Управление спектральными и временными характеристиками длинноимпульсного 0,5-мкс ХеCl лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ----------

ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н.Лебедева

Р Г Б ОД

1 О ШОП На правах рукописи

УДК 621.373

КУРБАСОВ Сергей Владиславович

/ПРАВЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫМИ И ВРЕМЕННЫМИ

ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДЛИННОИМПУЛЬСНОГО 0,5-мкс ХеС1 ЛАЗЕРА

(Специальность 01.04.21 - Лазерная физика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Троицк 1995

Работа выполнена в лаборатории Применения Лазеров отделения Квантовой Радиофизики Физического института им. П.Н.Лебедева Российской Академии Наук.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник С.В.Ефимовский

доктор физико-математических наук В.М.Борисо'в

ТРИНИТИ (г.Троицк Московской обл.)

кандидат физико-математических наук

Е.М.Кудрявцев

Физический институт РАН

Институт Общей Физики РАН.

10-«

Защита состоится " 2Г" 199 У года в часов

на заседании Специализированного Ученого Совета К002.39.01 в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН по адресу: 117942, ГСП-1, Москва, В-333, Ленинский проспект, 53, Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН.

Автореферат разослан " " 199 5""года

Ученый секретарь

Специализированного Ученого Совета К002.39.01 к.ф.-м.н.

В.А.Чуенков.

-———""ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Мощное УФ излучение, генерируемое им-льсными эксимерными лазерами (ЭЛ), широко используется в настоящее ъмя в ряде научных и прикладных задач. Сюда можно отнести лазерную работку материалов, лазерную спектроскопию, создание комбинационных тараметрических генераторов света, мониторинг в земной атмосфере, ла-шую литографию, лазерную медицину и т.д. Для этих и других задач неводимо УФ излучение, обладающее определенным набором параметров, <их как дифракционная расходимость, узкая линия генерации, пере-юйка частоты, высокая (или наоборот низкая) пиковая мощность лазер-го пучка с определенной энергией и т.п. Возможности генерации цобного излучения традиционными ЭЛ с накачкой самостоятельным разном ограниченны, из за малой ~ (10-50) не длительности импульса гене-щи, что при типичной длине резонатора ~ (0,5-1) м дает lie более ~ (5) проходов излучения в резонаторе на этапе формирования генерации, этому до сих пор задача генерации УФ излучения с требуемыми сцек-альными, временными и пространственными характеристиками решалась основном с помощью сложных лазерных комплексов, содержащих ЭЛ шь в качестве оконечных усилителей. В последние годы значительные -¡лия разработчиков были направленны на увеличение времени генера-и ЭЛ с накачкой самостоятельным разрядом. В результате был создан ц т.н. длинноимпульсных ЭЛ (см. например ]1|), время генерации кото-х превышает 200 не. Возникшая в результате этого возможность увели-гшя числа проходов излучения в резонаторе ЭЛ (до величин ~ 100) врывает перспективы создания гораздо более простых источников излу-лия для указанных задач.

Наилучшие результаты среди всех длинноимпульсных ЭЛ с накачкой состоятельным разрядом достигнуты для ХеС! лазера (длина волны гене-ии Я ~ 308 нм). Для этого лазера подробно изучены причины ограниче-

ния длительности импульса генерации. Предложены способы увеличения до микросекундного уровня [2]. Хорошо исследованы генерационные удельные характеристики. Так максимальная длительность по полувысс импульса свободной генерации этого лазера может составлять до г( /2 ~ 1 мкс [3]. При Г[/2 ~ 200 не достигнут КПД т] ~ 5% [4], а максимальн энергия генерации составила 20 Дж [5]. Однако, характеристики усилен длинноимпульсного ХеС1 лазера изучены недостаточно. Поэтому важн является задача детального изучения спектрального распределения и в; менной эволюции усиления в этом лазере.

Значительное увеличение времени существования инверсии и * следствие увеличение числа проходов излучения в резонаторе лазера этапе формирования генерации, достигнутое в длинноимпульсном ХеС1 . зере, открывает пути использования его для генерации высококогерента УФ излучения методами внутрирезонаторной селекции. В связи с этим, туальной является задача практического применения длинноимпульсн ХеС1 лазера для создания источников УФ излучения с высокими сп тральными и временными параметрами.

В соответствии с вышесказанным, целью настоящей работы было:

1. Экспериментальное определение спектральных и временных характе стик усиления ХеС1 лазера с накачкой самостоятельным разрядом д

„ тельностыо > 0,5 мкс при удельной мощности накачки < 100 кВт/см3 также, создание на этой основе узкополосного плавно перестраиваем лазера для задач лазерной спектроскопии.

2. Исследование режима активной синхронизации мод в длинноимпуг ном ХеС1 лазере и создание эксимерного генератора УКИ для приме ния его в качестве задающего генератора в лазерных комплексах ; генерации УФ излучения высокой мощности.

.учная новизна работы заключается в следующем:

"Диапазон плавной перестройки частоты генерации ХеС1 лазеров расширен до > 200 см'1 (полная девиация частоты генерации). Впервые для ХеС! лазеров получена генерация на переходе 1-5 молекулы ХеС!*. Энергия генерации составила > 70 мкДж. Измерено спектральное распределение коэффициента усиления слабого сигнала молекул ХеСГ в диапазоне 307,5-308,8 нм при накачке активной среды самостоятельным разрядом длительностью > 0,5 мке и удельной мощностью < 100 кВт/см3.

Длительность УКИ, генерируемых ХеС1 лазером в режиме активной синхронизации мод уменьшена до ~ 100 пс. Получены цуги с полной длительностью > 300 не, состоящие из более чем 60 субнаносекундных импульсов.

Получена плавная перестройка несущей частоты цугов 100-пс УКИ, генерируемых длинноимпульсным ХеС1 лазером в режиме активной синхронизации мод. Диапазон перестройки составил (307,6-308,6) нм (полная девиация частоты ~ 100 см'1).

