§ 6. ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ СВЕРХКОРОТКИХ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ

Для измерения длительности пикосекундных световых импульсов применяют два основных метода: метод двухфотонной люминесценции и измерения с помощью электронно-оптических камер. Рассмотрим оба метода подробнее, а затем кратко остановимся на других измерительных методах.

а. Метод двухфотонной люминесценции (ДФЛ)

Весьма удачный и интересный метод измерения длительности пикосекундных световых импульсов предложили в 1967 г. Джордмейн и др. [24]. Метод основан на наложении двух цугов импульсов в растворе подходящего красителя. Для измерений выбирают краситель, обладающий двухфотонным поглощением. Схема метода ДФЛ представлена на рис. 27.8, а. Предположим, что неодимовый лазер генерирует цуг световых импульсов с интервалом между ними примерно от 2 до 20 не. В кристалле KDP возбуждается вто рая гармоника, которая после фокусировки телескопической системой направляется в кювету с раствором красителя. Если кювета заканчивается зеркалом, то интерференция падающих и отраженных импульсов приводит к образованию стационарного распределения мест «совпадения» импульсов. Интенсивность света в этих местах возрастает, что сопровождается увеличением вероятности двухфо тонного поглощения по сравнению с одиночным цугом импульсов. В результате этого в местах «совпадения» импульсов наблюдается усиленная люминесценция (флюоресценция), причем размеры светящихся областей определяются длительностью отдельного импульса. Разумеется, более слабая люминесценция, которую мы будем называть фоном, возникает вдоль всего пути излучения; На рис. 27.8, б показан другой вариант: первичный пучок расщепляется с помощью светоделительной пластинки на два пучка, которые после отражения от зеркал и фокусировки встречаются в кювете с красителем, возбуждая ДФЛ. Если два кванта с длиной волны 0,53 мкм одновременно поглощаются молекулой красителя, возникает флюоресцентное свечение, обычно сине-фиолетового цвета. В случае рубинового лазера сложение двух квантов дает ультрафиолетовое излучение, поэтому нет необходимости в генерации

Рис. 27.8. Схема измерения длительности пикосекундных световых импульсов методом двухфотонной люминесценции: а — серия пичков от лазера на неодимовом стекле после преобразования во вторую гармонику в кристалле KDP создает стоячую волну в красителе, б - две серии пучков распространяются в красителе в противоположных направлениях.

второй гармоники. В обоих случаях важно, чтобы возбуждение осуществлялось ультрафиолетовым излучением, так как такое возбуждение весьма эффективно. Однако следует помнить, что речь идет о двухфотонном, а не о прямом процессе. 1

В первом эксперименте Джордмейн и др. применили кювету длиной 19 мм. Треки голубой ДФЛ фотографировались, а затем измерялись фотоденситометром. Было осуществлено двухфотонное поглощение квантов излучения второй гармоники неодимового лазера. Цуг лазерных импульсов состоял из 20 импульсов с интервалом 4,6 не между ними. Длина кюветы была недостаточна для того, чтобы наблюдать интервалы между импульсами. Регистрировалась лишь тонкая структура одного импульса. Установлено, что он состоял из пичков длительностью с интервалом между ними. Интервал возник благодаря наличию локального резонатора, а именно тонкой кварцевой пластинки, которая использовалась в качестве выходного зеркала лазера. Отношение сигнала к фону составляло лишь Длительность пичка определялась путем измерения размеров светящегося пятнышка

ДФЛ. В рассматриваемом эксперименте пятнышки имели ширину 0,4 мм, а расстояние между ними составляло 6,1 мм.

Метод ДФЛ сложен с экспериментальной точки зрения. Первая трудность заключается в сильном поглощении красителем излучения, возникающего при двухфотонной люминесценции. Иными словами, краситель сильно поглощает свое собственное излучение. Поэтому исследуемые сигналы должны распространяться в красителе вблизи его свободной поверхности. В этом случае поглощение люминесцентного свечения невелико, поскольку наблюдение ведется в направлении, перпендикулярном оси системы. Для наблюдения трека пучка в красителе, в особенности более светлых участков, иногда применяют фотоумножители в комбинации с фотоаппаратом. Необходимы также фильтры, устраняющие свечение лазерного пучка и импульсных ламп. Кроме того, должна быть ослаблена оптическая связь между детектирующей системой и лазером. Если световой пучок, возвращающийся от детектора, слишком интенсивен, он приводит к уменьшению степени синхронизации мод. Детальный анализ явления ДФЛ показывает, что интерпретация получаемой интерференционной картины двух встречных цугов импульсов неоднозначна. Световой пучок лазера с несинхронизованными модами также может вызывать двухфотонную люминесценцию. Эти вопросы рассмотрены в работах Клаудера и др. [251, Кочи [26], Ахманова и Чиркина [27], Харраха [28], Дрексхейга [29] и др. Приведем здесь основные результаты из работы Клаудера [25].

