CC BY
17
УДК 535.337
ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА НА НЕОДИМОВОМ СТЕКЛЕ С КОМБИНИРОВАННОЙ
АКТИВНОЙ СРЕДОЙ
М. В. Осипов, В. Н. Пузырев, А. Н. Стародуб, С. И. Федотов, А. А. Фроня
Предложен метод получения широкой 30-100 i линии излучения в оптических квантовых генераторах на неоди-мовом стекле, основанный на использовании составного активного элемента. Активная среда при этом является комбинацией двух разных стеклянных матриц, легированных ионами NcP+: силикатной и фосфатной. Проведены эксперименты по изучению структуры и ширины спектра генерации таких ОКГ в зависимости от свойств активного элемента, типа резонатора и уровня накачки. Зарегистрирована ширина спектра излучения, уширенная более чем в два раза по сравнению с ОКГ на силикатном стекле.
В экспериментах на лазерной установке "Канал-2" [1] было показано, что уменыпе-
А
ние степени пространственной когерентности лазерного пучка до 712 = —— = 0.018
QD
(здесь А - длина волны излучения, а - угол расходимости излучения, D - апертура пучка) приводит к подавлению мелкомасштабной самофокусировки излучения в оптической среде лазера при плотностях энергий вплоть до 10 Дж/см2. Кроме того, временная когерентность существенно влияет на коэффициент усиления сигнала, распространяющегося в активной среде. Последнее означает, что если ширину линии генерации приблизить к величине ширины линии люминесценции стекла, используемого в усилителях, то можно ожидать увеличения эффективности съема запасенной в усилителе энергии.
Известно, что для управления спектральными характеристиками лазера может быть использована схема с комбинированной активной средой. В работах [2-4], например,
для получения спектральной полосы усиления высокоинтенсивных фемтосекундных импульсов (100 фс соответствует ширина спектральной полосы усиления ~ 370 А) использовалась комбинация из усилителей на основе фосфатного и силикатного стекла, легированного ионами Мс13+.
В работе [5] исследовался спектр генерации в случае использования комбинированного рабочего тела в зависимости от энергии накачки. В один резонатор помещались стекла с узким и широким спектрами генерации. В качестве комбинированной активной среды использовали комбинации простых кристаллов (УзА^Оаг - М3+, Са\¥С>4 М3+) и кристаллов смешанного типа (СаГ2 - УЕ3 - М3"1") и стекла (ЛГС-6). Активные среды размещались в резонаторе последовательно друг за другом, каждая в своей осветительной камере.
Для получения широкой линии генерации порядка 100 А в лазере на N(1 -стекле в данной работе предлагается использовать комбинированную активную среду: две разные стеклянные матрицы, легированные ионами Возможность уширения спектра ге-
нерации связана с тем, что спектры люминесценции силикатного и фосфатного стекол, легированных ионами лежат рядом друг с другом и имеют области перекрытия
между собой (рис. 1). Максимумы полосы люминесценции этих стекол расположены на расстоянии друг от друга 35 см-1, а частоты генерации - на 70 см-1 [6].
<Шс&
Рис. 1. Спектры люминесценции ионов в силикатном стекле (штриховые линии) и в
фосфатном стекле (сплошные линии) [7].
Усиление активной среды, помещенной в резонатор, определяется формулой [8]
а{у) = 2/а», ' (1)
где / - длина активной среды, а = (N2 — А^х)с"21 С^)/^ - коэффициент усиления
активной среды. Здесь N2 и N1 - общее число возбуждений, соответственно, на верхнем и нижнем рабочих уровнях лазера, <т21 - поперечное сечение вынужденного перехода, V - объем, занимаемый активной средой.
