5.3. Экспериментальные установки и результаты измерений

5.3.1. Основы конструкции лазеров с синхронной накачкой

Типовая схема устройства лазера на красителе с синхронной накачкой показана на рис. 5.9. В качестве источника накачки чаще всего используется аргоновый или криптоновый лазер, в котором с помощью акустооптического модулятора осуществляется активная синхронизация мод.

Рис. 5.9. Схема лазера на красителе с синхронной накачкой. 1 — акустооптический синхронизатор мод; 2— аргоновый лазер; 3 — ВЧ-генератор; 4 — лазер на красителе; 5 — струя красителя; 6 — оптический фильтр.

При этом важно обеспечить высокую стабильность частоты и фазы высокочастотного генератора, являющегося источником электрического модулирующего сигнала. Относительная нестабильность частоты должна быть не хуже Подбором зеркал лазера и с помощью дисперсионных элементов (например, призмы) выбирается определенный лазерный переход лазера накачки. Аргоновые и криптоновые лазеры позволяют получать излучение с длинами волн, соответствующими ближнему ультрафиолетовому и видимому спектральным диапазонам, пригодное для накачки красителей. Вместо лазера на ионах инертных газов здесь может также применяться твердотельный лазер с активной синхронизацией мод и непрерывной оптической накачкой, например лазер на причем здесь могут найти применение как основное излучение , так и его гармоники . Преимуществом применения твердотельных лазеров является меньший разброс параметров импульсов при высокой частоте следования (свыше

чем в лазерах на ионах инертных газов, что обусловлено большим временем релаксации в твердотельных активных материалах (см. табл. 1.2). Сравнение обоих типов лазеров выполнено, например, в работе [5.34]. Лазер на ионах инертных газов, работающий в качестве источника накачки, излучает непрерывную последовательность коротких импульсов длительностью от 50 до и средней мощностью от 0,1 до 10 Вт. Импульсы возбуждают молекулы красителя, являющегося активным веществом лазера. В первых работах в качестве лазерного материала преимущественно использовался краситель — родамин затем, однако, применение нашли многие другие красители. Резонатор лазера на красителе обычно имеет -образную форму, что достигается применением для отклонения пучка дополнительных зеркал. Зеркало служит для ввода в резонатор лазера на красителе импульса накачки. Пучки импульсов накачки и лазерный составляют в красителе малый угол. Лазерный пучок отклоняется зеркалом частично отражается выходным зеркалом и частично выводится наружу. Зеркала резонатора лазера выбраны таким образом, что излучение лазера на красителе циркулирует в резонаторе между зеркалами и 54, тогда как излучение накачки покидает резонатор после прохода через краситель. Важно добиться хорошего совмещения в активной среде перетяжек пучков излучения накачки и лазера на красителе. Именно поэтому необходимо по возможности уменьшить угол между пучками и применять устройство с хорошей компенсацией астигматизма (см.

В непрерывном режиме работы необходимо не допускать накопления молекул в триплетном состоянии. Время релаксации синглет-триплетного перехода для типовых лазерных красителей имеет порядок величины 10-6 с, тогда как время релаксации перехода существенно больше. Поэтому в течение некоторого промежутка времени проходов) молекулы накапливаются на уровне что препятствует лазерному процессу. Для снижения этого эффекта можно ввести в активную среду триплетные гасители, стимулирующие переход Еще более эффективен метод быстрой замены красителя. Для этого краситель прокачивают через кювету или применяют в качестве активной среды свободную струю красителя с хорошей оптической однородностью. При скорости течения около и поперечных размерах перетяжки лазерного пучка в активной среде 10 мкм смена красителя осуществляется за , что достаточно хорошо удовлетворяет отмеченным выше требованиям.

В устройстве, показанном на рис. 5.9, частота излучения лазера непрерывно меняется настроечным элементом. Таким элементом может служить, например, фильтр Лио, эталон Фабри—Перо или интерференционный фильтр с клиновидными слоями. (Последний представляет собой четырехслойную диэлектрическую систему, в которой для некоторого направления толщина слоев меняется по линейному закону. Поэтому перемещение фильтра в этом направлении позволяет менять длину волны.) При применении призмы может быть использован резонатор -образной формы. Применяя различные красители, можно при синхронной накачке лазера получать пикосекундные и субпико-секундные импульсы с возможностью плавной перестройки длины волны излучения оптическим фильтром в спектральном диапазоне примерно от 420 до 1000 нм. Особое внимание при этом следует обращать на относительно точную регулировку длины резонатора лазера на красителе и частоты следования импульсов лазера накачки. Это требует обеспечения высокой термической и механической стабильности лазерной системы. Следует подчеркнуть, что частота следования импульсов лазера накачки определяется частотой активного модулятора и может несколько отличаться от частоты прохода соответствующего «холодного» резонатора (т. е. резонатора лазера без накачки активной среды). Поэтому необходимо подобрать длину резонатора лазера на красителе, согласовав ее с точностью порядка 10-7 с оптимальной частотой модуляции. Если не осуществляется постоянная подстройка частоты модуляции и длины резонатора лазера на красителе, то эти величины должны сохранять свои значения с точностью около Поэтому применяют высокочастотные генераторы с высокой стабильностью колебаний как по амплитуде, так и по фазе. Резонаторы монтируются на вибропоглощающих подставках и снабжаются стеклянными трубками, исключающими воздействие флуктуаций воздушных потоков. Осуществляется глубокая компенсация теплового расширения резонатора. Температура оптических элементов по возможности поддерживается постоянной, так чтобы изменение оптической длины не превышало 0,1 мкм. Для регулировки длины резонатора можно, например, поместить выходное зеркало резонатора лазера на красителе на микрометрический столик, позволяющий фиксировать изменение длины резонатора с точностью до 0,1 мкм.

