CC BY
20
УДК 535.8
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВО ВТОРУЮ ГАРМОНИКУ ЧАСТИЧНО КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА НА НЕОДИМОВОМ СТЕКЛЕ
Б. Л. Васин К). В. Коробкин, М. В. Осипов |, В.Н. Пузырсв
А. Т. Саакян, А. Н. Стародуб, С. И. Федотов
Приводятся результаты экспериментов по преобразованию многомодового излучения, лазера на неодимовом стекле с управляемой пространственной и временной когерентностью во вторую оптическую гармонику в нелинейном кристалле КОР при реализации взаимодействия ввв. Исследована зависимость эффективности преобразования, во вторую гармонику от плотности мощности основного излучения на кристалле в интервале I = 0.2 — 5 Г Вт/см? при числе поперечных мод в резонаторе N = 1000, значениях расходимости излучения р = 3.5, 4.7 и 5 мрад, ширине спектра, из лучения 6Х = 5 и 42 А,
2.5
плотность мощности кристалла КОР. изучены интерференционные свойства преобразованного излучения второй гармоники.
Ключевые слова: генерация второй гармоники, частично когерентное излучение, кристалл КБР.
В настоящей статье представлены результаты преобразования во вторую гармонику многомодового излучения, описываемого функцией взаимной когерентности, при реализации взаимодействия ввв. Дополнительно исследованы интерференционные свойства и степень когерентности преобразованного излучения на частоте второй гармоники. Результаты аналогичных экспериментов по генерации второй гармоники (ГВГ) для взаимодействия ввв, проделанных на установке "Канал-2" [1], ранее были представлены вначале в работах [2. 3]. Целью всего цикла исследования является определение
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский проспект, 53; е-таП: artsahakyan@yandex.ru.
оптимальных условий, при которых достигалась бы максимальная выходная энергия лазерного излучения на частоте второй гармоники для дальнейшего применения в экспериментах по взаимодействию лазерного излучения с веществом.
Рис. 1: Ближняя зона основного излучения с профилями интенсивности излучения по горизонтали и вертикали. На графиках профилей интенсивности излучения по оси абсцисс отложены относительные величины в пикселях, сопоставляемые с пространственными размерами пучка, а по оси ординат - интенсивность излучения в относительных единицах - градации серого.
В экспериментах с взаимодействием оое однородность распределения интенсивности излучения в поперечном сечении пучка (далее однородность пучка) была невысокой из-за присутствия в схеме лазера магнитооптического затвора Фарадея, отсекающего из пучка значительную часть деполяризованной компоненты. Однако, как известно, однородность и форма распределения интенсивности излучения играют немаловажную роль в процессе ГВГ [4, 5]. По этой причине исследования ГВГ с реализацией взаимодействия оее были проведены при отсутствии в схеме лазера магнитооптического затвора Фара-дея, что значительно улучшило однородность пучка. Соответствующая фотография ближней зоны основного излучения вместе с её двумерными профилями в двух взаимоперпендикулярных направлениях приведена на рис. 1. Из-за небольшой апертуры
ЬО и)
24
кристаллов (19x19 мм2) диаметр падающего на кристалл пучка ограничивался ирисовой диафрагмой и составлял 15 мм. Сравнивая ближнюю зону излучения на рис. 1 с аналогичной из [3], легко заметить, что однородность пучка на рис. 1 значительно лучите, а форма распределения более близка к супергауссовой. Следует отметить, что супергауссова форма распределения интенсивности излучения является оптимальной для процесса ГВГ [5].
Высокая однородность пучка была связана с наличием в линейно-поляризованном основном излучении деполяризованной компоненты, которая зависела от уровня напряжения на лампах накачки активных элементов усилительной системы. Деполяризованная компонента составляла £ ~ 30% от общей энергии при низких значениях плотности мощности I и возрастала до £ ~ 50% при пробойных для кристалла значениях I. Согласно [5], наличие в основном излучении деполяризованной компоненты £ в несколько процентов не сильно влияет на эффективность преобразования п ПРИ взаимодействии оое. Такой же уровень деполяризации излучения, но уже при взаимодействии оее приводит к значительному ограничению эффективности преобразования. Однако при одинаковых значениях параметров основного излучения и оптимальной длине кристалла
оее
оое
чия деполяризованной компоненты в излучении.
