Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности и применение микрочиповых и минилазеров 14
1.1. Особенности генерации минилазеров и микрочип-лазеров с пассивной модуляцией добротности 14
1.2. Сокращение длительности импульса при обратном ВКР-преобразовании лазерного импульса 17
1.3. Применение лазерных комплексов на основе минилазеров для оптической записи информации 21
ГЛАВА 2. Тепловые процессы в активной среде твердотельного лазера с торцевой диодной накачкой 35
2.1. Расчет тепловых процессов в активной среде с дополнительными торцевыми теплоотводами 35
2.2. Экспериментальное исследование особенностей активных элементов с дополнительными торцевыми теплоотводами 42
ГЛАВА 3. Особенности генерации и управление пространственно-временной структурой излучения микрочип-лазеров 51
3.1. Особенности пространственно-временной структуры генерации микрочип-лазеров с пассивной модуляцией добротности 51
3.2. Управление пространственно-временной структурой минилазера с помощью активной внутрирезонаторной оптики 57
3.3. Эффективность обратного ВКР-преобразования и временной компрессии субнано- и пикосекундных импульсов. 65
ГЛАВА 4. Двухфотонная запись стабильных фотолюминесцентных центров в материалах на основе хромонов 71
4.1. Определение порогов двухфотонной записи фотолюминесцентных центров и порога разрушения материала. 72
4.2. Некоторые спектральные свойства записанных люминесцентных меток. 83
Заключение 88
Список литературы
- Сокращение длительности импульса при обратном ВКР-преобразовании лазерного импульса
- Применение лазерных комплексов на основе минилазеров для оптической записи информации
- Экспериментальное исследование особенностей активных элементов с дополнительными торцевыми теплоотводами
- Управление пространственно-временной структурой минилазера с помощью активной внутрирезонаторной оптики
Сокращение длительности импульса при обратном ВКР-преобразовании лазерного импульса
Довольно высокие значения пиковой мощности импульсов генерации микрочиповых лазеров позволяют использовать различные внешние преобразователи для дополнительного сокращения длительности импульса. В частности, эффект вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) помимо дискретного сдвига частоты лазерного излучения может обеспечить также временную компрессию импульса на преобразованной частоте с одновременным повышением пиковой мощности преобразованного импульса.
Для газовых ВКР-активных сред даже при высоких давлениях характерна низкая плотность активных частиц ( 1021 см-3), что требует увеличения оптического пути взаимодействия до нескольких метров. Для жидких ВКР-активных сред характерны более высокие значения плотности активных частиц ( 1022 см-3), однако низкая теплопроводность в сочетании с высоким значением dn/dT приводят к появлению паразитных нелинейнооптических эффектов, уменьшающих длину взаимодействия, ухудшающих расходимость и способных привести к оптическому пробою среды. Кристаллические ВКР-активные среды обладают еще более высокой концентрацией активных частиц ( 1023 см-3), а также обладают минимальным неоднородным уширением спектра ВКР-активных колебаний, что способствует снижению порога и увеличению эффективности ВКР-преобразования, росту коэффициента усиления. Поэтому для создания малогабаритных ВКР-конверторов со стабильными параметрами и высокой эффективностью преобразования интерес представляют, прежде всего, твердотельные комбинационно-активные среды [21].
Случай стационарного ВКР-преобразования описывается следующим выражением: [22] интенсивность стоксовой компоненты, IL – интенсивность лазерной накачки для ВКР-преобразования, l – длина взаимодействия излучения накачки с ВКР-активной средой, g – коэффициент ВКР-усиления. Показатель экспоненты gILl – инкремент G.
Стационарный режим реализуется при условии, что длительность импульса накачки для ВКР-преобразования много больше времени дефазировки молекулярного колебания T2. Нестационарный — когда импульс накачки короче времени дефазировки. В случае нестационарной ВКР-конверсии инкремент пропорционален квадратному корню из интенсивности накачки, сечения ВКР-усиления, длине взаимодействия, длительности импульса накачки и спектральной ширины линии спонтанного комбинационного рассеяния, а значение коэффициента ВКР-усиления, в зависимости от параметров конкретной ВКР-активной среды, может быть на порядок меньше, чем для стационарного случая [23].