Чтобы усиление излучения происходило равномерно по всей ширине ожидаемого спектра, необходимо выполнение условия равенства усиления сред ас(и) = и), где индекс с соответствует силикатному неодимовому стеклу, а ф - фосфатному. Из этого условия определялось отношение длин стержней, из которых был изготовлен составной активный элемент. Для этого по известным сечениям взаимодействия рассчитывались коэффициенты усиления излучения, основываясь на предположении, что нижний лазерный уровень в четырехуровневой схеме генерации практически пуст, а концентрация возбужденных состояний одинакова для обоих стекол. Сечения взаимодействия отличаются приблизительно в 2 раза, ос = 1.7 ■ Ю-20 см2 для силикатного стекла и сТф = 3.2 ■ Ю-20 см2 для фосфатного стекла [7, 9], а так как диаметры силикатного и фосфатного стержней выбираются одинаковыми (10 мм), то, соответственно, отношение их длин должно быть равно приблизительно 2, т.е. длина силикатного стержня должна быть приблизительно в 2 раза больше, чем длина фосфатного стержня.
Рис. 2. Конфигурация осветителя задающего генератора.
В одном осветителе стержни располагаются последовательно друг за другом (рис. 2). Стыковое соединение закрепляется муфтой. Для того чтобы в месте соединения составной стержень не прогибался, была изготовлена и установлена поверх муфты специальная шайба из тефлона. Между торцами стержней заливается глицерин. Глицерин проверялся на поглощение излучения для разных длин волн, и было обнаружено, что для Л = 1.06 мкм поглощение фактически отсутствует. Осветитель задающего генератора имеет стандартную четырехламповую конфигурацию.
Для проверки работоспособности предложенного метода получения широкой линии генерации исследуемый генератор первоначально был запущен в режиме свободной генерации. Для этого осветитель с составным активным элементом помещался в плоскопараллельный резонатор с коэффициентами пропускания зеркал 20% и 100%. Было установлено, что для данных конфигурации и размеров осветителя режим свободной генерации осуществим. Порог свободной генерации для составного стержня был получен при энергии накачки 2.9 кДж.
В режиме свободной генерации был изучен спектральный состав излучения генератора с комбинированной активной средой, определена ширина линии генерации и было проведено сравнение ее с шириной линии генерации задающего генератора установки "Канал 2". В этих целях использовался монохроматор МДР-12 [10], со сменной дифракционной решеткой с числом штрихов 600 мм-1.
Рис. 3. Оптическая схема регистрации спектра излучения задающего генератора и УАС^й лазера. 1 - "глухое" зеркало резонатора, 2 - активный элемент, 3,7 - диафрагмы, 4 - выходное зеркало резонатора, 5,6,9,10,12 - зеркала, 8 - юстировочный лазер 11 световод, 13 - монохроматор, 14 - фотоаппарат.
Оптическая схема, представленная на рис. 3, позволила одновременно регистрировать спектры излучения задающего генератора (рис. 4.2) и юстировочного лазера УАСгШ (Л = 10640 А) (рис. 4.1), который использовался для формирования реперного излучения. Излучение с выхода монохроматора МДР-12 с помощью объектива проецировалось на матрицу цифрового фотоаппарата размером 15 X 22 мм2. Дисперсия в рабочем дифракционном порядке (А = 10600 А) составляет 17.1 А/мм. Дисперсия не изменялась для всей серии экспериментов.
Был изучен спектральный состав излучения генератора в зависимости от энергии накачки. Как и ожидалось, увеличение энергии накачки вызвало уширение спектрального интервала. Минимальное значение ширины спектра излучения составило 30 А при накачке 3.75 кДж, а максимальное составило 72 А при накачке в 12.15 кДж (рис. 4, 5).
Энергия накачки. кДж
Рис. 4. 1 - спектр излучения УЛСг.'Л'с? лазера, 2 - спектр излучения исследуемого генератора в зависимости от энергии накачки, энергия накачки увеличивается снизу вверх 3.75; 5.4; 7.35; 9.6; 11.09; 12.15 кДж (резонатор плоскопараллельный, режим свободной генерации).
