Реферат: Лазер на красителях

Одной из главных задач специалистов, разрабатывающих лазерные устройства, является создание источников когерентного излучения, длину волны которых можно перестраивать во всем спектральном диапазоне от дальней инфракрасной области до ультрафиолета (и еще более коротковолнового излучения). Создание лазера на красителях оказалось исключительно важным событием с этой точки зрения, так как их излучение можно перестраивать в диапазоне длин волн, выходящем за пределы видимой области спектра. Однако имеются существенные «разрывы» в спектре лазерного излучения, т. е. области, в которых известные лазерные переходы редки, а перестройка их частоты возможна лишь в узких спектральных диапазонах. Широкие полосы флуоресценции, на существовании которых основана работа перестраиваемого лазера на красителях, не обнаружены в дальней инфракрасной области спектра, а используемые в лазерах красители быстро разрушаются интенсивным излучением накачки при возбуждении красителя, когда надо получить генерацию в ультрафиолетовой области спектра.

Нелинейная оптика. В поисках способов заполнить эти пробелы многие специалисты по лазерам использовали нелинейные эффекты в некоторых оптических материалах. В 1961 г. исследователи из Мичиганского университета сфокусировали свет рубинового лазера (длина волны 694,3 нм) в кристалл кварца и зарегистрировали в прошедшем кристалл излучении не только сам свет рубинового лазера, но и излучение с удвоенной частотой, т. е. на длине волны 347,2 нм. Хотя это излучение было много слабее, чем на длине волны 694,3 нм, тем не менее это коротковолновое излучение имело характерную для лазерного света монохроматичность и пространственную когерентность. Процесс генерации такого коротковолнового излучения известен как удвоение частоты, или генерация второй гармоники. (ГВГ), и пред­ставляет собой один пример из множества нелинейных оптических эффектов, которые использовались для расширения перестраиваемого, спектрального диапазона лазерного излучения.

ГВГ часто применяют для преобразования инфракрасного излучения (l=1,06 мкм и другие линии) неодимового лазера в излучение, попадающее в желто-зеленую область спектра (например, l=530 нм), в которой можно получить лишь небольшое число интенсивных лазерных линий. Генерацию гармоник можно также использовать для того, чтобы получить излучение с частотой в три раза большей, чем у исходного лазерного излучения. Нелинейные характеристики рубидия и других щелочных металлов применяют, например, для утроения частоты неодимового лазера до значения, соответствующего длине волны 353 нм, т. е. попадающего в ультрафиолетовую область спектра. Теоретически возможны процессы генерации гармоник, более высоких, чем третья, но эффективность такого преобразования крайне низка, поэтому с практической точки зрения они не представляют интереса. Возможность генерации когерентного излучения на новых частотах не ограничивается процессом генерации гармоник. Одним из таких процессов является процесс параметрического усиления, который заключается в следующем. Пусть на нелинейную среду воздействуют три волны: мощная световая волна с частотой n₁ (волна накачки) и две слабые световые волны с более низкими частотами n₂ и n₃ . При выполнении условия n₁ = n₂ +n₃ и условия волнового синхронизма имеет место перекачка энергии мощной волны с частотой n₁ в энергию волн с частотами n₂ и n₃ . Если нелинейный кристалл поместить в оптический резонатор, то получим прибор, очень напоминающий лазер и носящий название параметрического генератора. Такой процесс был бы полезен даже в том случае, если бы возможности его использования были ограничены получением разностей частот двух существующих. лазерных источников. Фактически же параметрический генератор является устройством, способным генерировать когерентное оптическое излучение, частоту которого можно перестраивать почти во всем видимом диапазоне. Причина эта заключается в том, что нет необходимости использовать дополнительные источники когерентного излучения на частотах n₂ и n₃ . Колебания эти могут сами возникать в кристалле из шумовых фотонов (тепловых шумов), которые всегда в нем присутствуют. Эти шумовые фотоны имеют широкий спектр частот, расположенный преимущественно в инфракрасной области спектра. При определенной температуре кристалла и ориентации его по отношению к направлению волны накачки и к оси резонатора упомянутое выше условие волнового синхронизма выполняется для определенной пары частот n₂ и n₃ . Для перестройки частоты излучения надо изменить температуру кристалла или его ориентацию. Рабочей частотой может быть любая из двух частот n₂ и n₃ в зависимости от того, какой диапазон частот излучения прибора нужен. Быструю перестройку частоты в ограниченном спектральном диапазоне можно получить с помощью электрооптического изменения показателей преломления кристалла. Как и в случае лазера, имеется пороговый уровень мощности накачки, который для получения стационарных колебаний следует превысить. В большинстве параметрических генераторов в качестве источника накачки используют лазеры видимого диапазона, такие, как аргоновый лазер, или вторую гармонику неодимового лазера. На выходе прибора получают перестраиваемое излучение инфракрасного диапазона.

2. Одноструйный субпикосекундный лазер

на красителе в режиме самонастройки

Спектроскопические исследования быстрых процессов в сложных органических и биологических молекулах, а также сверхбыстрых процессов в полупроводниках базируются на лазерных источниках, способных генерировать субпикосекундные световые импульсы. Наиболее короткие импульсы получены в кольцевых непрерывных лазерах на красителе (НЛК) со сталкивающимися импульсами в струе насыщающегося поглотителя (НП) при чисто непрерывной накачке с компенсацией чирпа. Однако НЛК такого типа имеют очень низкий КПД, многоэлементную схему резонатора, две струи с независимыми системами прокачки; они исключительно сложны в настройке и эксплуатации. Одноструйные НЛК с линейным резонатором, на наш взгляд, более перспективны для широкого практического применения, поскольку они значительно проще в изготовлении и эксплуатации, обладают хорошими энергетическими (по КПД) и спектральными (по области перестройки) характеристиками и, что самое главное, в режиме комбинированной синхронизации мод позволяют получать световые импульсы длительностью менее 1 пс. В нашей работе исследуются возможности генерации УКИ света предельно малой длительности в таких простейших НЛК.