Для импульсов нано- и субнаносекундной длительности с длиной волны в области 0.33-1.8 мкм одной из наиболее привлекательных твердотельных ВКР-активных сред являются кристаллы нитрата бария (Ba(NO3)2). Время дефазировки для кристалла нитрата бария составляет 28 пс, что обеспечивает стационарный режим ВКР-конверсии для импульсов с длительностью в сотни пикосекунд и выше. Коэффициент усиления g в стационарном режиме для второй гармоники Nd:YAG лазера ( = 0.53 мкм) составляет 47 смГВт-1. Стоксов сдвиг — 1047 см-1, что при длине волны накачки 532 нм соответствует длине волны первой стоксовой компоненты 563 нм. Недостатком кристаллов нитрата бария является гигроскопичность. [23-25]
Эффект встречного ВКР-преобразования в сфокусированных пучках позволяет осуществлять временную компрессию импульсов с одновременным повышением их пиковой мощности. Основные закономерности этих процессов рассмотрены в работах [26-35]. Коэффициент сокращения длительности импульса может достигать 10-20 раз, а эффективность этого процесса существенно зависит от условий фокусировки и уровня энергии в импульсе накачки. При этом зависимость длительности стоксового импульса от энергии в импульсе накачки является немонотонной и для заданных условий фокусировки существует некоторое оптимальное значение энергии импульса накачки, обеспечивающее наилучшее сжатие импульса. Теоретическая зависимость длительности стоксового импульса в обратном направлении от энергии в импульсе [34, 36]: экспериментально определенная минимальная длительность стоксовых импульсов для обратного ВКР, E0 — соответствующее значение накачки. Эффективность преобразования в обратную стоксову компоненту по энергии также зависит от условий фокусировки и энергии импульсов накачки, при этом с увеличением энергии в импульсе накачке эффективность преобразования увеличивается, постепенно выходя на некоторый уровень насыщения. Поэтому, как правило, выбор уровня энергии в импульсах накачки и параметров фокусировки определяется исходя из компромисса между эффективностью компрессии импульсов и эффективностью преобразования в обратную стоксову компоненту по энергии
Применение лазерных комплексов на основе минилазеров для оптической записи информации
Повышение числовой апертуры оптической системы означает приближение оптической системы к информационному слою и информационного слоя – к поверхности диска. Так, если в CD свет проходит на пути к информационному слою почти всю толщину диска, то в DVD информационный слой находится в середине, в дисках Blu Ray – почти на поверхности, а в ближнепольных дисках – непосредственно на поверхности. Из-за этого теряется одно из важных преимуществ оптических методов записи информации — бесконтактности, что также означает невозможность использования многослойных структур.
Голографические методы записи информации
Использование голографического метода для хранения информации было предложено впервые в 1963 г. Ван Хирденом. Как известно, голографический принцип записи состоит в регистрации одновременно объектной (несущей информацию об объекте) и опорной волн (Рисунок 1.9). При этом в результате сложения взаимно когерентных опорной и объектной волн происходит преобразование фазовых соотношений в амплитудную структуру интерференционной картины. Регистрация этой интерференционной картины на голографическом оптическом диске и приводит к записи голограммы. Изменения в материале голографического диска могут быть в виде модуляции поглощения, показателя преломления или толщины. Прогресс в разработке голографических систем хранения информации связан в основном с развитием современных технологий, позволяющих производить относительно дешевые устройства ввода/вывода информации, а также успехами в разработке новых регистрирующих сред для голографической записи.
В системах голографической памяти могут использоваться как тонкие, так и объёмные голограммы. Для их различения используется так называемый критерий Клейна Q = 2тгЫ/(пЛ2), где - длина волны излучения, d - толщина голограммы, n - средний показатель преломления, -пространственный период ( =/(2sin), где - половина угла между опорной и объектной волнами в воздухе). Если Q 10, то голограмма считается объёмной.
К основным преимуществам использования голографического метода записи и хранения информации можно отнести: [41, 48]
Голографическая память позволяет записывать и считывать данные параллельно, что позволяет существенно увеличить скорость записи/считывания данных.
При использовании объемных голограмм для записи информации можно значительно увеличить плотность записи информации благодаря их селективным свойствам.
