Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 18
1.1 Методы формирования импульсов короткой и ультракороткой длительности 18
1.2 Генерация суммарной частоты, оптическая параметрическая генерация и усиление света 21
1.3 Генерация УФ-излучения 23
1.4 Двухчастотная лазерная генерация 37
Глава 2. Генерация пикосекундных УФ-импульсов 39
2.1 Генерация пикосекундных УФ-импульсов с длиной волны 248 нм на основе Nd YAP-лазера 39
2.1.1 Выбор схемы нелинейно-оптического преобразования 39
2.1.2 Экспериментальная установка 48
2.1.3 Нелинейное преобразование излучения 51
2.2 Генерация мощных пикосекундных УФ-импульсов с длиной волны 193.4 нм наосновеМс13+:АО-лазераиэксимерного ArF-усилителя 58
2.2.1 Выбор схемы нелинейно-оптического преобразования 58
2.2.2 Экспериментальная установка 61
2.2.3 Нелинейное преобразование излучения 65
2.2.4 Усиление в ArF-эксимерном усилителе 70
2.3 Выводы к Главе 2 з
Глава 3. Управление добротностью лазеров пассивным затвором из кристаллов Co2+:Gd3Ga5Oi2 и Co2+:MgAl204 76
3.1 Спектрально-модуляционные характеристики кристалла Со : Gd3Ga5Oi2 76
3.2 Модуляция добротности в области 1.3 мкм 79
3.3 Модуляция добротности в области 1.5 мкм 82
3.4 Выводы к Главе 3 84
Глава 4. Перестраиваемая двухчастотная генерация Ш3+:УУ04-лазера на переходе неодима 4F3/2- 4Iu/2 86
4.1 Экспериментальная установка 86
4.2 Результаты 89
4.3 Выводы к Главе 4 92
Заключение 93
Список используемых сокращений 96
Список литературы
- Генерация суммарной частоты, оптическая параметрическая генерация и усиление света
- Генерация мощных пикосекундных УФ-импульсов с длиной волны 193.4 нм наосновеМс13+:АО-лазераиэксимерного ArF-усилителя
- Нелинейное преобразование излучения
- Модуляция добротности в области 1.3 мкм
Генерация суммарной частоты, оптическая параметрическая генерация и усиление света
Одной из важнейших проблем лазерной физики является управление длительностью импульса лазерной генерации. Интерес к этой задачи проявляется и в области генерации ультракоротких импульсов, и в наносекундной области длительностей. Управление длительностью лазерного импульса осуществляется методами модуляции добротности и синхронизации мод лазера.
В качестве устройств модуляции добротности в современных лазерных системах ИК диапазона широко применяются устройства пассивной и активной модуляции добротности. В активных устройствах на основе кристаллов, использующих акустооптические, электрооптические эффекты, эффект нарушенного полного внутреннего отражения; для модуляции необходимо воздействие "извне" по отношению к устройству, например, изменение напряжения, приложенного к электрооптическому затвору. В пассивных устройствах модуляция добротности осуществляется оптической нелинейностью среды, используемой в качестве насыщающегося поглотителя. Примером использования пассивной модуляции добротности является применение кристаллов Cr4+:YAG [25] и V3+:YAG [26], у которых полоса насыщающегося поглощения, находящаяся в области от 0.8 до 1.2 мкм, пригодных для пассивной модуляции добротности неодимовых лазеров. В последние годы выросло внимание к поиску и получению материалов подходящих для использования в качестве насыщающихся поглотителей в области длин волн 1.3-1.7 мкм и изучению их свойств [27-29]. Эти длины волн интересны с точки зрения создания приборов безопасных для зрения, применимы в волоконно-оптических средствах коммуникации, оптической локации и других областях. Несмотря на уже имеющийся выбор насыщающихся поглотителей для указанной области, задача поиска материала, который оптимален и с точки зрения технологии его производства, так и модулирующих свойств, в настоящее время актуальна. Так материалам с простой технологией синтеза могут быть присущи функциональные недостатки. Например, в сдвинутом в коротковолновую область спектра поглощения ситаллов магниево- и цинковоалюмосиликатных систем, содержащих нанокристаллы шпинелей с примесными ионами двухвалентного кобальта [29], длина волны 1535 нм попадает на край полосы поглощения. Коэффициент пропускания такого пассивного затвора зависит от температурных условий, что ведёт к неустойчивости выходной энергии излучения и к усложнению системы накачки. Очень хорошими характеристиками, с точки зрения модуляции добротности, обладают монокристаллы алюмомагниевой шпинели Co2+:MgAl204 (MALO) [30]: большое сечение поглощения а=3х10 19 см2 на длине волны 1535 нм при длительности релаксации просветления 200-400 не. Однако процесс получения кристаллов технологически трудоёмок, температура плавления кристалла 2130С.