Осуществлена инжекционная синхронизация мод длинноимпулъспого ХеС1 лазера с неустойчивым телескопическим резонатором. В результате создан ХеС1 лазер, генерирующий цуги УФ УКИ с энергией ~ 70 мДж и содержащие до 60 импульсов. Длительность отдельного импульса составила < 150 пс.

ручная и практическая ценность работы.

Созданный плавно перестраиваемый длинноимпульсиый ХеС1 лазер позволяет получать когерентное излучение вблизи А = 308 нм со следующими характеристиками:

• полная девиация частоты Дг> 200 см"1, монохроматичность 8v< 3,5 см4, энергия генерации W> 100 мкДж.

• полная девиация частоты Лу> 140 см"1, монохроматичность

1 см-1, энергия генерации У7> 5 мкДж. Указанный источник лазерного излучения может быть применен в спе* троскопических экспериментах.

2. Созданный на основе длинноимпульсного ХеС1 лазера эксимерный з дающий генератор 100-пс УФ УКИ может быть использован в соста! лазерных комплексов для проведения экспериментов по взаимоде ствию излучения с веществом.

3. Созданный эксимерный ХеС1 лазер, сочетающий в себе возможное генерации УКИ длительностью ~ 100 пс и плавной перестройки нес щей частоты генерируемых цугов с девиацией 100 см'1 может бы использован для построения источников оптической накачки, а также лазерной химии и спектроскопии.

4. Созданный ХеС1 лазер, генерирующий цуги УФ УКИ с энергией ~ мДж может использоваться в экейериментах по взаимодействию из/ чения с веществом.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Увеличение времени существования инверсии до ^ 0,5 мке, достигнут в длинноимпульсном ХеС! лазере с накачкой самостоятельным разряд длительностью > 0,5 мке и удельной мощностью ~ 100 кВт/см3, де возможность получать эффективную лазерную генерацию на слабых 1 реходах терма В-»Х молекулы ХеСГ (1-5, 0-5).

2. При указанных выше условиях накачки, возможно расширение диапа на плавной перестройки частоты генерации ХеС1 лазера до Зу>. 200 см

3. Увеличение числа проходов излучения в резонаторе длинноимпульсн« ХеС1 лазера до > 100 позволяет генерировать цуги 100-пс УКИ при тивной синхронизации мод в этом лазере.

4. Несущая частота цугов 100-пс УКИ, генерируемых длинноимпульсн ХеС1 лазером в режиме активной синхронизации мод, может плавно

рестраиваться в диапазоне от 307,64 до 308,65 нм (полная девиация частоты ~ 100 см'1)-

тробация работы. Основные результаты работы докладывались на XIII еждуггародной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Минск 88), на V Международной конференции по лазерным наукам (ILS-V, anford, USA, August 27-30, 1989), нп XIV Международной конференции когерентной и нелинейной оптике (Ленинград 1991), на 7 Международ-й конференции "Оптика лазеров" (Санкт-Петербург 1993), на научном минаре по квантовой радиофизике Физического института им. Н.Лебедева РАН.

/бликации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, 2 из х — тезисы докладов на международных конференциях.

руктура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, гырех глав, Заключения и списка цитируемой литературы из 105 наиме-ваний. Полный объем диссертации 156 страниц, включая 45 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, излагает цели и говные результаты работы. Здесь же представлена структура диссерта-знной работы и защищаемые положения. Дан список работ, опублико-шых по материалам Диссертации.

Первая глава "Конструкция и основные параметры длинноимпульс-•о 0,5-мкс ХеС1 лазера" имеет вводное значение. Здесь описаны методы тижения длительности генерации ХеС1 лазеров > 0,5 мкс. Приводится [нципиальная схема и основные параметры источника накачки длинно-аульсного ХеС1 лазера, использованного при проведении экспериментов, «ечается, что использование схем накачки с двойным разрядом позволя-не только получать объемные разряды большой длительности, но и вы-ие значения КПД лазера. Последнее относится и к короткоимпульсным

системам. Описывается конструкция и приводятся параметры лазерных мс дулей. Приводятся основные генерационные и удельные характеристик] рассматриваемого лазера. При размерах активной среды 50x2,5x2 см опи санный длинноимпульсный ХеС1 лазер мог генерировать импульсы с дл^ тельностью свыше 0,5 мкс по полувысоте и энергией более 0,2 Д> (удельный энергосъем ~ 0,8 Дж/л). При этом КПД, рассчитанный по запг сенной во всех источниках накачки энергии, достигал ~ 1,2% (1,7% п энергии, запасенной в основном источнике накачки). Приводится сравне ние характеристик данного длинноимпульсного лазера с другими аналоги1 ными системами [1].

Вторая глава "Управление спектром и плавная перестройка частот1 генерации длинноимпульсного ХеС1 лазера" посвящена исследованию во: можностей управления спектром генерации и перестройки ее частоты, от крываемых длинноимпульсными ХеС1 лазерами. Большое внимание уделен вопросам расширения диапазона плавной перестройки частоты генераци ХеС1 лазера. Во введении дан обзор основных достижений в данной облас ти, полученных, в основном, с использованием короткоимпульсных систе!* Отмечено, что несмотря на весьма высокий уровень достигнутых характ« ристик, потенциальные возможности широкодиапазонной перестройки, д; ваемые активной средой ХеС1 лазеров, реализованы далеко не полносты [6]. Обсуждаются требования к характеристикам селективного резонатор, необходимые для реализации максимально широкого диапазона перестрой ки. На основании простых качественных оценок продемонстрирован основные преимущества длинноимпульсных ХеС1 лазеров при получени генерации на слабых переходах молекул ХеСГ. В частности показано, что традиционном 50-нс ХеС1 лазере для формирования генерации на переход 1-5 требуется минимум 40 не, это практически исключает возможное! эффективной генерации короткоимпульсных лазеров на данном перехода При аналогичных условиях в длинноимпульсном 0,5-мкс ХеС1 лазере дл формирования генерации на переходе 1-5 требуется время ~ 200 не, ч

1Воляет..рассчитывать"hF получение эффективной генерации данного ла->а на слабых переходах молекулы ХеСР.

