Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время лазеры на красителях имеют многочисленные иенения в научных и прикладных областях, например: медицине, строскопии, лидарной технике. При решении различных задач в об-:и спектроскопии высокого разрешения от лазеров требуются такие іктеристики как узкий контур генерации, высокая стабильность вы-ных параметров, а также возможность плавной (с точностью поряд-иирины линии) перестройки частоты. Этим требованиям наиболее но удовлетворяют лазеры на красителях, способные работать в од-астотном режиме (т.е. в режиме одной продольной и поперечной ы).
Одной из перспективных схем импульсных узкополосных лазеров :расителе является лазер с дифракционной решеткой, установленной углом скользящего падения (т. н. GIG- резонатор)П]. Схема GIG :ра приведена на рис. 1, резонатор образован зеркалами Ml, М2 и ракционной решеткой G, при этом решетка устанавливается под ыиим, порядка 85 - 89^, углом к падающему лучу. Длина волны ге-щии определяется соотношением
A(sinQ +sirup), (1)
X — длина волны излучения; Л - период решетки; 9 - угол
LlttmanM.G. and Metcalf H.J. "Spectrally narrow pulsed dye laser without n expander. "Appl. Opt. 17, 2224-2227 (1978).
падения излучения на решетку; ф - угол дифракции. Сканирование j зера осуществляется поворотом зеркала М2 (изменением угла ф). Выв излучения происходит через зеркальный порядок решетки или ЧЄ{ зеркало Ml.
Рис. А Схема GIG резонатора: Ml, М2 - зеркала; G - дифракционная решетка; С — кювета для красителя; Р — излучение лазера накачки.
Из формулы для дифракционной решетки (1) легко получить Е ражение для ее угловой дисперсии:
> =
СІЦІ _ 1
dk Kcoswf
(2)
где ці - угол дифракции. В GIG резонаторе излучение дважды испьп вает дифракцию. На прямом обходе угол дифракции равен ф, а на обр ном - 9, таким образом, дисперсия GIG резонатора при однократном п ходе излучения описывается приближенной формулой
^«4—+—I &
A\cosq> cosQj
[ приближении угла падения изучения на решетку к предельному іению 9 -> к/2 => cosQ —> 0 , поэтому дисперсия GIG резонатора гательно увеличивается. Высокая дисперсия решетки, установлен-в схеме скользящего падения, делает возможной работу лазера в уз-олосном и даже одночастотном режиме без использования расширили пучка и дополнительных внутрирезонаторных селекторов часто-
Таким образом, основным преимуществом лазеров с GIG резона-эм является предельная простота конструкции. Минимальное коли-гво элементов, составляющих резонатор, позволяет, во-первых, зна-ельно уменьшить его оптическую длину (увеличить межмодовыи ервал), что облегчает достижение одночастотного режима работы, зторых, существенно упростить управление лазером и повысить ста-ьность его характеристик. Существенным недостатком лазеров с г резонаторами является низкий КПД, что определяется крайне низ-дифракционной эффективностью существующих решеток, при пре-ьных (более 89^) углах падения излучения. В настоящее время одно-готные лазеры с GIG резонатором не получили широкого распро-шения, однако высокая селективность и простота конструкции, со-іющиеся в GIG резонаторе, привлекают к этой схеме неослабеваю-! внимание исследователей. На основе GIG схемы реализованы не ько лазеры на красителе, но и перестраиваемые лазеры с
другими активными средами и источниками накачки, в частности дис ные лазеры Р] и лазеры на титанате сапфира[3].
Изучение работ, посвященных исследованию GIG лазеров, позі ляет сформулировать несколько задач, пока не получивших решения.
Не преодолен главный недостаток одночастотных лазеров с GIG [ зонатором - низкая эффективность генерации[4].
Несмотря на большой объем фактического материала, не сформуі рованы критерии, позволяющие по заданным параметрам активне вещества и источника накачки, определить параметры GIG резої тора, обеспечивающие одночастотный режим работы лазера.
Не выработаны методики, позволяющие проводить оптимизащ всего комплекса параметров GIG лазера, таких как
р] Диодные GIG лазеры выпускаются промышленно компанией New Focus. l*J Bhabana Pati and Jacek Borysow. "Single-mode tunable TUsapphire laser ove wide frequency range, "Appl. Opt, Vol.36, No. 36, pp. 9337-9341 (1997) [4] Следует отметить работу [МсКіппіе, Т., Berry, A.J., and King, T.A. "S ble efficient single-mode operation of a high repetition rate grazing incidence t laser" J. of Modern. Opt. 38, 1691-1701. (1991)], в которой сообщается о созі ний одночастотного GIG лазера, имеющего эффективность 12%. Однако торы статьи не объяснили, как им удалось добиться такого результата последующих работах этих же авторов описываются GIG лазеры с бо. скромными характеристиками, например [David J. Binks, Lawrie A. W. Glosi Terry A. King and Jain T. МсКіппіе, "Frequency locking of a pulsed sin^ longitudinal-mode laser in a coupled-cavity resonator", Appl. Opt., vol. 36, No. (1997)]
метрия активной зоны, длина резонатора, угол падения излучения на іетку, величина обратной связи в резонаторе и т. д..
Цель работы
Основной задачей работы являлось изучение механизма возник-ения одночастотной генерации в лазере на красителе с GIG резона-ом. Важной частью работы стало создание экспериментального об-ца GIG лазера с оптимизированными параметрами.
Научная новизна и практическая ценность работы
Впервые создана математическая модель лазерного резонатора с дифракционной решеткой, корректно описывающая механизм возникновения одночастотной генерации. Построенная модель позволяет сформулировать условия, необходимые для достижения одночастотной генерации и провести оптимизацию конструкции лазера. Впервые предложена высокоэффективная дифракционная решетка цля работы в схеме скользящего падения.
Создан образец одночастотного импульсного лазера на красителе с GIG резонатором, имеющего рекордные в своем классе характеристики.
Реализована схема одночастотного сканирования лазера на красителе.
Предложена и экспериментально реализована оптоволоконная система накачки одночастотного импульсного лазера.
Перечисленные результаты важны для таких практических применен как совершенствование источников излучения для спектроскопии вые кого разрешения.
Апробация работы и публикации
Материалы настоящей диссертационной работы докладьівалисі обсуждались на семинарах ИОФАН, 2-ой Всероссийской конференц по физико-химическим процессам при селекции атомов и молек; (Звенигород, сентябрь 1997), 2-ой Международной конференции по і пользованию лазеров в исследованиях экзотических ядер (Poznan' ф< раль 1997), конференции Laser Optics'98 (Санкт Петербург, июнь 1998
Основные результаты работы опубликованы в 3-х статьях:
Васильев СВ., Кострица С.А. Мишин В.А. «Исследование уэ перестройки частоты одномодового лазера на красителе с решетк в скользящем падении». ЖТФ, том 67, № 3, стр. 53 - 57 (1997).
Васильев СВ., Мишин В.А., Шаврова Т.В. «Одночастотный лаз на красителе с оптоволоконной накачкой». Квантовая электрони том 24, №2, 131-133(1997).
Васильев СВ., «Эффективная дифракционная решетка для работь схеме скользящего падения». Квантовая электроника, том 25, № 429-432 (1997).
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка ературы. Общий объем диссертации составляет 185 страниц, вклю-78 рисунков.