Поскольку информация, записанная в голограмме, распределена по всей площади голограммы, повреждение голограммы приведет лишь к уменьшению сигнала при считывании, что обеспечивает высокую надежность хранения данных. Наибольшее распространение в системах голографической памяти получили Фурье-голограммы, регистрируемые вблизи плоскости фурье преобразования, т.к. они инвариантны к поперечному сдвигу относительно опорного пучка, что значительно упрощает требования к системе считывания восстановленного изображения. [41, 48]
К основным компонентам голографической памяти можно отнести: - Источник когерентного излучения, обладающий достаточно высокой для записи голограммы мощностью.
Дефлектор лазерного излучения, обеспечивающий позиционирование лазерного излучения на поверхности и в объеме голографической регистрирующей среды. Чаще всего используются гальванометрические, акустооптические или электрооптические дефлекторы.
Устройство ввода информации, которое обеспечивает модуляцию пучка в соответствии с заданной матрицей данных. Наиболее широкое распространение в качестве таких устройств получили жидкокристаллические матрицы.
Устройство считывания информации. В качестве матрицы считывания чаще всего используется матрица фотодиодов, количество и расположение которых соответствует параметрам устройства ввода. - Объективы для преобразования Фурье. Поскольку используется два таких объектива: для ввода и для считывания информации, важно обеспечить близкие значения аберраций обоих объективов. На сегодняшний день голографические устройства памяти находятся на стадии разработок и не являются коммерчески доступными. Одной из перспективных разработок являются диски HDV (Holographic Versatile Disc -“многоцелевые голографические диски”). Первые диски такого формата были разработаны компанией Maxell. В HDV-дисках помимо голографической регистрирующей среды используется отражающий слой, сходный с отражающим слоем обычного CD-диска. Этот слой используется для позиционирования считывающей головки относительно HVD-диска. В 2007 году были опубликованы стандарты ECMA-377 и ECMA-378, описывающие HVD-диски емкостью 200 и 100 ГБ соответственно. Предполагается, что потенциально HVD-диск сможет вмещать до нескольких ТБ данных. Ведутся разработки и других форматов голографических устройств памяти. Так, компания InPhase предложила формат дисков Tapestry Media с заявленной емкостью до 1,6 ТБ и даже обещала выход устройств на рынок, однако в 2010 году компания обанкротилась, и ее разработки были проданы Akonia Holographics.
Экспериментальное исследование особенностей активных элементов с дополнительными торцевыми теплоотводами
В переходных областях отдельные импульсы килогерцовой последовательности с той или иной структурой появляются с изменяющейся в пределах 0–100% вероятностью. Частотная граница спада энергии генерируемых импульсов может легко сдвигаться за счет компенсации параболической составляющей термоиндуцированной линзы при использовании сферических зеркал резонатора или соответствующих внутрирезонаторных линз. Для рассматриваемых конфигураций использование прозрачного теплоотвода позволило сдвинуть границы диапазона поглощенной мощности накачки, в котором сохраняется характерная для основной моды расходимость излучения, а дифференциальный КПД снижается не более чем на 10%, по сравнению с тем же элементом, обращенным к накачке противоположным торцом. Эта тенденция наблюдалась для всех типов исследуемых кристаллов (Рисунок 2.7). Использование даже относительно тонкого (LV 1 мм) градиентного слоя дает дополнительный выигрыш такого же порядка за счет снижения аберраций термоиндуцированной линзы, связанных с напряжениями в активном элементе.
Значения мощности накачки, при которых происходило перераспределение общей мощности излучения в пользу высших осесимметричных мод по выбранному уровню 10%, увеличилось в элементах с ДПТТ и ДГТТ на 24 и 26% соответственно по сравнению с теми же кристаллами без теплоотвода. В элементах Nd:YVO4 с ДПТТ при сохранении стабильной генерации основной моды не удалось добиться увеличения абсолютного значения выходной мощности излучения в моноимпульсном режиме более чем на 10–15% по сравнению с аналогичными гомогенными элементами высокого качества. В имеющемся в распоряжении элементе Nd:YVO4 с ДГТТ максимально полученная мощность была даже несколько ниже, чем в гомогенном элементе. Это можно объяснить следующими причинами: во-первых, концентрация активатора в элементе с ДГТТ была несколько ниже, чем у обычного элемента, и, даже при выравнивании общего пропускания через АЭ излучения накачки, области эффективного перекрытия основной моды и накачки несколько различались; во-вторых, существовали дополнительные потери (на уровне 0,5%) на границе изменения концентрации активатора.