В §1 содержится описание экспериментальной установки, использо-шой при изучении возможностей управления спектром генерации и пе-ггройки ее частоты в длинноимпульсном XeCl лазере. В качестве дрирезонаторного спектрального селектора использовался один эталон бри-Перо (ЭФП). Плавная перестройка частоты генерации лазера в пре-¡ах области свободной дисперсии эталона производилась путем измсне-1 угла его наклона к оси резонатора лазера. Такой выбор оптической ¡мы обеспечивал малый уровень вносимых в резонатор потерь, что в 1Ю очередь, при правильном выборе параметров ЭФП, давало возмож-:ть получать генерацию на слабых переходах молекулы ХеСР. Для реги-■ации спектра излучения, генерируемого длинноимнульсным ХеС.1 ером, в этих экспериментах применялся самодельный решеточный спек-'Граф. В качестве дисперсионного элемента в нем использовалась репли-дифракционной решетки с частотой нарезки 2400 штрихов/мм. Спектр истриропался во втором порядке дифракции с помощью ПЗС-линейки, формация с которой поступала в персональный компьютер (IBM).' Реаль-: спектральное разрешение данной системы составляло ~ 0,6 см"1, при риле обзора > 200 см'!.

В §2 приводятся описания методик калибровки спектрографа, прове-ия экспериментов и обработки полученных результатов. Для калибров-использовался спектр свечения разряда в газообразном неоне, истрируемый в первом порядке дифракции. Приводится оценка точности ой калибровки. Показано, что абсолютная погрешность измерений длин н с помощью данного спектрографа составляет ~ 0,016 нм. Сравнение оторых спектроскопических данных из работ других авторов (длины н для переходов ХеСГ 0-1 и 0-2, наблюдаемых в свободной генерации и ожения пиков поглощения радикала ОН) с результатами, полученными тисываемой главе, подтверждает справедливость такой оценки абсолют-

ной погрешности. Для суммарной оценки перестроечных характеристи ХеС1 лазера в данной и последующих главах используются т.н. "обзорны спектры". В §2 приводится описание алгоритма построения таких спектрс и использования их для анализа полученных результатов. В частности, № казано, что пики поглощения, присутствие которых довольно трудно уст новить по спектрам одиночных импульсов, отчетливо проявляются 1 обзорных спектрах.

Экспериментальные результаты представлены в §3. Для управлет спектром и перестройки частоты генерации длинноимпульсного ХеС1 лазе{ использовались эталоны с различной резкостью (Р = 0,6; 4,5; 11; 30). П казано, что для подавления генерации на одном из сильных переходов м лекулы ХеСГ (0-1 или 0-2), одновременно присутствующих в спект; свободной генерации ХеС1 лазеров, достаточно эталона с резкостью Р ~ 0 и областью свободной дисперсии ~ 50 см'1. В результате полная ширш генерируемого лазером спектра уменьшается от ~ 26 см-1 (расстояние меэ ду линиями этих переходов) до (2-4) см-1 (ширина отдельной линии). П добная монохроматизация может быть полезна в ряде применени например при синхронизации мод или при селективном лазерном во действии на вещество.

Для плавной перестройки частоты генерации использовались эталон с резкостью Р £ 4,5. Ширина области свободной дисперсии этих эталон« устанавливалась > 200 см1. Соответствующие полуширины аппаратнь контуров пропускания эталонов были при этом 50; 20,5; 6,7 ел

(для эталонов с Р = 4,5; 11; 30 соответственно). Рассматривается влияш спектрального распределения усиления активной среды лазера на ширщ и форму генерируемого спектра. Показано, что в случае длинноимпульсн го ХеС1 лазера для устранения этого влияния необходимо иметь полушир ну аппаратного контура эталона ^ 6,7 см-1.

Наилучшие результаты по ширине диапазона плавной перестрой' частоты генерации лазера были достигнуты с эталоном, имевшим Р =

Угу/20,5 см-1). С данным ЭФП получена, перестройка частоты генера-ии лазера на переходах 1-5, 1-6, 1-7, 0-0, 0-1. 0-2, 0-3, 0-4, 0-5 молекулы еСГ. Полная девиация частоты генерации ХеС1 лазера составила в этих сспериментах > 200 см Достигнутая ширина диапазона плавной псрс-гройки частоты генерации является рекордной для всех типов ХеС1 лазе-эв. Помимо генерации на всех переходах молекулы ХеСГ\ генерация на )-горых наблюдалась в работах других авторов, получена также генерация плавная перестройка частоты на переходе 1-5, до этого в генерации не 1блюдавшемся. Обзорный спектр длин волн генерации длинноимпульсного еС1 лазера, полученный с этим эталоном приведен на Рис. 1а.

Полная девиация частоты генерации ХеС1 лазера с эталоном, левшим Р ~ 30 {3\\/2 ~ 6,7 см'1) составила ~ 140 см"1 при ширине геие-фуемого спектра < 1 см"1. Обзорный спектр длин волн генерации лазера, слученный с этим эталоном приведен на Рис.1б. Данный источник был :пользован в Главе 3 для исследования спектрального распределения ко-рфициента усиления слабого сигнала в активной среде длинноимпульсно-ХеС.1 лазера. Уменьшение ширины диапазона плавпой перестройки 1стоты генерации по сравнению с эталоном, имевшим Р ~ 11 (¿'г^/о- 20,5 г!). объясняется повышением уровня потерь, вносимых в резонатор лазе-I эталоном с ^ = 30 {8у\/ч ~ 6,7 см-1)- Отмечается, что в УФ области [ектра достижение низкого уровня потерь при столь высоких значениях ^зкости требует очень высокой точности обработки поверхностей зеркал алона. Поэтому, для улучшения достигнутых результатов предпочтителен :реход к схемам, содержащим два эталона с умеренным уровнем резкости ' ~ 10), изготовление которых гораздо проще и дешевле.

