Введение к работе
Актуальность работы. Пикосекундные световые импульсы {г ^ 1СТ"с), которые._ в научной литературе именуются также ультрокороткими импульсами (УКИ), широко используются в различных областях физики, фотохимии и фотобиологии, в частности, для исследования нестационарных нелинейных явлений, пикосекундной спектроскопии, измерений различных Оыстропротекающих процессов, для волоконной оптики, для исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом и т.д.
Однако, если для видимой и ближней инфракрасной областей разработано большое количество разнообразных источников УКИ, то за пределами этого диапазона возможности получения УКИ существенно ограничены. Это утверждение полностью относится и к спектральной области,находящейся вблизи 1.5 мкм и представляющей большой интерес с научной и практической точки зрения, поскольку излучение в этом диапазоне проходит с минимальными потерями атмосферу ( Справочник по лазерам. М. Сов.радио, 1978, т.1, 504 с), оптическое волокно (Е.М.Дианов, П.В.Мамышев, А.М.Прохоров. Квант, электрон., т.15, 5(1988)) и практически безвредно для глазных тканей ( П.С.Авдеев, Ю.Д.Березин, Ю.П.Гудаковский и др. Квант, электрон., т.5, 220(1978)). Среди лазеров, излучающих УКИ в этом спектральном диапазоне, были известны лишь достаточно сложные и дорогостоящие устройства: лазеры на центрах окраски с синхронной накачкой (см..например, L.P.Mollenauer, R.H.Stolen, J.P.Gordon. Phys. Rev. Letters, v.45, 1095(1980)) и параметрические генераторы света (см.,например, Г.Ионушкас, А.Пискарскас, В.Сируткайтис и др. Квант, электрон.,т.14, 2044(1987)). Кроме того, была известна также генерация УКИ в этом диапазоне при вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР) в волоконных световодах ( К.Л.Водопьянов, А.Б.Грудинин, Е.М.Дианов и др. Квант, электрон., т.14, 2053(1987) ), отличающаяся крайне низкими выходными энергиями в импульсе '(~ Ю^Дж).
Хотя в области 1.5 мкм лежит рабочая длина волны эрбиввого стекла (X = 1.54 мкм), генерация УКИ этим лазером посредством одного из самых простых способов, пассивной синхронизации мод (ПСМ), не была реализована из-за отсутствия обратимо просветляющихся сред с длиной волны А. > 1.3 мкм. Практически не была исследована также компрессия субнаносекундных и пикосекундных
импульсов неодимовых лазеров {\ = 1.06 мкм) при обратном ВКР в сжатом метане (СН,), стоксов сдвиг у которого равен 2917 см"1, .что дает длину волны первого стоксового импульса А.с = 1.54 мкм. Поэтому представлялось актуальным проведение физических экспериментальных исследований, направленных на расширение набора источников УКИ света диапазона 1.5 мкм достаточно простыми и дешевыми лазерными устройствами, основанными на ПСМ в лазерах на эрбиевом стекле и на компрессии при ВКР в сжатом метане излучения неодимовых лазеров. Цель работы заключалась:
а) в разработке и исследовании достаточно стойких красителей,
способных обратимо просветляться в области 1.5 мкм, и в
исследовании возможности ПСМ в эрбиевом лазера на этих красителях;
б) в исследовании временных, энергетических и угловых
характеристик излучения ряда лазерных схем, генерирующих УКИ с
длиной волны А. « 1.5 мкм, основанных на компрессии в сжатом метане
излучения неодимовых лазеров и направленных на получение
максимальной эффективности преобразования и минимальной
длительности импульсов;
в) в сопоставлении и анализе полученных результатов для
определения наиболее перспективных лазерных схем среди
исследованных.
Степень новизны и научное значение результатов исследований.
-
Впервые предложены и исследованы три быстрорелаксирувдих полиметиновых красителя 4919у и 5001у (максимум поглощения 1.52 мкм) и 5105у (максимум поглощения 1.62 мкм). Обнаружена очень высокая (для столь длинноволновых красителей) стойкость красителей 4919у и 5001у. На них впервые в мировой практике реализован режим ПСМ в эрбиевом лазере (А. = 1,54 мкм) с длительностью УКИ х " 7*10~12с.
-
Впервые проведены исследования обратного ВКР в сжатом метане пикосекундных импульсов стеклянного и гранатового неодимовых лазеров, которые показали, что при длительности импульсов накачки т * 50*10""" может быть реализовано обратное ВКР в режиме компрессии с достаточно высокими энергетическими, временными и угловыми характеристиками.
-
При обратном ВКР в сжатом метане цугов пикосекундных импульсов гранатового неодимовового лазера впервые обнаружен и исследован эффект селекции одиночного импульса. Установлен диапазон
-f-
условий накачки метана, когда в результате конкуренции обратного ВКР с оптическим пробоем происходит выделение первого импульса из цуга при одновременном преобразовании его частоты.