Схема экспериментов по ГВГ, результаты которых представлены в данной работе, была аналогична той, которая применялась в [2]. Преобразование излучения во вторую гармонику проводилось в кристаллах КБР длинои Ь =15, 19 и 40 мм. Кристаллы располагались таким образом, чтобы угол между направлением преимущественной поляризации основного излучения и главным сечением кристалла составлял 45°. Для изучения влияния величины деполяризованной компоненты в излучении на процесс ГВГ в экспериментах с Ь =19 мм было предусмотрено введение в оптический тракт системы из двух последовательных высокопрочных пленочных поляризаторов. Расположение системы из поляризаторов перед кристаллом позволяло отсекать большую часть деполяризованной компоненты линейно-поляризованного излучения, которая на выходе из системы поляризаторов в этом случае уже составляла £ < 10%. Помимо преобразования в каждом из кристаллов была также применена двухкристальная схема ГВГ. Первым
был установлен кристалл длиной 15 мм. после кристалл длиной 40 мм. Вдоль направ-
°
этом угол между вектором поляризации основного излучения и главными сечениями
обоих кристаллов составлял 45°. Подобное расположение даёт наиболее эффективное преобразование излучения во вторую гармонику в двухкристальной схеме [7].
Эксперименты проводились при следующих значениях параметров основного излучения: длина волны Л = 1.06 мкм; расходимость р = 3.5, 4.7 и 5 мрад; ширина спектра дЛ = 5 и 42 А, число поперечных мод в генераторе N = 1000. Отметим, что угловая и спектральная ширины синхронизма для Ь = 15, 19 и 40 мм составляют Ав°сее = 1.5, 1.2, 0.6 мрад и АЛСее = 67, 53 и 25 А, соответственно [4]. Таким образом, ни для одного значения расходимости излучения не выполнялось условие углового синхронизма р < Ав°^е, что, однако, необходимо для эффективного протекания процесса ГВГ. Условие спектрального синхронизма 5Л < АЛСее выполнялось практически для всех значений 5Л, за исключением случая преобразования излучения с 5Л = 42 А в кристалле длиной 40 мм.
Рис. 2: Зависимость эффективности преобразования во вторую гармонику от плот-
р = 4. 7
дЛ = 42 А, £ ж 30%, в следующих кристалл ах КИР: □ - Ь = 15 мм, х - Ь = 40 мм, О ~ двухкристальная схем а ГВГ (15 мм + 40
Результаты экспериментов по ГВГ представлены на рис. 2 и 3. На рис. 2 приведены зависимости эффективности преобразования п в0 вторую гармонику от плотности мощности I излучения с широким спектром в кристаллах 15 и 40 мм, а также при двухкристальной схеме ГВГ. На графиках ошибки измерений соответствуют размерам маркеров. Видно, что в случае Ь = 15 мм эффективность преобразования во всём интервале I находится на среднем уровне примерно 14%, а для кристалла 40 мм - 23%.
Рис. 3: Зависимость эффективности преобразования во вторую гармонику от плотности мощности основного излучения: О - Ь = 15 мм и А - Ь = 19 мм, при Ф = 3.5 мрад, 5Х = 5 А, £ ж 30%; □ - Ь = 19 мм, р = 3.5 мрад, 6\ = 5 А, £ < 10%; х -Ь = 19 мм, р = 5 мрад, 6\ = 42 А, £ < 10%.
Несмотря на значение расходимости излучения, значительно превышающее угловую ширину синхронизма, оптимальным оказывается более длинный кристалл.
Из рис. 2 видно, что эффективность преобразования для случая двухкристальной схемы ГВГ оказывается выше, чем отдельно в каждом из кристаллов, и в среднем составляет примерно 30%. Согласно выражению для итоговой эффективности преобразования при подобной схеме ГВГ [7], в нашем случае она должна составлять примерно 34%. Разницу между полученной эффективностью преобразования и расчётной можно объяснить тем, что в [7] рекомендуется первым устанавливать более эффективно преобразующий кристалл, тогда как в нашей схеме расположение кристаллов было обратным. Также важную роль играет тот факт, что в расчётах в [7] берутся значения эффективности преобразования для каждого из кристаллов, полученные в двухкристальной схеме ГВГ, тогда как для оценок мы взяли значения, полученные отдельно для каждого кристалла при обычной схеме ГВГ. После проведения экспериментов с двухкристальной схемой ГВГ была определена лучевая прочность для кристалла с Ь = 40 мм. Оптические разрушения на поверхности кристалла начали проявляться при
плотности мощности примерно 9 ГВт/см2. Внутри кристалла оптические разрушения не наблюдались, что говорит об отсутствии как оптической, так и тепловой самофокусировки.
Результаты экспериментов по ГВГ при Ь =15 мм и узком спектре излучения, а также для Ь =19 мм при обеих ширинах спектра и разных величинах деполяризованной компоненты излучения приведены на рис. 3. Видно, что при одинаковых значениях параметров излучения какой-либо заметной разницы в эффективности преобразования в кристаллах с Ь = 15 мм и Ь =19 мм не наблюдается. Однако наблюдается существенное повышение эффективности преобразования в кристалле с Ь =19 мм при отсечении большей части деполяризованной компоненты из излучения при прочих одинаковых значениях его параметров. Более высокая эффективность преобразования для линейно-поляризованного излучения с низкой степенью деполяризации получается как при широком спектре излучения, так и при узком. Причём, при близких значениях расходимости излучения (3.5 мрад и 5 мрад) эффективности преобразования для широкого и узкого спектров излучения очень близки друг к другу. Сравнивая результаты ГВГ на рис. 2 и 3 для Ь =15 мм, можно увидеть, что при широком спектре излучения эффективность преобразования получается примерно на 6% выше, чем при узком спектре. Таким образом, исходя из всех результатов, можно заключить, что, несмотря на неоптимальные значения расходимости излучения, из-за чего происходит значительное ограничение эффективности преобразования, повышение степени поляризации основного излучения даёт существенный вклад в эффективность ГВГ. Также отметим, что при подборе оптимальной длины кристалла, уменьшении расходимости основного излучения и повышении степени его поляризации, следует ожидать более высокую эффективность преобразования.