Для проведения экспериментов в режиме модуляции добротности в резонаторе размещался электрооптический модулятор на основе кристалла BBO с поляризатором. Для регистрации отдельных выходных импульсов в килогерцовой последовательности использовалась внерезонаторная система временного стробирования. В характерных областях между изменениями усредненного по импульсам значения М2 или в зоне перехода IIII от импульса к импульсу изменяются как пространственная, так и временная структуры излучения с соответствующим изменением вероятности появления в структуре генерации дополнительных к основной моде комбинаций мод с круговой симметрией типа ТEM10, TEM20, TEM01 [6].
На основе проведенных расчетов и экспериментов можно сделать вывод, что применение активных элементов с ДПТТ позволяет лишь частично решить проблему улучшения качества излучения компактных лазерных установок с односторонней продольной накачкой активной среды и уровнем плотности выходной мощности в одномодовом режиме более 5 кВт/см2. Поглощение излучения накачки в высококонцентрированных неодимовых активных элементах, используемых в установках этого класса, приводит к возникновению областей локального перегрева активного элемента. Действующие внутри этих областей термонапряжения по величине вплотную приближаются к порогу разрушения АЭ и приводят к значительным аберрациям индуцированной тепловой линзы. Применение ДПТТ снижает общий уровень перегрева, однако термонапряжения вблизи границы скачкообразного изменения концентрации активатора могут даже возрастать по сравнению c гомогенными элементами. С использованием градиентных элементов с переходным по концентрации активатора слоем 2–3 мм эта проблема в значительной степени снимается. Использование качественно изготовленных активных элементов с ДПТТ и ДГТТ позволяет существенно (на десятки процентов) увеличить диапазон вводимой в АЭ мощности накачки без дополнительных изменений в оптической схеме резонатора и поднять средний уровень выходной мощности излучения лазера при сохранении высокого оптического качества излучения. Преимущества элементов с обоими типами теплоотводов в большей степени проявляются для лазеров с непрерывной накачкой и высокой частотой повторения генерации наносекундных импульсов. В мощных моноимпульсных лазерах нелинейный вклад в величину и уровень аберраций термоиндуцированной линзы, связанный с насыщением усиления активной среды, может превалировать над стационарным. В этом случае наличие теплоотвода становится менее эффективным. Наличие дополнительных поглощающих микровключений и микронеоднородностей, возникающих в области изменения концентрации активатора при изготовлении элементов, приводит к их разрушению при генерации меньших, по сравнению с однородными элементами, энергиях моноимпульса. Наиболее существенным недостатком элементов с дополнительными теплоотводами обоих типов на данный момент является технологический разброс изделий по сравнению с гомогенными элементами как в случае использования диффузной сварки элементов с разной концентрацией, так и при попытках выращивания элементов с градиентом концентрации активатора. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе элементов для намеченного применения. Во-первых, переходной слой может обладать достаточно высоким значением паразитных коэффициентов отражения и рассеяния, особенно при использовании технологии спекания с применением промежуточных материалов
Управление пространственно-временной структурой минилазера с помощью активной внутрирезонаторной оптики
Рассмотрим еще раз основные результаты, полученные в диссертации:
Проведено сравнение активных элементов Nd:YAG и Nd:YVO для компактных лазеров с диодной продольной накачкой с дополнительным прозрачным торцевым теплоотводом (ДПТТ), дополнительным градиентным торцевым теплоотводом (ДГТТ) и обычных активных элементов без дополнительных торцевых теплоотводов. Сравнение проводилось по величине продольных термоиндуцированных напряжений, направленных вдоль оптической оси в кристалле, а также по величине максимального перегрева активной среды. Выявлено, что для элементов с ДПТТ величина максимального перегрева элемента уменьшается на несколько десятков градусов, однако это сопровождается увеличением продольных напряжений в элементе и смещением максимального значения напряжений вглубь кристалла к границе между активным элементом и прозрачным теплоотводом.