Рис. 5. Зависимость ширины спектра генерации от энергии накачки (случай плоскопарал-лелъного резонатора).
Для сравнения был зарегистрирован спектр задающего генератора установки "Канал-2" [1], переведенного в режим свободной генерации. В качестве активного элемента в этом ЗГ использовался стержень из силикатного стекла марки ГЛС-1. Спектр ЗГ установки "Канал-2" представлен на рис. 6А, характерная ширина спектра 46 А при энергии накачки 8.66 кДж. В спектре не наблюдается линейчатая структура, что объясняется оптической схемой резонатора [1]. Также на рис. 6 представлены спектры излучения генератора с составным активным элементом в режиме свободной генерации с полуконфокальным (рис. 6Б) и плоскопараллельным резонатором (рис. 6В). Как видно из рис. 6Б, 6В, количество и спектральное положение генерируемых линий несколько
Kf/'iUí-ttMC. CQrtÔtlKimj Vf фц-i\tK£ ФИАН
vomi ft li, №> 7
ич\1ег=яегсл от и vi пульса юнзулнгу, a шекхр i ингращи: Cue: ran i из нескольких :i ■■. .н линий. Это снизило <■. тем. что внутри таких рс-юнаторов обрнчуютс^ ин u^iöepuMi'
чеСЕИе cut чч: vi кг.
FКс. fi. L CTïf.wmp гш K4í7:.YiJ JOStj)«, 2 uj^yiw;>я: А ,7Г ■
"Наны-Х ". Ь мнг.рпторп с г.остапн\>\л ¿дслАнпи];* С полуконфькилк, лы ¡ , т •■ ■■■
j3íoj)í>.íí, В - s.снсраторп с. г.ос rr¿üeiíí,;« акпз«иочcmí.нг.míí ■ ■ илосхоъяра.'-.< -и-¡ :■ ■ ■■ тором (режим CvvO'-'dtwü м.нгрпцип, jnepaus накаики 9,û к.Лж/.
Рек.. 7- I - /.■ткяггч.р излуадк'ог YA fJ:Nd лазера, !2 г пситцры излуъг.пия. асчсрапыра; i ,:.¡n
ffs-ti t'tirtTiKûJïïi«ïJ чйснх^ Ь - открыта фосфатная чагт*, В - открыто 35'?? сн.-тг,'^ '. гг фосфатпнай шнтш, У гйгтде ÍH>Ü стш.'рдс^ы ь г^крыги пллифгншж. ..
kgkvjvk-íj (l.'jjí о с кглийинлщ; í? -мранирттнпя avimtvncKtf в«. про л г случая, s. ■,-■,',■>
н^шти tBff-iijrcû wt«!., составляла II OD кДж\ -7-г я ¿ус^итмгтй Ji.v.ïrrj .■■
нккочкч íaflíiJdíc ¡>.6 JTJ'/Ж.
Длл ииу.Чснля вклада л общий гпектр Генерации обеих соегавЛЕЮШих Mk"7HL'..u: ■ ■ ^лемеша иислепугчого reuepiijupa был проценан слсп,уюшил эксперимвы i. ' m>vn i, ..... мсугялличесЕОЙ фокыи fvj.nf-- экранлжжана от свеюного излученuу .ia\:n £:1-.хгГ.к: ■ фо фазная часть сис ч аннот стержне, а потом силик;и ная часть. При чч'ом осве i : ir.;■ ■ полагался н i ни \\ конфокальном рс.чона.торе. Были получены лоротвые ин&чснии эдергн каждч ки гля фосфатной и гиликаялой ча( ччгй, которые гостапили ri. 3 75 к.Ч:-к, с.оо не п:тиг:м но. Когда бы.i (икрит ЛЛД накачки весь Сое i анной стержень, порог ич(мш - : г. ■
составил 2.9 кДж, что меньше порога для силикатной части стержня.