В заключительном параграфе главы приводится сводка основных ре-льтатов и выводы из них. Подчеркивается, что получение этих результа-

а)

б)

60 О

1-5 1-6 1-7 0-0 0-1 0-2 0-3 0-4 0-5

н—,—■—,—,—|—,—,—,—,—|—,—,—I—

.00 307.50 308.00 308.50 309.00 Длина волны (нм)

1-7 0-0 0-1 0-2 0-3 0-4 0-5

307.00 307.50 308.00 308.50 309.00 Длина волны (нм)

Рис.1. Обзорные спектры генерации длннноимпульсного 0,5-мкс ХеС1 лаа ра, полученные при плавной перестройке частоты с помощью внутриреэ наторных ЭФП: а) Р = 11 (&/1/2 = 20,5 см"1); б) Р = 30 {Зу1/2 = 6,7 см1)

)в оказалось возможным благодаря значительному (по сравнению с тра-щионными ХеС1 лазерами) увеличению числа проходов излучения в ре-шаторе, достигнутому в длинноимпульсном ХеС1 лазере.

Третья глава "Спектральные и временные характеристики усиления тинноимпульсного ХеС1 лазера" посвящена исследованиям спектрального определения и временной эволюции коэффициента усиления слабого 1гнала в активной среде длинноимпульсного ХеС1 лазера. Во введении от-гчается, что особенности этой активной среды, по сравнению с коротко-апульсными системами, делают такие исследования весьма актуальными, таким особенностям относятся, прежде всего, используемые в этом лазе> низкие концентрации НС1 (ряс/ ^ 1 Тор) и низкие уровни удельной тщности накачки (Р,/г) < 100 кВт/см3). Также, для длинноимпульсного еС1 лазера (как следует из самого названия), характерны значительно зльшие времена существования объемной фазы разряда (г> 0,5 мкс). Во !едении приводится обзор результатов исследований спектральных и вре-гнных характеристик усиления в ХеС1 лазерах, полученных другими ав->рами (в основном для короткоимпульсных ХеС1 лазеров [7], т.к. для шнноимпульсных эти характеристики исследованы мало).

В §1 дастся описание экспериментальной установки, использованной зи проведении указанных измерений. Рассматриваются две оптические :емы типа "задающий генератор - однопроходовый усилитель", с помощью )торых возможно непосредственное измерение коэффициента усиления [абого сигнала в активной среде лазера. В одной из них и задающий гене-»тор и однопроходовый усилитель реализованы на основе одного модуля шнноимпульсного ХеС1 лазера. Другая схема измерений построена с применяем двух отдельных модулей. Описывается методика регистрации [ектральных и временных характеристик лазерного излучения, использо-щная для измерений коэффициента усиления слабого сигнала в активной >еде ХеС1 лазера. Регистрирующая система включала в себя спектрограф, алогичный описанному в Главе 2, а также два канала измерения мощ-

ности/энергии лазерного излучения. Измерения энергии производила путем аналогового интегрирования сигналов фотодетекторов, пропорции нальных мощности падающего излучения. Благодаря соответствующее выбору параметров системы оказалось возможным уверенно измеря: (погрешность измерений < 3%) энергии лазерных импульсов на ypoBf нескольких десятков наноджоулей. Все энергетические измерения выпо, нялись под управлением персонального компьютера (IBM) в автомат ческом режиме одновременно с регистрацией спектральных характернее лазерных импульсов.

В §2 описаны экспериментальные методики, использованные п{ определении спектрального распределения и временной эволюции коэфф ufreHfa усиления слабого сигнала в активной среде длинноимпульсно ХеС1 лазера. Приводятся калибровочные зависимости каналов энергетич ских измерений, позволяющие оценить величины погрешностей измерен! энергий и их отношений. Обсуждается вопрос о происхождении одного в да этих погрешностей, обусловленного неоднородностью и ограничен» эмиссионной способностью фотокатодов приемников излучения. Привода ся практический способ снижения этих погрешностей до приемлемо уровня (-3%).

Даются оценки величины коэффициента усиления слабого сипш необходимой для достижения порога генерации при коэффициентах от{ жения выходного зеркала RBbiX = 10% и Reux = 20%. Показано, что в р; сматриваемых экспериментальных условиях этот коэффициент долж составлять не менее 0,027 см1 и 0,02 см-1 (для указанных значений Rgt соответственно. Описана, также методика определения временного хс коэффициента усиления лазера во всем интервале времени существован инверсии. Подробно рассматривается методика построения спектральнс распределения коэффициента усиления лазера на основании результат серий экспериментов, в ходе которых частота задающего генератора пе страивалась с малым шагом ~ (2-3) см'1.

В §3 приведены экспериментальные результаты. Показано, что при .-пользовании рабочей смеси, состоящей из 1 Top HCl: 10 Тор Хе и неоно-л"о буфера при полном давлении 2,7 атм, порог генерации в длинноим-^льсном ХеС1 лазере с резонатором, имеющим коэффициент отражения входного зеркала Rsbix - 10%, достигается при уровне удельной мощ-эсти накачки Put) - 80 кВт/см3. Согласно приведенным оценкам, это ¡качает, что коэффициент усиления слабого сигнала при такой удельной □щности накачки составляет g0 ä 0,027 см-1. Отмечается, что данная ^нка методом калиброванных потерь, дает лишь усредненные по времени по спектру результаты.