До сих пор актуален поиск материалов для пассивной модуляции добротности на многих длинах волн, например, в УФ- диапазоне на длинах волн эксимерных лазеров нет эффективных насыщающихся поглотителей.
Для достижения наиболее коротких импульсов лазерного излучения используется режим синхронизации мод. В данном случае лазерный резонатор содержит либо активный элемент (оптический модулятор) или нелинейный пассивный элемент (насыщающийся поглотитель). В обычных условиях лазер, генерирующий излучение на многих продольных модах, излучает пучки, изменяющиеся во времени случайным образом, в соответствии с фазами продольных мод. Если синхронизовать генерацию мод, а именно, связать фазы отдельных мод, то излучение представляет собой набор коротких импульсов, с периодом равным обходу резонатора T=2L/c, где L — длина резонатора, с — скорость света. В результате создается импульс длительностью t TVn l/Av, где п — число продольных мод, Av — ширина линии рабочего перехода лазера. Одной из проблем создания лазеров с синхронизацией мод является интерференционная селекция продольных мод, возникающая за счет наличия в резонаторе отражающих плоскостей. Для её решения в лазерах используют неселективный резонатор, где все зеркальные покрытия наносятся на клиновидные подложки, а на оптические элементы наносят просветление на рабочей длине волны, чтобы избавится от всех дополнительных отражающих плоскостей, помимо зеркал основного резонатора.
Для получения пикосекундных и фемтосекундных лазерных импульсов подходят активные и пассивные методы синхронизации мод. Для пассивной синхронизации мод широко используются насыщающиеся поглотители основанные на красителях [31, 32], полупроводниковых зеркалах (SESAM — Semiconductor Saturable Absorber Mirror) [33], стеклах с полупроводниковыми нанокристаллами [34], графене и одностенных углеродных нанотрубках [35-37], а также модуляторы основанные на эффекте керровской нелинейности [38]. У всех этих материалов и методов есть свои и достоинства и недостатки. Применительно к красителям, их недостатком является деградация от температурного воздействия при лазерном облучении, необходима частая замена пленок или прокачка жидкости с красителем, но возможна работа в широком спектре частот. Полупроводниковые стекла имеют узкую спектральную полосу, порядка нескольких десятков нанометров, низкую энергию насыщения и низкий порог разрушения, вследствие этого возможна генерация импульсов только с относительно низкой энергией, то есть необходимо последующее усиление выходного излучения. Поглотители на графене и одностенных углеродных нанотрубок могут использоваться в виде суспензий и в композитных материалах. Их отличает широкий спектральный диапазон, малые времена релаксации и низкий порог лазерного разрушения. В методе пассивной синхронизации мод на керровской нелинейности нет таких проблем с разрушением, но эта техника накладывает высокие требования к стабильности накачки лазера.
Генерация мощных пикосекундных УФ-импульсов с длиной волны 193.4 нм наосновеМс13+:АО-лазераиэксимерного ArF-усилителя
Для выполнения работы было необходимо провести поиск активной среды задающего лазера и материалов для нелинейно-оптических преобразований частоты его излучения. Кристаллы, активированные неодимом, были выбраны как наиболее доступные и обладающие непревзойденными эксплуатационными и лазерными характеристиками. Решалась задача выбора надежной рабочей схемы с минимально возможным количеством элементов. Было установлено, что генерация с конечной длиной волны 248 нм может быть получена с одним исходным источником, если в его качестве используется излучение Nd :YAP лазера.