Допустим, что электрическое поле световой волны равно а интенсивность света Если в кювете интерферируют друг с другом бегущая волна и волна, отраженная от зеркала, то

где

Интенсивность двухфотонной люминесценции зависит от квадрата интенсивности света. Рассчитаем сначала произведение

Нас интересует некоторая усредненная картина треков ДФЛ в растворе. Пучности стоячей волны непосредственно не наблюдаются. Следовательно, некоторые члены в выражении (27.12)

исчезнут при усреднении по интервалу в несколько раз превышающему К. Получаем

Последнее выражение с учетом обозначений (27.11) приобретает вид

Интенсивность ДФЛ равна

где С — некоторая постоянная.

Предположим, что продолжительность цуга пикосекундных импульсов равна Тогда

где — расстояние от центра кюветы. Последнее выражение удобнее записать в нормированном виде. Положим

Тогда

где С — новая постоянная, — функция автокорреляции. Если падающий и отраженный пучки не накладываются друг на друга, т. е. при слишком большом удалении точки наблюдения от зеркала, Результаты расчетов с помощью выражений (27.16) и (27.17) представлены в табл. 27.3. Величина обозначена сокращенно символом Если лазерный пучок состоит из многих мод, то максимум люминесценции располагается непосредственно на зеркале, а следующие максимумы появляются на расстояниях, равных величине умноженной на целое число. При полной синхронизации мод максимумы люминесценции соответствуют местам встречи импульсов. В областях

Таблица 27.3 (см. скан) Интенсивности двухфотонной люминесценции для различных лазерных пучков [25]

между максимумами наблюдается довольно интенсивное свечение фона, хотя функции в этих местах нескоррелированны. В указанных областях функция принимает значение

Если фазы мод нескоррелированны, а число мод достаточно велико, то Отношение Когда моды полностью синхронизованы, а контраст равен 3.

Недостатком метода ДФЛ является относительно малое отношение сигнала к шуму, т. е. низкий контраст картины люминесценции. Ренцепис и Дюге [30] предложили метод, в котором свечение фона удалось существенно уменьшить. Сущность метода заключается в том, что в ячейку с красителем направляют два импульса с различными частотами. Интенсивная двухфотонная люминесценция появится только в местах встречи импульсов. Частота первого импульса такова, что он не может вызвать ДФЛ. Второй импульс ослабляется настолько, чтобы он сам по себе также не мог возбудить ДФЛ. Лишь при сложении частот двух импульсов становится возможным одновременное поглощение двух квантов. В эксперименте [30] измерительная кювета содержала раствор дифенилциклопентадиена (при концентрации моль) в тетрагидрофуране. Этот краситель характеризуется интенсивной люминесценцией вблизи длины волны мкм. Первый импульс мощностью около мкм встречался в кювете с импульсом, имеющим мкм (вторая гармоника первого импульса) и ослабленным до уровня мощности около Одни лишь мощные импульсы не вызывали люминесценции

Таблица 27.4 (см. скан) Растворы, применявшиеся для измерения длительности сверхкоротких импульсов методом ДФЛ

красителя; менее мощные импульсы второй гармоники возбуждали слабое голубое свечение. При одновременном воздействии тех и других импульсов возникала интенсивная двухфотонная люминесценция. Неодимовый лазер генерировал цуги импульсов с длиной волны мкм. Его излучение направлялось на кристалл KDP, который частично преобразовывал основной пучок во вторую гармонику. Затем оба пучка распространялись в кювете длиной 9 см, заполненной бромбензолом. Благодаря дисперсии импульс с мкм появлялся на выходе из кюветы на раньше импульса с мкм. Затем пучки направлялись в измерительную кювету см), стенка которой представляла собой диэлектрическое зеркало с отражением 75% для волны 1,06 мкм и лишь 5% для мкм. Возникающая в красителе картина совпадения импульсов позволяет судить о ширине отдельных импульсов в цуге. Флюоресцирующие области были настолько яркими, что их можно было фотографировать камерой типа «Поляроид» на пленку чувствительностью по шкале «Кодак». Разумеется, перед объективом камеры устанавливали темно-голубой фильтр, который полностью поглощал излучение с длинами волн 0,53 мкм и Синхронизация мод с помощью красителя № 9860 фирмы «Кодак» позволяла получать импульсы длительностью а с помощью красителя . В табл. 27.4 указаны важнейшие красители и растворители, наиболее широко применяемые для измерения длительности импульсов методом ДФЛ.