Приведены результаты измерений временной эволюции коэффициен-I усиления слабого сигнала в длинноимпульсном ХеС1 лазере, полученные использованием одномодульной схемы. Экспериментальные зависимости жведены для двух составов рабочей смеси лазера: 0,5 Top HCl : 5 Тор Хе 2,7 атм Ne и 0,85 Тор НС! : 8,5 Тор Хе : 2,7 атм Ne при удельной мощ-)сти накачки 55 кВт/ем3 и 100 кВт/см3. Отмечается, что чем выше (сльная мощность накачки, тем выше усиление, но меньше интервал вре-гни существования инверсии. Так при удельной мощности накачки Руд = )0 кВт/ем3 время существования инверсии не превышает ~ 500 не, в то >емя как в случае = 55 кВт/см3 это время больше 600 не. Усиление [Я исследованных смесей тем выше, чем больше концентрация HCl. Вели-жа коэффициента усиления слабого сигнала g0 имеет сравнительно пьтео-ie значения go ~ 0,02 см-1 при Руд ~ 50 кВт/см3 и gQ > 0,03 см'1 при Руд 100 кВт/см3. Этот результат находится в полном согласии с данными, ^лученными методом калиброванных потерь.

Недостатком одномодульной схемы измерений является принципи-ьная невозможность определения значений коэффициента усиления ла-ра в период формирования генерации. Регистрация временного хода иления в длинноимпульсном XeCi лазере во всем интервале времени су-гствования инверсии оказалась возможной при применении двух незави-

симых лазерных модулей. Результаты, полученные в такой схеме, также представлены в §3.. Параметры накачки усиливающего модуля в этих экспериментах были следующие: рабочая смесь — 1 Top HCl: 10 Тор Хе: 2,7 атм Ne; удельная мощность накачки — Руд ~ 50 кВт/см3. Задающий генератор был настроен на длину волны Л = 308,11 нм (переход 0-2 молекулы ХеСГ). Соответствующая зависимость показана на Рис.2а. Установлено, что время существования усиления (по уровню 0,1) составляет ~ 600 не, а величина коэффициента усиления слабого сигнала в средней части импульса накачки составляет ~ 0,023 см"1. Отмечается хорошее совпадение этих результатов с аналогичными величинами, полученными другими способами. Также, обращается внимание на наличие характерных колебаний коэффициента усиления во времени. Дается объяснение такого поведения коэффициента усиления длинноимпульсного ХеС1 лазера.

Измерено спектральное распределение коэффициента усиления слабого сигнала длинноимпульсного ХеС1 лазера. Зависимость снята в диапазоне длин волн (307,55 - 308,65) нм для рабочей смеси, состоящей из 1 Top HCl: 10 Тор Хе: 2,7 атм Ne при удельной мощности накачки — Руд -50 кВт/см3. Определение коэффициента усиления производилось по отношениям энергий усиленного и входного пучков. На Рис.2б показано полученное в этих экспериментах распределение. Отмечается хорошее совпадение значения коэффициента усиления на центральной длине волны перехода 0-2 молекулы ХеСГ со значениями, полученными на основании "мощностных" измерений. Проведено сравнение полученной зависимости с аналогичными результатами других авторов для короткоимпульсных систем [8]. Отмечается, что уменьшение коэффициента усиления длинноимпульс ного ХеС1 лазера вследствии меньшего уровня удельной мощности накачка происходит равномерно на всех длинах волн в исследованном диапазоне.

В заключение главы приводится сводка основных результатов и вы воды из них.

0.025

о

5

-е-

■е-

о о

0.005

-0.005 1

400

**

"ГА

•¡¡Я

-'лв

600

800

Время, (не)

к —■

X '

0) 2 ^

5 ^

о га > с;

, га

£ и X о

-е-ю

О со О с; ^ О

0.03 0.025 0.02 0.015 0.01

0.005

0-2

71 .] о| о- А -3*

-СМ) / и в® т, в в/ к рт ' ? 1 в.вв

в в ® • ••

307 307.5 308 308.5

Длина волны, (нм)

309

ис.2. Зависимость коэффициента усиления слабого сигнала длинноим-ульсного 0,5-мкс ХеС1 лазера от времени (а) и спектральное распределе-ие коэффициента усиления слабого сигнала (б). Рабочая смесь 1 Тор НС1 10 Тор Хе : 2,7 атм №, удельная мощность накачки Руд = 50 кВт/см3.

Четвертая глава "Генерация УКИ с длительностью до 100 пс пр активной синхронизации мод длинноимпульсного ХеС1 лазера" посвящен исследованиям режима активной синхронизации мод длинноимпульсног ХеС1 лазера, направленным на создание на его основе задающего генератс ра УФ УКИ. Решение этой задачи дает возможность существенно упро< тить реализацию лазерных систем, генерирующих УФ излучение высоко мощности. Также в данной главе, рассмотрен один из возможных вариа! тов построения таких систем, а именно — схема инжекционной синхрош зации мод на основе ддинноимпульсных ХеС1 лазеров, созданная дл исследований по взаимодействию излучения с веществом. Во введени дается обзор работ; посвященных генерации УКИ с помощью эксимерны ХеС1 лазеров, и основных достижений в этой области. Отмечается, что дл получения высоких результатов необходимо большое число проходов изл; чения в резонаторе лазера на стадии формирования генерации. Длинноиг пульсный ХеС! лазер, по сравнению с традиционными короткоимпульсным системами, дает уникальную возможность увеличения этого числа до вел! чины > 50. Это позволяет рассчитывать на достижение высокого качестг синхронизации мод с использованием обычного акусто-оптического модул: тора.