Длина волны основного излучения Nd :АР-лазера составляет 1079 нм, второй гармоники — 539.5 нм, третьей гармоники — 359.6 нм, четвертой гармоники — 269.7 нм. Были рассмотрены следующие возможные схемы преобразования излучения пикосекундного Nd :АР-лазера в излучение с длиной волны 248 нм: 1) Вторая или третья гармоника основного излучения Nd :АР-лазера используется в качестве излучения накачки для параметрической генерации света, которая настраивается на длину волны 744 нм; далее полученное излучение на втором каскаде преобразуется в третью гармонику с длиной волны 248 нм. Подробные данные процесса представлены в Таблице 1. 2) Третья или четвёртая гармоника основного излучения Nd : YAP-лазера используется в качестве излучения накачки для параметрической генерации света, которая настраивается на длину волны 496 нм; далее полученное излучение на втором каскаде преобразуется во вторую гармонику с длиной волны 248 нм. Подробные данные процесса представлены в Таблице 2. Q_i_ 3) Третья или четвёртая гармоника основного излучения Nd : YAP-лазера используется в качестве излучения накачки для параметрической генерации света, которая настраивается на длину волны 459 нм; далее на втором каскаде происходит генерация суммарной частоты при смешении полученного излучения с длинной волны 459 нм и второй гармоники основного излучения Nd :YAP-лазера. Подробные данные процесса представлены в Таблице 3. 4) Вторая или третья гармоника основного излучения Nd :АР-лазера используется в качестве излучения накачки для параметрической генерации света, которая настраивается на длину волны 918 нм; далее на втором каскаде происходит генерация суммарной частоты при смешении второй гармоники 5) Вторая гармоника основного излучения Nd :АР-лазера используется в качестве излучения накачки для параметрической генерации света, которая настраивается на длину волны 798 нм; далее на втором каскаде происходит генерация суммарной частоты при смешении третьей гармоники 359.5 нм основного излучения Nd :АР-лазера и полученного при параметрической генерации излучения 798 нм. Подробные данные процесса представлены в Таблице 5. преобразователей, параметров и характеристик практически доступных нелинейно-оптических кристаллов была выбрана схема 5): двухкаскадное параметрическое преобразование излучения с сигнальной волной 798 нм при накачке второй гармоникой 539.5 нм Nd :АР-лазера с последующим смешением этого излучения с излучением третьей гармоники 359.6 нм Nd :YAP лазера. Для генерации суммарной частоты выбрана накачка наиболее "длинноволновой" сигнальной волной параметрического генератора света.
Для эффективного преобразования энергии основного излучения в излучение с длиной волны 248 нм необходимо выбрать нелинейно-оптический нецентросимметричный кристалл, в котором выполняется условие синхронизма, поглощение УФ-излучения минимально, с высоким коэффициентом преобразования и практически доступен.
Генерация суммарной частоты. Рассмотрим взаимодействие ( \+( 2=&з [90]. В приближении плоских волн и заданных полей накачки Ei и Е2:
Коэффициент преобразования г=3-10 8- \}VX Коэффициент преобразования в кристалле KDP на порядок меньше, чем в ВВО, поэтому для генерации суммарной частоты с длиной волны 248 нм был выбран кристалл ВВО.
Параметрическая генерация света. Закон сохранения энергии допускает генерацию сигнальной волны с частотой от 0 до юн, но максимальной сигнальная волна будет на частоте для которой выполняется условие фазового синхронизма. Запишем выражение для усиления сигнальной IS(L) и холостой HL) волн на выходной грани кристалла при отсутствии холостой волны на входе, полученного в приближении плоских волн без учета истощения накачки [91]:
Пространственный снос возникает только для лучей с необыкновенной поляризацией, распространяющихся под некоторым углом 0 (кроме 90) к оптической оси, так что показатель преломления пе и фазовая скорость зависят от этого угла. Угол пространственного сноса определяется уравнением (14) [92]: где знак минус указывает на то, что пространственный снос будет идти в направлении, где показатель преломления уменьшается. В то же время, луч с обыкновенной поляризацией (у которого показатель преломления не зависит от угла) не испытывает пространственного сноса.