Обычно длительность УКИ, генерируемых НЛК, ограничивается спектральной полосой лазера, задаваемой внутрирезонаторными селектирующими элементами. Для расширения спектральной полосы лазера (контура усиления) с целью генерации более коротких световых импульсов селектирующий элемент выводится из резонатора. Стабильный режим генерации УКИ достигается путем подбора и оптимизации спектральных характеристик генерирующих красителей и насыщающихся поглотителей.

Таким способом получены УКИ длительностью ~150 фс при использовании комбинированной смеси красителей родамин 6Ж (Р6Ж), родамин 4С-перхлорат (Р4С-П) и ДОДКИ. В настоящей работе оптимизация спектральных характеристик красителей исследована с учетом применения «мягкого» и «жесткого» НП (параметры насыщения которых отличаются почти на порядок), а также их смесей. Корректировка контура чистого усиления осуществлялась выходными зеркалами НЛК с заранее подобранными спектральными кривыми пропускания.

НЛК имел традиционный V-образный трехзеркальный резонатор с компенсацией астигматизма (скорость струи 10 м/с, толщина 0,1 мм, радиусы кривизны зеркал: коллимирующего 8 см, конечного и зеркала накачки 5 см, выходное зеркало — плоское, длина резонатора 1,5 м). Согласование длины резонатора с частотой следования импульсов накачки грубо производилось перемещателем типа «поршень в цилиндре», точно-мембранным пьезокорректором КП-1.

Лазером накачки служил аргоновый лазер с синхронизованными модами мощностью 0,5 Вт на всех сине-зеленых линиях. Акустооптический модулятор, синхронизирующий моды лазера накачки, питался от синтезатора частот со стабильностью частоты не хуже 10^-8 . Длительность импульсов накачки, оцененная по сигналу с фотодиода ЛФД-2, не превышала 300 пс. Длительность импульсов НЛК оценивалась по ширине автокорреляционной функции (АКФ), получаемой традиционным способом с неколлинеарным удвоением в кристалле КОР (бесфоновая АКФ). Запись спектральных огибающих производилась с помощью монохроматора МДР-2.

Генерирующим красителем для «мягкого» НП ДОДКИ был выбран Р6Ж. Оптимальная концентрация составляла 4•10^-3 моль/л. В режиме самонастройки (т. е. без селектора) при концентрации НП 2*10^-5 моль/л происходила одновременная генерация на двух длинах волн: l₁ =614 нм и l₂ =570 нм. При этом на l₁ генерировались импульсы длительностью Dt»0,5 пс, а на l₂ синхронизация отсутствовала. При увеличении концентрации НП генерация на l₁ подавлялась. Стабильный режим генерации УКИ на l₁ достигался применением специального выходного зеркала с резким увеличением пропускания для длин волн менее 600 нм и пропусканием около 3 % на 614 нм. С таким выходным зеркалом лазер генерировал на l₁ =614 нм, т. е. в области, где ДОДКИ хорошо насыщается. Дальнейшее увеличение концентрации НП укорачивало импульс, но уменьшало среднюю мощность НЛК. Импульсы длительностью 120 фс были получены при концентрации ДОДКИ 6*10^-5 моль/л. При этом выходная мощность НЛК составила 10 мВт. Зона допустимого рассогласования длины резонатора НЛК и частоты следования импульсов накачки составляла 20 мкм. На рисунке, а приведены АКФ такого режима генерации и спектральная огибающая импульсов (ширина огибающей на полувысоте Dl=3,6 нм). Соотношение DtDn=0,35 свидетельствует о спектральной ограниченности импульсов. Однако отношение полуширины АКФ на 1/4 и 1/2 высоты, равное 2,5, говорит о существенном отклонении формы импульса от гауссовой или лорентцевой.

Рис. 2.1. Автокорреляционная функция и спектральная огибающая импульсов для смесей Р6Ж/ДОДКИ (а), Р4С-П/МЗ (б) и Р6Ж, Р4С-П/КФ, 5103-у (в)

Режим самонастройки с «жестким» НП исследовался с парой Р4С-П — малахитовый зеленый (МЗ). В отличие от ДОДКИ МЗ легко доступен и исключительно стоек, как и другие трифенилметановые красители. Существует также возможность использования МЗ в качестве НП для Р6Ж. Кривая усиления Р4С-П смещена относительно Р6Ж в красную область и лучше согласуется с кривой поглощения МЗ. В наших экспериментах с этой парой толщина струи составляла 0,2 мм, мощность накачки 4 Вт.

В режиме самонастройки по мере увеличения концентрации МЗ происходило «скатывание» длины волны генерации в красную область спектра, т. е. в сторону от максимума поглощения МЗ. Замена широкополосного выходного зеркала на специальное, имеющее резко увеличенное пропускание для длин волн более 660 нм и пропускание ~10 % на 660 нм, устраняло «скатывание» спектра в красную область и позволило увеличить концентрацию МЗ до 1,3*10^-4 моль/л. При этом лазер генерировал импульсы длительностью 130 фс со средней мощностью 20 мВт на l=660 нм. Критичность согласования длины резонатора НЛК и частоты след?