4. Впервые проведены сравнительные измерения длительностей
световых импульсов пикосекундного диапазона при одновременном
использовании прямой (электронно-оптическая камера) и
корреляционной (неколлинеарная генерация второй гармоники за одну
вспышку) методик. Показано, что корреляционная методика дает
достоверные значения длительностей измеряемых импульсов при
достаточно большом поперечном размере светового пучка основного
излучения. Установлен практический критерий определения
длительностей УКИ корреляционной методикой с минимальными ошибками.
-
Проведены исследования воздействия пикосекундных импульсов, формируемых при попутном ВКР в сжатом метане при накачке его УКИ стеклянного неодимового лазера, на микрокристаллы галогенидов серебра с целью выяснения особенностей протекания электронных процессов на стадии образования скрытого изображения. Они позволили исключить объяснение световой сенсибилизации к излучению 1.06 и 1.53 мкм посредством теплового механизма.
-
Впервые детально исследованы двухкаскадная и трехкаскадная схемы последовательной компрессии на основе вынужденных рассеяний импульсов гранатового неодимового лазера длительностью і;к8*ІСГрс с генерацией на выходе пикосекундных импульсов с длиной волны 1.54 мкм. Показано, что двухкаскадная схема способна генерировать УКИ длительностью %с - 20*ICf12c при достаточно высоких энергетических и угловых характеристиках выходного излучения, а трехкаскадная -УКИ с длительностью ic < IOICf'2c. Обнаружено, что в известных пределах степень компрессии при ВКР в метане практически не зависит от энергии накачки и фокусного расстояния фокусирующей линзы.
-
В рамках трехкаскадной схемы впервые исследована компрессия на основе вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) импульсов длительностью %„ < МСГ^с в ССГ и ацетоне. Показано, что в случае СС14 при определенных условиях могут быть получены стоксовы импульсы со средней длительностью %с и I20*10"izc при минимальной tc * 80*1СГ12с, что примерно лишь в два раза больше теоретического предела.
-
При обратном ВКР в сжатом метане импульсов длительностью %я <* 120*Ю~1гс с длиной волны X = 1.064 мкм впервые обнаружен эффект аномального подавления обратного рассеяния с ростом интенсивности
накачки, т.е. неизвестный ранее случай конкуренции попутного и обратного ВКР.
Практические результаты работы и предложения по использованию результатов диссертации.
-
Подучен экспериментальный критерий определения длительности УКИ с минимальными ошибками при неколлинеарной генерации второй гармоники за одну вспышку в нелинейном кристалле.
-
Исследование, обратного ВКР в сжатом метане при его накачке УКИ, генерируемыми лазерами на гранате с неодимом и неодимовом стекле, показали, что эффективный преобразователь УКИ из области 1.06 мкм в область 1.5 мкм должен строиться на основе гранатового лазера с длительностью выходного импульса % > 50*IQ""c.
-
Обнаруженный и исследованный эффект селекции одиночного импульса из цуга при обратном ВКР цуга УКИ в сжатом метане позволяет получать одиночный и преобразованный по' частоте импульс с вероятностью І00Ж. При этом не требуется система выделения одиночного импульса (искровой разрядник) исходного лазера высокого качества, что удешевляет его стоимомсть.
-
Полученные в процессе исследования компрессии при обратном ВКР в сжатом метане экспериментальные результаты (данные о пороговых энергиях, эффективностях ВКР-преобразователя, степенях компрессии, угловых расходимостях излучения) представляют большой практический интерес в деле конструирования соответствующих лазерных приборов.
-
Разработка и исследование быстрорелаксирующих пассивных затворов диапазона 1.5 мкм на основе растворов стабильных полиметиновых красителей существенно расширили практические возможности лазеров на эрбиевом стекле.
6. Показано, что при последовательной ВРМВ-компрессии импульсы
гранатового неодимового лазера длительностью ан * в^Ю'^с в двух
каскадах на СС1 могут быть сжаты до средней минимальной
длительности i„ =* 120*10~12с, что важно с практической точки
зрения, поскольку продемонстрирован сравнительно простой и дешевый
способ генерации импульсов длительностью % ~ І00*І0"ігс.
Личный вклад автора. Автором выполнены основные экспериментальные исследования, представленные в диссертации, т.е. им разработаны методики измерений, созданы экспериментальные установки, проведена обработка
-f-
и интерпретация экспериментальных данных, сделаны теоретические
оценки.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 5-ом Международном симпозиуме "Сверхбыстрые процессы в спектроскопии" (Вильнюс, 1987), 5-ой и 6-ой Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1987 и 1990), 14-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов" (Москва, 1989), II-ой Вавшювской конференции (Новосибирск, 1990), 1-ой Всесоюзной конференции "Физические проблемы оптической связи" (Севастополь, 1990), 14-ой Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991), Международном симпозиуме по оптике, оптическому изображению и приборостроению SPIE (США, Сан-Диего, 1993), 3-ей Международной школе-семинаре-выставке "Лазеры и современное приборостроение" (Санкт-Петербург, 1994), 7-ой и 8-ой Международных конференциях "Оптика лазеров" (Санкт-Петербург, 1993 и 1995).
Структура диссертации.
Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и
списка литературы. Общий объем диссертации - 209 страниц. Из них
139 страниц машинописного текста и 45 страниц рисунков.
Библиография - 212 наименований.