Результаты по ГВГ. представленные в данной работе и в [2, 3], показывают, что без применения каких-либо изощрённых методов по оптимизации параметров основного излучения можно получить эффективность преобразования многомодового низкокогерентного излучения на уровне 30% 50%. Учитывая высокий уровень выходной энергии многомодовьтх лазеров, подобная эффективность преобразования оказывается более чем достаточной для проведения исследований по взаимодействию лазерного излучения с веществом на частоте второй гармоники. Применение второй гармоники также в качестве зондирующего излучения в оптических методах диагностики плазмы позволит значительно упростить задачу синхронизации греющего и зондирующего излучений. Однако возникает вопрос о возможности применения преобразованного излу-
чения на частоте второй гармоники в диагностических целях, поскольку для получения интерференционных картин применяется высококогерентное зондирующее излучение. Высококогерентным, обычно, считается излучение со степенью когерентности 7 > 0.88 [8]. Для получения ответа на данный вопрос был проведён эксперимент по реализации интерференции на границе раздела двух оптических клиновидных пластин диаметром 60 мм и углом при вершине 5°. Клиновидные пластины были приложены друг к другу таким образом, что максимальная толщина первой совпадала с минимальной толщиной второй, а на одной из крайних сторон между пластинами была вставлена прокладка толщиной 250 мкм, создающая переменный воздушный зазор.
Рис. 4: (а) фотография интерференционной картины в градациях серого цвета, (б) двумерная пропись интерференционной картины: по оси х отложена пространственная координата фотографии в пикселях, по оси у - соответствующее каждому пикселю значение интенсивности излучения.
На рис. 4 приведена фотография интерференционной картины (а) вместе с её прописью (б), соответствующая начальному отрезку локализации с низким порядком интерференции, где воздушный зазор почти был равен нулю. Поскольку в данном отрезке практически не сказывается влияние пространственной и временной когерентности, т.е. интерферирующие пучки не смещены относительно друг друга ни по времени, ни по пространству, то, рассчитав видность интерференционной картины, мы определим степень когерентности излучения 7 [8].
Для простоты расчёта будем предполагать интенсивности интерферирующих пучков равными, хотя на самом деле интенсивность одного из пучков на 8% ниже из-за
френелевских потерь на отражениях от поверхностей клиньев. Взяв из рис. 4 средние значения (/тах — 145 и /тт — 73, для видности, а соответственно и для степени КОгерентности, получаем V = 7 = 0.33. Полученное значение показывает, что излучение второй гармоники не является высококогерентным. Как отмечено в [8], из-за частичной когерентности излучения интерференционная картина находится на некотором светлом фоне, т.е. /т;п = 0, что мы и видим на рис. 4. Однако, несмотря на это, интерференционная картина достаточно чёткая, а её контрастность позволяет проводить расчёты. Таким образом, исходя из полученных результатов, можно заключить, что излучение на частоте второй гармоники применимо также в диагностических целях в качестве зондирующего излучения.
ЛИТЕРАТУРА
[1] S. I. Fedotov, L. P. Feoktistov, M. V. Osipov, А. X. Starodub, J. Russian Laser Research, № 25, 79 (2004).
[2] Б. Л. Васин, M. В. Осипов, В. H. Пузьтрёв и др.. Краткие сообщения по физике ФИАН 38(11), 3 (2011).
[3] V. G. DmitrieV; M. V. Osipov, V. X. Puzyrev, et al., J. Phys. В: At. Mol. Opt. Phys. 45(16), 165401 (2012).
[4] В. Г. Дмитриев, Л. В. Тарасов, Прикладная, нелинейная, оптика (Физматлит, Москва, 2004).
[5] А. А. Гуламов, Э. А. Ибрагимов, В. И. Редкоречев, Т. Б. Усманов, Преобразование частоты, лазерного излучения, с предельной эффективностью (ФАН, Ташкент, 1990).
[6] Э. А. Ибрагимов, Т. Усманов, ЖЭТФ 86, 1618 (1984).
[7] D. Eimerl, IEEE J. Quant. El. QE-23, 1361 (1987).
[8] Под ред. P. И. Солоухина, Оптика, и атомная, физика (Наука, Новосибирск, 1983).
Поступила в редакцию 15 октября 2012 г.