Использование элемента ДГТТ позволяет частично решить эту проблему. Концентрация активатора в градиентном теплоотводе плавно меняется от 0 до максимального значения, соответствующего концентрации активатора в активном элементе. Кристаллы с ДГТТ позволяют уменьшить максимальный перегрев в элементе до уровня, характерного для элементов с ДПТТ, при этом значения продольных термоиндуцированных напряжений в элементах с ДГТТ меньше, чем в элементах с ДПТТ. При длине дополнительного теплоотвода 1 мм эта разница незначительна, однако она увеличивается с увеличением длины теплоотвода. При длине ДГТТ 4 мм максимальная величина продольных термоиндуцированных напряжений уменьшается до значений, характерных для обычного активного элемента.
Рассчитанное для входной мощности 32 ватт фокусное расстояние тепловой линзы для элемента Nd:YVO с ДГТТ (Lv = 1 мм) составило 135 мм для ориентаций кристалла a-cut. Сравнительная величина для обычного элемента Nd:YVO a-cut в тех же условиях — 98 мм. Для a-cut элементов Nd:YVO с ДГТТ и Nd:YVO с ДПТТ коэффициент тепловой линзы по результатам расчетов оказался 0.24 м-1/Вт, что на 30% меньше, чем у обычного элемента Nd:YVO (0.31 м-1/Вт), не имеющего торцевого теплоотвода.
Использование качественно изготовленных активных элементов с ДПТТ и ДГТТ позволяет существенно (на десятки процентов) увеличить диапазон вводимой в АЭ мощности накачки без дополнительных изменений в оптической схеме резонатора и поднять средний уровень выходной мощности излучения лазера при сохранении высокого оптического качества излучения
Режим генерации микрочипового лазера с пассивной модуляцией добротности и торцевой диодной накачкой существенно зависит от соотношения поперечного размера прокаченной области активного элемента и диаметра основной моды резонатора, а также от поперечного распределения активных или диссипативных потерь в резонаторе. В случае равномерных потерь одномодовый режим реализуется при мощности накачки, соответствующей порогу генерации, и при небольшом превышении размера прокаченной области относительно размера основной моды.
При увеличении поперечного размера прокаченной области в активном элементе с одновременным увеличением энергии импульса накачки генерация из одномодового режима переходит в режим, при котором в пространственно-временной структуре импульсов можно выделить первый лидирующий субимпульс с одночастотным спектром, соответствующий основной моде резонатора, и один или более отстающих по времени субимпульсов, энергия которых определяется общим объемом прокачанной зоны активного элемента. При этом излучение основной TEM00 моды на краях поперечного распределения может быть задающим излучением для генерации второго субимпульса. Временной интервал между субимпульсами определяется конфигурацией резонатора и накачки, и может изменяться от полного перекрытия до значений в несколько раз превышающих длительность отдельных субимпульсов. Для управления длительностью и временной структурой импульсов генерации может быть использовано активное выходное зеркало с пространственно распределенным коэффициентом отражения на основе интерферометра Фабри — Перо с неплоскими зеркалами. Продемонстрирована возможность управления в широких пределах длительностью и формой одиночного импульса, а также возможность получения последовательности пачек из ограниченного числа импульсов с управляемым интервалом между субимпульсами в пачке. При этом тонкой подстройкой величины базы интерферометра можно получить практически любое соотношение энергий в субимпульсах.
Получено обратное ВКР-преобразование в кристалле нитрата бария из субнаносекундных импульсов второй гармоники ( = 532 нм) микрочип-лазера Nd:YAG-Cr:YAG с пассивной модуляцией добротности и торцевой диодной накачкой. Энергия в импульсе на входе в ВКР-активный кристалл составляла до 50 мкДж при частоте повторения импульсов до 1 кГц. Максимальная эффективность преобразования составила 50%, при этом в структуре стоксова импульса присутствует довольно протяженная хвостовая часть, содержащая до 50% полной энергии при максимальном уровне используемой накачки. Длительность обратной стоксовой компоненты ВКР-преобразования составила 0,135 нс, что соответствует коэффициенту временной компрессии 6,4.