В §1 содержится описание экспериментальной установки, использ' ванной при изучении режима активной синхронизации мод длиннот пульсного ХеС1 лазера и инжекционной синхронизации мод. Дли^ резонатора задающего генератора составляла ~ 80 см. Для синхронизаци мод использовался серийный акусто-оптаческий модулятор МЛ-202 раб чие поверхности которого были просветлены для излучения на длине во. ны Я ~ 308 нм. Частота возбуждения модулятора составляла ~ 95 МГц была стабилизирована с помощью кварцевого резонатора. Подводимая модулятору мощность могла достигать ~ 1 Вт. При этом глубина модулящ-мощности непрерывного лазерного излучения на длине волны Я = 632 к достигала -40%. Для селекции поперечных мод в резонатор задающе

энератора помещалась диафрагма, диаметр которой выбирался в диапазоне 3,8-2,0) мм (число Френеля резонатора 0,7-3). С целью управления спек-ром генерируемого излучения, в резонатор помещался эталон Фабри-Перо. ¡спользовались эталоны с резкостью Р ~ 0,6; 11; 30. Конструкция несущих пемснтов резонатора задающего генератора позволяла контролируемым 5разом изменять его длину в диапазоне ¿10 мм с точностью ~ 0,1 мм.

В §1 описывается, также измерительный комплекс, использованный эи проведении данных экспериментов. В состав комплекса входила ско-эстная электрооптическая камера (ЭОК) типа "Агат СФ-1", скоростной ирокополосный осциллограф С7-19 и решеточный спектрограф, описаний в Главе 2. Для регистрации интенситограмм одиночных импульсов, поучаемых па экране ЭОК, и для регистрации спектра генерируемого 1зером излучения применялись две однотипные ПЗС-линсйки. Информа-1Я с этих линеек считывалась, накапливалась и обрабатывалась с по-эщью персонального компьютера (1ВМ). Для регистрации формы перируемых цугов УКИ использовался коаксиальный фотоэлемент типа ЭК-22СПУ, сигнал от которого подавался на вход осциллографа и си-ему синхронизации измерительного комплекса.

В этом же параграфе описывается схема ипжекцконной синхрониза-;и мод длинноимпульсного ХеС1 лазера, использованная для получения гов УКИ с энергией > 50 мДж, необходимых для исследований по вза-юдействию излучения с веществом. Инжекция излучения от описанного цающего генератора производилась в неустойчивый телескопический ре-натор другого длинноимпульсного ХсС1 лазера. Коэффициент увеличения устойчивого резонатора составлял М = 1,5. Регистрация параметров из-чения управляемого лазера производилась аналогично регистрации пара-тров задающего генератора.

В §2 дается описание методик калибровки измерительной аппарату, выбора оптимальных рабочих параметров акусто-оптического модулято-и проведения экспериментов. Калибровка масштабов разверток ЭОК

производилась с помощью одновременной регистрации двух УКИ, один из которых получался путем задержки другого на точно известное время. Это достигалось применением оптической линии задержки.

Отмечается важность надлежащего согласования частот акустического резонатора модулятора и подводимого к нему радиочастотного напряжения. Подобное согласование (при заданной частоте возбуждения) может быть достигнуто путем соответствующего выбора рабочей температуры модулятора. Установлено, что в случае рассогласования указанных частот на величину ~ 30.кГц, коэффициент модуляции снижается почти вдвое. Подчеркивается, что поддержание постоянного коэффициента модуляции в процессе измерения зависимости длительности УКИ от взаимного согласования частоты модуляции и межмодового интервала резонатора лазера, является необходимым для получения корректных результатов.

В §3 приводятся результаты экспериментов по активной и инжекци-онной синхронизации мод длинноимпульсного ХеС1 лазера. Достигнута устойчивая генерация цугов УФ УКИ (см. Рис.За) с длительностью отдельных импульсов ~ 100 пс (Рис.Зб).

Измерены зависимости длительности генерируемых лазером УКИ от взаимного согласования частоты модуляции и межмодового интервала резонатора при различных диаметрах внутрирезонаторной диафрагмы. Установлено, что существенные изменения длительности УКИ происходят при отстройке длины резонатора от оптимального значения на величину > ±1 мм. Отмечается, что данный результат находится в соответствии с результатами качественных оценок для данных экспериментальных условий. Длительность отдельных УКИ при оптимальной длине резонатора и диаметре диафрагмы £> = 1,0 мм (число Френеля резонатора, ~ 1,2) составляла ~ 190 пс. При уменьшении диаметра диафрагмы до = 0,8 мм (Ыф ~ 0,7) длительность УКИ сокращалась до 120 пс. Повидимому, данный результат объясняется улучшением модового состава генерируемого излучения.

120

л н о 100

0 1 —- 80

1 ш 60

о О

i — 0) 40

н- x 20

0

105 пс

200 400 600 800 Время, (пс)

307.5 307.75 308 308.25 308.5 308.75 Длина волны (нм)

:.3. Осциллограмма цуга УКИ (а), интенситограмма одиночного УКИ (б) бзорный спектр длин волн генерации (в) длинноимпульсного ХеС1 лазе-в режиме активной синхронизации мод.

Измерена зависимость длительности УКИ от порядкового номера и» пульса в цуге. Установлено, что в случае длинноимпульсного ХеС1 лазер эта зависимость не имеет явных тенденций к возрастанию или убывани] по мере увеличения порядкового номера импульса. Показано, что в резул: тате большого числа проходов (Ы > 30) излучения в резонаторе на этаг формирования генерации, уже первые наблюдаемые импульсы в цу! имеют длительность, близкую к минимальной.

Установлено, что сужение генерируемого лазером спектра вплоть ; ширины спектра, определяемой длительностью 100-пс УКИ, не приводит значительному улучшению статистических параметров генерируемых И1 пульсов. Обсуждаются возможные причины* препятствующие дальнейшел уменьшению длительности УКИ, генерируемых при активной синхрониз ции мод длинноимпульсного ХеС1 лазера.