Кроме того, была изучена зависимость ширины спектра генерации от энергии накачки для различных вариантов экранирования составного стержня: открыта для накачки только фосфатная часть; открыта только силикатная часть; открыт весь составной стержень; открыто 35% силикатной части и 100% фосфатной части (рис. 7, 8). Результаты экспериментов показали, что спектр генерации в случае, когда полностью открыт составной стержень, сдвинут в область спектра генерации силикатной части, и фактически отсутствует спектральная составляющая, соответствующая фосфатной части (рис. 7). Когда же открыто 35% силикатной части и 100% фосфатной части, спектр генерации располагается между максимумами спектров генерации силикатного и фосфатного стержня, и соответственно спектр смещается к спектру генерации фосфатной матрицы.
Из графика (рис. 8) видно, что наибольшая ширина спектра соответствует комбинации, когда открыты для накачки полностью силикатная и фосфатная части. Кроме того, видно, что ширина спектра генерации силикатной части больше ширины спектра фосфатной части, и она растет быстрее с увеличением энергии накачки, в то время как ширина фосфатной части остается практически неизменной.
70 60 50
та
О.
В 40 с
3 30
I- 20
Я
10
о
о
о о а
° 8 о
О
о о о
О Силикат
О Фосфат
.35% силикат+ 100% фосфат
□ Силикат+ фосфат
2 4 6 8 10 12 Энергия накачки, кДж
Рис. 8. Зависимость ширины спектра от энергии накачки для различных вариантов накачек составного стержня.
Порог генерации силикатной матрицы, легированной ионами М<13+, меньше порога фосфатной. Поэтому при развитии генерации в составном стержне генерация возникает в первую очередь на длинах волн, соответствующих силикатной матрице, что приводит
к съему инверсии в фосфатной матрице. Этот съем инверсии, по-видимому, и является причиной смещения спектра генерации составного активного элемента в длинноволновую область, и именно по этой причине в спектре его излучения подавляются крылья в коротковолновой области, соответствующие фосфатной части активного элемента.
Таким образом, в результате проведенных экспериментов были изучены ширина и спектральное положение излучения, генерируемого в ОКГ с комбинированной активной средой. При этом изменялись такие параметры генератора, как резонатор, уровень энергии накачки, активная среда. Используя предложенный метод получения широ кой линии излучения в ОКГ на неодимовом стекле, удалось получить ширину спектра генерации 72 Â.
Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант N 07-02-01407.
ЛИТЕРАТУРА
[1] S. I. Fedotov, L. P. Feoktistov, M. V. Osipov, and A. N. Starodub, Journal of Russian Laser Research 25, 1 (2004); Препринт ФИАН N 35 (ФИАН, Москва, 2002).
[2] Michael D. Perry and Gerard Mourou, Science 264, 917 (1994).
[3] N. Blanchot, C. Rouyer, C. Sauteret and A. Migus, Optics Letters 20(4), 395 (1995).
[4] C. Rouyer, N. Blanchot, I. Allais, et al., Journal of the Optical Society of America В 13(1), 55 (1996).
[5] А. А. Каминский, ДАН СССР 180(1), 59 (1968).
[6] H. E. Алексеев, О. H. Гиляров, Ю. П. Рудницкий, В. В. Цапкин, В сб. "Неоднородное уширение спектральных линий активных сред ОКГ" (Институт физики АН УССР, Киев, 1969), с. 127.
[7] А. А. Мак, JI. Н. Соме, В. А. Фромзель, В. Е. Яшин, Лазеры на неодимовом стекле (Наука, Москва, 1990).
[8] Б. И. Степанов, Методы расчета квантовых генераторов, том 2 (Наука и техника, Минск, 1968).
[9] Справочник по лазерам. Под редакцией A.M. Прохорова, том 1 (Советское радио, Москва, 1978).
[10] И. М. Нагибина, В. К. Прокофьев, Спектральные приборы и техника спектроскопии (изд-во "Машиностроение", Ленинград, 1967).
Поступила в редакцию 26 июля 2007 г.
