десятков миллиампер при напряжениях в несколько вольт. Применение полупроводниковых лазеров в методе ВРЛС позволило бы сделать портативные спектрометры, обладающие высокой чувствительностью и работающие в области спектра 800 — 1200 нм, где присутствуют обертонные линии поглощения многих, интересных с точки зрения ВРЛС, веществ.

Сложность применения полупроводниковых лазеров состоит в том, что активная среда таких лазеров имеет высокий показатель преломления (п > 4) и очень большой коэффициент усиления (порядка 104—105 см-1). При таких условиях коэффициента отражения от грани кристалла с избытком хватает для генерации полупроводникового лазера на собственных гранях. Для метода ВРЛС требуется, наоборот, генерация во внешнем резонаторе.

§2 посвящен описанию экспериментальной установки. Описывается метод изготовления полупроводникового диодного лазерного кристалла с брюстеровскими гранями, позволяющий получить генерацию полупроводникового лазера не на собственных гранях, а во внешнем резонаторе. Также приводится описание самодельного спектрографа и системы регистрации.

Приводятся характерные спектры генерации таких лазеров. Рассматриваются экспериментально обнаруженные особенности спектрального поведения генерации: аномальное смещения полосы генерации при увеличении длительности импульса накачки, удвоение частоты пара-

14

зитной селекции кристалла при увеличении интенсивности накачки, а так же зависимость относительной глубины паразитной селекции и отношение интенсивностей генерации к суперлюминесценции в зависимости от превышения накачки над порогом.

Приводятся впервые полученные спектры бесселективной генерации полупроводникового лазера во внешнем резонаторе и спектры внутрирезонаторного поглощения паров калия.

Чувствительность метода ВРЛС, полученная экспериментально на полупроводниковом инжекционном лазере, оказалась порядка 105 см-1, что на несколько порядков меньше, чем ожидалось теоретически. Обсуждаются причины ограничения чувствительности.

В Заключении приведены основные результаты, полученные в диссертации.

Основные результаты описаны ранее в разделе «Защищаемые положения»

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных статьях (в реферируемых научных журналах):

1. Виноградов, А. А. Качанов, С.А. Коваленко, Э.А. Сви-риденков. "Нелинейная динамика многомодового лазера на красителе с изменяемой дисперсией резонатора и чувствительность внутрирезонаторной лазерной спектроскопии." Письма в ЖЭТФ, 1992,том 55,вып. 10, стр. 560-563.

2. (1*) S.E. Vinogradov, A.A Kachanov, S.A. Kovalenko, E.A.Sviridenkov "Nonlinear Dynamics of a Multimode Dye Laser With an Adjustable Resonator Dispertion and Sensitivity of Implications for the In-resonator Laser spectroscopy". JETP Lett., vol. 55, № 10, 1992, p. 581585.

3. S.E. Vinogradov, A.A Kachanov, S.A. Kovalenko, N.A. Raspopov, E.A.Sviridenkov. "Nonlinear Dynamics of a Multimode Fang Dye Laser With an Adjustable Cavity Dispertion and Sensitivity of Intracavity Laser spectroscopy". SPIE. Proceedings of 11th Symposium and School on High-Resolution Molecular Spectroscopy, 1993. pp 476-482.

4. B.JI. Величанский, C.E. Виноградов, Э.А. Свириден-ков, Г.Г. Харисов "Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия с использованием полупроводниковых лазеров." Письма в ЖЭТФ, 1995, том 61, вып. 2, стр. 87-90.

г I 16

5. (4*) V.L.Velighanskii, S.E.Vinogradov, E.A.Sviridenkov, and G.G.Kharisov "In-resonator laser spectroscopy with semiconductor lasers." JETP Lett., vol. 61, № 2,25,1995, pp. 91-94

6. N.A. Raspopov, E.A. Sviridenkov, S.E. Vinogradov. "Intracavity Laser Spectroscopy". SPIE. The proceeding of 51 Ohio State University International Symposium on Molecular Spectroscopy. June 10-14,1996. Page 109-114.

7. S.E.Vinogradov, G.G.Kharisov, E.A.Sviridenkov, V.L.Velichanskii. "Introcavity laser spectroscopy with diode lasers." Laser Physics, vol.9, № 2,1999, p.548-551.

Отпечатано в тип. «ТРОВАНТ» 142190, Троицк Московской области, микрорайон «В», д.39. Тел. 334-09-67 ЛР №071961 от 01.09.99.

Подписано в печать 7.07.2000. Формат 60x84/16. Печ. л. 1. Тираж 70. Заказ 0707/4