Осуществлена перестройка несущей частоты цугов УКИ в по длина волн пяти электронно-колебательных переходов молекулы ХеС!*: 0-0, 00-2, 0-3 и 0-4 в диапазоне 307,64 - 308,65 нм. Полная девиация частоты с ставила при этом ~ 100 см-1. Обзорный спектр длин волн генерации дли ноимпульсного ХеС1 лазера, полученный в этих экспериментах приведен ) Рис.Зв.

Осуществлена инжекционная синхронизация мод длинноимпульсно ХеС1 лазера. При этом получены цуги с энергией ~ 70 мДж, содержащие , 60 УФ УКИ. Длительность одиночных импульсов в цуге составила < 11 пс.

В заключение главы приводится сводка основных результатов, пол ченных в данной главе и выводы из них.

Заключение. В заключении диссертации приводятся основные р зультаты работы:

1. Исследована возможность широкодиапазонной плавной перестрой] частоты генерации длинноимпульсного ХеС1 лазера с помощью внутр резонаторного эталона Фабри-Перо. Получена плавная перестройка ч

тоты генерации с полной девиацией > 200 см1. Тем самым, диапазон рабочих частот генерации ХеС1 лазеров расширен па ~ 30 см4. Впервые для ХеС1 лазеров всех типов получена лазерная генерация на переходе 1-5 молекулы ХеСГ. Достигнута плавная перестройка частоты генерации на этом переходе. Энергия генерации составляла при этом > 70 мкДж

IIa основании проведенных исследований создан плавно перестраиваемый эксимерный- длинноимпульсный ХеС1 лазер, позволяющий получать когерентное излучение вблизи Я = 308 нм со следующими характеристиками:

• девиация частоты Av ä 200 см-1, монохроматичность 8v ~ 3,5 см1, энергия генерации W> 100 мкДж.

• девиация частоты Av> 140 см"1, монохроматичность 5г~ 1 с,\г5, энергия генерации W > 5 мкДж.

В длшшоимпульсном ХеС1 лазере во всем интервале времени существования инверсии измерена временная зависимость коэффициента усиления слабого сигнала при накачке активной среды самостоятельным разрядом длительностью > 0,5 мке и удельной мощностью < !00 кВт/см3. Установлено, что:

• при использовании рабочей смеси, состоящей из 1 Top HCl: 10 Тор Хе: 2,7 атм Ne и удельной мощности накачки Р^ ~ (50 - 100) кВт/см3 величина коэффициента усиления слабого сигнала в средней части импульса накачки составляет ~ (0,02 - 0,03) см"! (для перехода 0-2 молекулы ХеС1*);

• время существования инверсии (по уровню 0,1) в данном лазере составляет величину ~ 600 не (для указанных выше условий).

В указанном лазере измерено спектральное распределение коэффициента усиления слабого сигнала в диапазоне (307,5-308,8) нм при накачке активной среды самостоятельным разрядом длительностью > 0,5 мке и

удельной мощностью < 1,00 кВт/см3. Установлено, что с точностью ; ошибок измерений (~ 10%), уменьшение коэффициента усиления дли ноимпульсного ХеС! лазера вследствии меньшего по сравнению с коро коимпульсными системами уровня удельной мощности накачь происходит равномерно на всех длинах волн в исследованном диапаз не.

6. При активной синхронизации мод длинноимпульсного ХеС1 лазера пол чена устойчивая генерация цугов УФ УКИ с длительностью отдельн! импульсов ~ 100 пс. Показано, что допустимое рассогласование частот модуляции и межмодового интервала резонатора составляет при этс величину ~ 250 кГц (эквивалентное изменение длины резонатора ~ мм).

7. С помощью эталона Фабри-Перо получена плавная перестройка нес щей частоты цугов УКИ, генерируемых лазером в режиме активц синхронизации мод на переходах 0-0, 0-1, 0-2, 0-3 и 0-4 молекулы ХеС Полная девиация частоты составила ~ 100 см1. Осуществлено сужен генерируемого спектра вплоть до ширин, определяемых спектром 100 импульса (~ 0,2 см1).

8. В результате проведенных исследований на основе длинноимпульснс ХеС1 лазера создан задающий генератор УФ УКИ со следующими па! метрами:

• длительность импульсов ~ 100 пс;

• разброс длительности импульсов ' -12%;

• максимальная длительность цуга ' > 300 не;

• число импульсов в цуге ~ 60;

• диапазон перестройки несущей частоты цугов от 307,64

до 308,65

(полная девиация частоты Ду ~ 100 см1);

• энергия генерации ^ 5 мкДж.

Осуществлена инжекиионная синхронизация мод длинноимпульсного ХеС1 лазера с неустойчивым телескопическим резонатором, имеющим коэффициент увеличения М=1,5. В результате создан ХсС1 лазер, генерирующий цуга УФ УКИ с энергией ~ 70 мДж и содержащие до 60 импульсов. Длительность отдельного импульса составила < 150 пс.

:новные материалы, изложенные в диссертации, вошли в сле-ющие опубликованные работы:

А.З.Грасюк, С.В.Ефимовский, А.К.Жигалкин, Ю.И.Карев, С.В.Курбасов. "Генерация цуга 150-пс импульсов при активной синхронизации мод длинноимпульсного ХеС1 лазера". Квантовая электроника. 16, №3, 411-414 (1989).

А.З.Грасюк, С.В.Ефимовский, А.К.Жигалкин, Ю.И.Карев, С.В.Курбасов. "Активная синхронизация мод 400-нсек ХеС1 лазера". Препринт ФИАН №18, Москва, 1989.