Нелинейное преобразование излучения
Затравочные пикосекундные УФ-импульсы диаметром 6 мм с энергией 3 мкДж направлялись в электроразрядный эксимерный ArF-лазер. Объём разрядного промежутка -7x2х 100 смЗ, давление 2.6 атм., напряжение разряда 25 кВ, длительность разряда 45 не, время запуска модуля 1 мкс при нестабильности ±2 не. Зеркала резонатора ArF-лазера были заменены на пластины из CaF2 и при этом развернуты на угол, достаточный для подавления паразитной генерации на френелевских отражениях. Для синхронизации задающего генератора использовался 4-канальный цифровой генератор задержки/импульсов Standford research systems DG535.
В режиме с одним проходом получен коэффициент усиления 10 , что согласуется с работой [63], при плотности энергии в пятне порядка 0.4 мДж/см . Измеренная длительность усиленного за один проход импульса составила 15 пс (Рисунок 29).
Зависимость интенсивности импульса от времени, измеренная в ЭОК, и её аппроксимация гауссовой функцией. Усиленное излучение 193 нм после первого прохода.
Далее была собрана трехпроходная схема. Дискриминация паразитного фонового излучения в тракте второго и третьего прохода осуществлялась с помощью апертурных диафрагм. Энергия выходного излучения составила до 8 мДж, длительность 15 пс (Рисунок 30).
Зависимость интенсивности импульса от времени, измеренная в ЭОК, и её аппроксимация гауссовой функцией. Усиленное излучение 193 нм после третьего прохода. Суперлюминесценция дискриминировалась пространственным фильтром, образованным двумя линзами и диафрагмой. Несмотря на то, что использовалась трехпроходная схема усиления, она позволяла достичь приемлемого значения вклада суперлюминесценции в полную энергию импульса (не более 10%). Измеренный прямым методом с использованием ЭОК контраст по интенсивности составил 70-150, такой разброс связан с нестабильностью синхронизации слабого сигнала и накачки эксимерного усилителя. Для определения контраста по интенсивности измерялась интенсивность пикосекундного усиленного импульса, суперлюминесценции и фона.
Таким образом, в ходе работы был создан лазерный стенд с усилителями и комплексной системой нелинейного преобразования. В качестве активных элементов использовались кристаллы Nd3+:YAP и Nd3+:YAG. Генерация лазера осуществлялась в режиме синхронизации мод с пикосекундными длительностями импульсов. С использованием излучения Nd :АР-лазера было получено УФ-излучение с длиной волны 248 нм (40 мкДж/имп). С использованием излучения Nd :АО-лазера было получено УФ-излучение с длиной волны 193.4 нм (8 мкДж/имп. — затравочный импульс, 8 мДж/имп. — усиленный в ArF-усилителе.), с возможностью перестройки излучения в диапазоне 191-200 нм (4-8 мкДж/имп.).
УФ-излучение с длиной волны 248 нм генерируется с использованием излучения Nd : YAP-лазера. Для излучения с длиной волны 248 нм эффективность преобразования из основного излучения с длиной волны 1079 нм составляет 0.5%. Полученное излучение может использоваться в качестве затравочного для усиления в KrF-эксимерном усилителе. Представленные результаты опубликованы в работе [97]. УФ-излучение с длиной волны 193.4 нм, с возможностью перестройки излучения в диапазоне 191-200 нм, генерируется с использованием излучения Nd :АО-лазера. Энергия усиленного в трехпроходной схеме в ArF-усилителе излучения с длиной волны 193.4 нм достигает 8 мДж, при длительности импульса 15 пс. Представленные результаты опубликованы в работах [98, 99]. Пикосекундные импульсы с длиной волны 193.4 нм синхронизованы с мощными пикосекундными импульсами видимого и ИК-диапазона, дополнительные оптические элементы для изменения поляризации при нелинейно-оптических преобразованиях в данной схеме не используются. Вклад суперлюминесценции в полную энергию усиленного импульса составляет не более 10%. Измеренный ЭОК контраст усиленного импульса по интенсивности составляет 70-150. Преобразование энергии основного излучения с длиной волны 1064 нм в излучение затравочного импульса с длиной волны 193.4 нм составляет -0.03%.