При укорочении длительности генерируемых импульсов требования к стабильности конструкции лазеров с синхронной накачкой сильно возрастают. Поэтому целесообразней отказаться от независимой регулировки частоты модуляции и длины резонатора лазера на красителе. Альтернативное решение состоит в том, что частота модуляции автоматически подстраивается под частоту следования импульсов лазера на красителе. Схема

такой установки показана на рис. 5.10. Часть излучения лазера на красителе подается на фотоприемник. Из фотоэлектрического сигнала отфильтровывается сигнал на частоте межмодовых биений После деления частоты сигнала пополам и усиления он используется для управления акустооптическим модулятором. Важную роль играет регулятор фазы, позволяющий для заданных экспериментальных условий подобрать оптимальное расположение импульса лазера на красителе относительно импульса накачки.

Рис. 5.10. Схема лазера на красителе с синхронной накачкой, в котором частота следования импульсов модулирующего сигнала задается частотой следования импульсов лазера на красителе. 1 — акустооптический модулятор; 2 — аргоновый лазер; 3— лазер на красителе; 4— фотоэлемент; 5 — фильтр; 6 — делитель частоты; 7 — фазовращатель; 8 — ВЧ-усилитель.

Устанавливая фазовый регулятор в то или иное положение, можно, например, получить импульсы минимальной длительности или максимальной интенсивности.

Установка для генерации высокостабильных ультракоротких импульсов была создана Ротманом и сотр. [5.30]. Схема этой установки показана на рис. 5.11. Она состоит из двух регулирующих контуров. Контур быстрой регулировки содержит измеритель средней мощности излучения лазера и второй гармоники сигнала получаемой при помощи кристалла KDP (см. гл. 3 и 8). Пиковая мощность импульсов второй гармоники пропорциональна квадрату пиковой мощности лазерных импульсов. Поэтому где — длительность импульса лазера, откуда следует, что величина является мерой длительности импульса. Для контроля длительность импульса измеряется одновременно автокоррелятором и по второй гармонике (см. гл. 3). Измерения показывают, что преднамеренная расстройка резонатора мало влияет на среднюю мощность основного излучения в то время как , следовательно, меняются сильно (при расстройке изменяется менее чем на 10%, — более чем на порядок, изменение длительности импульса еще можно зарегистрировать при

расстройке на 10 Гц). Для получения импульсов минимальной длительности изменение сигнала используется для перестройки частоты генератора. (Таким путем производится согласование частоты модуляции с длиной резонатора лазера на красителе.) Наряду с быстродействующим аналоговым контуром регулирования был использован второй, не быстродействующий контур регулирования.

Рис. 5.11. Устройство для оптимизации лазера на красителе с синхронной накачкой с двумя регулирующими контурами (по [5.30]). 1 — ВЧ-усилитель; 2-ВЧ-генератор; 3 — фотоэлемент; 4 — осциллограф; 5 — автокоррелятор; 6 — шаговый двигатель; 7 — микро-ЭВМ; 8 — аргоновый лазер; 9 — акустооптический модулятор.

В этом контуре длительность импульса изменяется автокорреляционным методом, а величина подстроечного сигнала, подаваемого на блок перемещения выходного зеркала, вычисляется микро-ЭВМ. Этот контур обеспечил долговременную генерацию стабильных импульсов длительностью Сильно уменьшились низкочастотные флуктуации параметров импульсов.

Лазеры на красителях с синхронной накачкой нашли в настоящее время широкое применение, что объясняется хорошими параметрами генерируемых ими импульсов, удобством применения этих источников и простотой их перестройки. Следует назвать лазеры на красителях с синхронной накачкой фирм Spectra Physics [5.19] и Coherent (США) [5.20, 5.21], для накачки которых применяются мощные аргоновые или криптоновые лазеры. Шуберт и И. Шварц [5.24, 5.26] сконструировали лазер на красителях с синхронной накачкой на основе аргонового лазера типа ILA 120 Народного предприятия «Карл Цейсс», Йена [5.22]. Необходимый для этой установки лазер на красителе разрабатывается в настоящее время в Центре научного приборостроения Академии наук ГДР [5.25, 2.8].

Лазеры с синхронной накачкой создаются также на основе кольцевых лазеров. Равновероятность обоих направлений прохода резонатора в таких устройствах требует применения невзаимных элементов, создающих дополнительные потери для одного из направлений. Таким элементом может служить, например, ячейка Фарадея в комбинации с поляризаторами (см., например, [5.21]). Выбор направления прохода в лазерах с линейными резонаторами осуществляется автоматически при размещении усилителя не в середине резонатора, а вблизи одного из зеркал. Для одного из направлений прохода импульс после отражения усиливается в еще большей степени. Для противоположного направления прохода такие благоприятные условия для усиления не реализуются. Надо, однако, иметь в виду, что встречные импульсы даже с относительно малой энергией могут существенно помешать в результате обменного взаимодействия в активной среде развитию основного импульса. Поэтому принятие дополнительных мер для их подавления способствует улучшению параметров установки. В качестве примера укажем, что встречные импульсы могут быть более эффективно подавлены введением в активную среду малой концентрации насыщающегося поглотителя (см. п. 6.3.5).