А.З.Грасюк, С.В.Ефимовский, А.К.Жигалкин, Ю.И.Карев, С.В.Курбасов. "Длинноимпульсный ХеС1 лазер в режиме активной синхронизации мод". Квантовая электроника. 17, №1, 35-39 (1990). С.В.Ефимовский, А.К.Жигалкин, Ю.И.Карев, С.В.Курбасов. "Длинноимпульсный (0,4 мке) эксимерный ХеС! лазер с КПД = 1%". Письма в ЖТФ. 17, №15, 23-27 (12 Авг. 1991).

С.В.Ефимовский, А.К.Жигалкии, Ю.И.Карев, С.В.Курбасов. "Эксимерный ХеС1 лазер с длительностью импульса генерации 0,5 мкс". Препринт ФИАН №79, Троицк, 1991.

С.В.Ефимовский, А.К.Жигалкин, Ю.И.Карев, С.В.Курбасов. "Длинноимпульсный (т[/2 - 0,5 мкс) эксимерный ХеС1 - лазер для экспериментов по нелинейной оптике". Тезисы XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (КиНО 91), часть 2, стр.59, Ленинград, 1991.

С.В.Ефимовский, А.К.Жигалкин, Ю.И.Карев, С.В.Курбасов. "Характеристики генерации и усиления эксимерного ХеС1 лазера с дли-

тельностью импульса 0,5 мкс". Квантовая электроника. 17, №11 1407-1412 (1991).

8. С.В.Ефимовский, А.К.Жигалкин, Ю.И.Карев, С.В.Курбасо "Длинноимпульсный ХеС1 лазер с диапазоном перестройки генераци 17 А". Краткие сообщения по физике. №3-4, 30-33 (1992).

9. С.В.Ефимовский, А.К.Жигалкин, Ю.И.Карев, С.В.Курбасов. "Плавш перестройка частоты длинноимпульсного ХеС1 лазера от 307,00 нм i 308,93 нм". Квантовая электроника. 19, №6, 525-526 (1992).

10. С.В.Ефимовский, А.К.Жигалкин, Ю.И.Карев, С.В.Курбасов. "Генеращ-длинноимпульсным ХеС1 лазером цугов 100-пс УКИ, плавно перестра: ваемых в интервале 307,6-308,6 нм". Тезисы 7 Международной конф ренции "Оптика лазеров", ч.1, стр.181, С.-Петербург, 1993.

11. S.V.Efimovskii, A.K.Zhigalkin, Yu.I.Karev and S.V.Kurbasov. "Long-Pub (0.5 usee) Electric-Discharge XeCl Laser Continuously Tunable in tl 307.00 - 308.93 nm Range". Journal of Soviet Laser Research, 14, №. 360-376 (1993).

12. S.V.Efimovskii, A.K.Zhigalkin, Yu.I.Karev and S.V.Kurbasov. "Generatic of USP Trains of 100-pscc Duration, Smoothly Wavelength Tunable in tt 307.6 - 308.6 nm Interval with Active Mode Locking of a Long-Pulse Xe< Laser". Journal of Soviet Laser Research, 14, №5, 377-388 (1993).

13. С.В.Ефимовский, А.К.Жигалкин, Ю.И.Карев, С.В.Курбасов. "Генеравд длинноимпульсным XeCl - лазером цугов УКИ длительностью 100 п плавно перестраиваемых в интервале 307,6 - 308,6 нм" Кеантова электроника. 20, №11, 1087-1094 (1993).

14. С.В.Ефимовский, А.К.Жигалкин, Ю.И.Карев, С.В.Курбасов. "Генерацк длинноимпульсным ХеС1-лазером цугов УКИ, плавно перестраиваемы по длине волны". Известия АН сер.физ. 58, №6, 73-80 (Июнь 1994).

15. С.В.Ефимовский, А.К.Жигалкин, С.В.Курбасов. "Спектр усиления дли] ноимпульсного XeCl лазера, измеренный в диапазоне 307,5 - 308,8 нм разрешением 1 см-1 " Квантовая электроника. 22, №5, 45546

(1995).

>. С.В.Ефимовский, С.В.Курбасов. "Влияние параметров внутрирезонатор-ного эталона Фабри-Перо на характеристики генерации узкополосного 0.5-мкс ХеС1 лазера с диапазоном перестройки 140 см-1". Квантовая электроника, (в печати).

итература, использованная в автореферате:

R.S.Taylor, K.E.Leopold. "Ultralong optical-pulse corona preionized XeCl laser". J.Appl.Phys. 65, №1, 22 - 29 (1989).

С.В.Мельченко, А.Н.Панченко, В.Ф.Тарасенко. "Электроразрядный XeCf-лазер с длительностью импульса излучения 1 мкс". Квантовая электроника 11, №7, 1490-1492 (1984).

R.S.Taylor, K.E.Leopold. "Microsecond duration optica! pulses from a UV-preionized XeCl laser". Appl.Phys.Lett. 47, №2, 81 - 83 (1985). J.W.Gerritsen, A.L.Keet, G.J.Ernst, W.J.Witteman, "High-efficiency operation oi a gas discharge XeCl laser using a magnetically induced resonant voltage overshoot circuit". J.Appl.Phys. 67, №7, 3517 - 3519 (1990). A.J.W.Brown, E.G.Sergoyan, F.E.White, M.von Dadelszen, C.H.Fisher. "A 20-J flow-campatible XeCl laser". IEEE Photon.Technol.Lett. 3, №5, 433 -435 (1991).

T.J.McKee. "Optical cavity design for long pulse excimer lasers". Appl.Opt. 30, №6, 635-644 (1991).

^.S.Taylor, A.J.Alcock, K.B.Leopold. "Electrical and Gain Characteristics of a Simple Compact XeCl Laser". Opt.Commun. 31, №2, 197-202 (1979). O.LBourne, AJ.Alcock. "A High-Power, Narrow Linewidth ХеСГ Oscillator". Appl.Phis.Lett. 42, №9, 777 - 779 (May 1983).