В этой части работы рассматривается возможность управления добротностью лазеров с помощью пассивных затворов в области генерации 1.3-1.7 мкм.
В настоящей работе исследовался новый оптический материал гадолиний 94- 94 галлиевый гранат Со :Gd3Ga50i2 (Со :GGG), синтезированный в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН [100]. На Рисунке 31 представлен спектр поглощения выращенного кристалла Co2+:GGG. показаны уровни ионов Со в тетраэдрической подрешетке. В спектре наблюдаются две широкие полосы поглощения 500-730 нм и 1000-1700 нм. Такой спектр характерен для кобальтосодержащих пленок GGG и спектра кобальта в кристаллах YAG и YGG [101, 102]. По аналогии с этими кристаллами, пики поглощения 613 и 1423 нм можно распознать как электронные переходы между уровнями 4А2- 4Т1(4Р) и 4A2- 4T1(4F) ионов Со2+ в тетраэдрической подрешетке. В инфракрасной области спектра наблюдается полоса поглощения 2000-2500 нм, отождествляемая переходом 4A2- 4T1(4F). ИК спектр поглощения кобальта в GGG в отличие от шпинели MALO смещён в длинноволновую область. Практически важно, что в области 1530-1630 нм коэффициент поглощения почти не изменен. Было проведено исследование спектра люминесценции кристаллов GGG (Рисунок 32). Возбуждение проводилось излучением гелий-неонового лазера на длине волны 630 нм. В кобальтовой шпинели наблюдается сильная полоса люминесценции с пиком около 660 нм, соответствующему переходу 4Ti(4P) 4A2 ионов Со2+ в тетраэдрической подрешетке. Практическая идентичность полосы люминесценции ионов кобальта может быть подтверждением достоверности полученных на основе спектров поглощения выводов о позициях ионов в кристаллической решетке
Модуляция добротности в области 1.3 мкм
Схема двухчастотной лазерной системы с возможностью перестройки излучения по частоте представлена на Рисунке 40. В качестве активного лазерного элемента использовался кристалл Nd :YVC 4, вырезанный вдоль оси а, с легированной (6 мм) и нелегированной (2 мм) неодимом областями. Атомная концентрация ионов неодима в кристалле — 0.5%, размеры кристалла — 4x4x8 мм. Использование кристалла с легированной и нелегированной областями позволяет уменьшить эффект наведенной в активном элементе тепловой линзы, и тем самым обеспечить эффективную работу лазера.
Активный элемент был закреплён в медный блок с водяным охлаждением. Для накачки кристалла использовалась лазерная диодная система LIMO HLU30F200 с волоконным выводом (длина волны 808 нм). Далее излучение фокусировалось в активный элемент в пятно диаметром 250-400 мкм. Поглощенная в активном элементе мощность накачки составляла 12 Вт. На Рисунке 41 приведен спектр люминесценции кристалла Nd :YVC 4, вырезанного вдоль оси а ( -поляризация) [87, 108]. Генерация в режиме а поляризации имеет широкую линию люминесценции излучения, сравнимую с шириной линии люминесценции кристалла, вырезанного вдоль оси с. Это открывает возможность перестраивать лазерное по широкому профилю усиления.
Фрагмент спектра люминесценции на переходе F3/2— hm кристалла Nd :YVC 4, вырезанного вдоль оси а, при о- и ж-поляризациях.
Для работы с --поляризацией необходимо было селективно подавить излучение с я поляризацией, сечение люминесценции которого в пять раз выше. Для разделения излучений с о-- и яг-поляризациями было использовано свойство двулучепреломления кристаллов ванадатов и аналогично авторам работ [108, 109], один торец активного элемента был скошен на угол 2, таким образом лучи с а- и яг-поляризациями были пространственно разведены.
На один торец активного элемента было нанесено дихроичное диэлектрическое покрытие (Ml) с коэффициентом отражения равным 100% на длине волны 1064 нм и близким к 0% (антиотражающее) на длине волны 808 нм. Этот торец (Ml) и плоское выходное зеркало (М4) с пропусканием 5% на длине волны 1064 нм образовывали оптический резонатор. Другая сторона активного элемента была просветлена на длины волн 808 нм и 1064 нм. Из соображений компактности резонатор имел зигзагообразную форму. Устойчивость резонатора обеспечивали два сферических зеркала М2 и МЗ с радиусом кривизны 340 мм, помещенные между плоскими зеркалами.
Режим модуляции добротности лазера осуществлялся с помощью акустооптического модулятора АОМ1 (МЗ-321М), управляемого генератором синусоидального напряжения ГСН 50-ЗОИ с мощностью выходного сигнала до 30 Вт. Режим синхронизации мод создавался при введении в резонатор дополнительного модулятора АОМ2 (АС-1) с мощностью высокочастотного сигнала до 8 Вт.
Режим двухчастотной генерации лазера осуществлялся за счет внесения в резонатор дополнительных спектрально-селективных потерь [ПО], которые выравнивают добротность резонатора на разных участках спектра люминесценции активного элемента. В качестве такого селектирующего элемента был выбран эталон Фабри - Перо (ФП). Область дисперсии интерферометра определяет разность длин волн пропускания ФП: Xi-X2=X /(2nd), где п — коэффициент преломления, d — толщина ФП, X=(Xi+X2)/2. Изменение угла наклона ФП приводит к изменению d, что приводит к смещению максимумов пропускания. Генерация лазера будет происходить одновременно на двух длинах волн в том случае, когда соответствующие им добротности резонатора будут одинаковыми. 4.2 Результаты
В экспериментальной работе использовался набор ФП, выполненных из кристаллов YAG в форме плоскопараллельных пластин с толщинами 80, 97, 130 и 270 мкм без диэлектрических покрытий.
На Рисунке 42 представлены характерные спектры выходного лазерного излучения в режиме непрерывной генерации при внесении в резонатор ФП различной толщины. Видно, что в зависимости от толщины эталона изменяются длины генерируемых волн и расстояние между ними. На Рисунке 43 представлены спектры выходного лазерного излучения при изменении угла наклона ФП на примере эталона толщиной 290 мкм.
Двухчастотное излучение устойчиво наблюдалось в режиме свободной генерации, в режиме модуляции добротности и в комбинированном режиме модуляции добротности совместно с синхронизацией мод.
На Рисунке 44 приведена осциллограмма цуга лазерных импульсов, характерная для комбинированного режима. Импульс генерации был зарегистрирован с помощью приемника на основе лавинного фотодиода ЛФД-2а и осциллографа Tektronix TDS3052. Такой комбинированный режим позволяет почти на два порядка увеличить выходную пиковую мощность лазера по сравнению с мощностью квазинепрерывного пикосекундного лазера.
Выходная мощность излучения двухчастотного лазера составила: 360 мВт в режиме свободной генерации, 300 мВт в режиме модуляции добротности при частоте следования импульсов 12 кГц и длительности импульсов 40-60 не, 280 мВт в комбинированном режиме при частоте следования импульсов 100 МГЦ и длительности импульсов 40-60 пс. При перестройке излучения по частоте, выходная мощность во всех режимах генерации оставалась практически неизменной.
Полученные экспериментальные данные показывают потенциальную возможность получения на нелинейных кристаллах и оптоэлектронных антеннах разностной частоты вблизи 0.58, 0.63, 0.64, 0.71, 1, 1.02 и 1.12 ТГц. Эти частоты показаны на Рисунке 45 стрелками. На этом рисунке представлен спектр поглощения ТГц излучения в парах воды в атмосфере при нормальных условиях (данные по поглощению взяты из базы HITRUN). Видно, что рассмотренный в данной главе двухчастотный лазер обладает набором генерируемых длин волн, для которых разностная частота попадает в область минимального поглощения атмосферы.