CC BY
33
УДК 535.36
ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОЕ ВЫНУЖДЕННОЕ НИЗКОЧАСТОТНОЕ КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА
М.А. Шевченко1, В. И. Гребенкин2, М.В. Тареева1, А. Д. Кудрявцева1, Л. Л. Чайков1, Н. В. Чернега1
В работе впервые экспериментально реализовано внут-рирезонаторное вынужденное низкочастотное комбинационное рассеяние света на упругих колебаниях субмикронных частиц латекса в водной суспензии.
Ключевые слова: вынужденное рассеяние, эффективность преобразования, спектр.
Одним из основных практических применений вынужденных рассеяний (ВР) света различных типов является использование их для преобразования амплитудных, энергетических, временных и спектральных характеристик когерентного излучения. Схемы возбуждения внутрирезонаторного ВР, что фактически эквивалентно использованию обратной оптической связи, позволяют снижать пороговую величину интенсивности возбуждающего лазерного излучения и повышать эффективность преобразования. При внутрирезонаторном возбуждении возможно одновременное протекание различных типов вынужденных рассеяний света, таких как вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) [1]. Внутрирезо-наторное ВРМБ может быть успешно использовано для получения режима пассивной модуляции добротности на длинах волн, для которых отсутствуют традиционные насыщающиеся поглотители [2], при этом такие эффекты как обращение волнового фронта (ОВФ) при ВРМБ играют существенную роль для получения высокого качества пространственного распределения лазерного излучения [3]. В настоящей работе экспериментально исследовался процесс внутрирезонаторного вынужденного низкочастотного комбинационного рассеяния света (ВНКР). ВНКР - вынужденный аналог спонтанного низкочастотного комбинационного рассеяния света [4], которое представляет собой неупругое рассеяние электромагнитного излучения на акустических колебаниях нано- и
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: mishev87@mail.ru.
2 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 105005 Россия, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.
субмикронных частиц. Частотное смещение рассеянного излучения при ВНКР определяется морфологией наночастиц и для различных систем лежит в диапазоне от единиц гигагерц до терагерца. ВНКР в водной суспензии наночастиц латекса исследовалась в работе [5] при возбуждении второй гармоникой наносекундного Ыё-УАС лазера. В этой работе были определены пороги возбуждения ВНКР, экспериментально померены частотные смещения первой стоксовой компоненты и отмечено наличие концентрационной зависимости порога возникновения рассеяния. В нашей работе в качестве активной среды мы использовали образцы водной суспензии частиц латекса со средним размером 200 и 600 нм.
Предварительно, с использованием экспериментальной схемы, аналогичной приведённой в работе [5], но с использованием рубинового лазера, были исследованы параметры ВНКР, возбуждаемого сфокусированным лазерным излучением в кюветах, расположенных вне лазера. Исследовались образцы суспензий латекса со средним диаметром частиц 200 и 600 нм. Результаты приведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры ВНКР, возбуждаемого вне резонатора
Диаметр частиц, нм Пороговое значение интенсивности ВНКР, ГВт/см2 Максимальная эффективность преобразования, % Спектральное смещение ВНКР, см-1
200 0.03 35 0.265
600 0.027 40 0.1
Для всех исследованных образцов при достижении порогового значения интенсивности в спектрах излучения, прошедшего кювету и рассеянного назад, регистрировалось излучение ВНКР, причем спектральное смещение рассеянной волны было одинаково как для рассеяния "вперёд", так и для рассеяния "назад". Максимальная эффективность преобразования составляла 40%. Концентрация частиц в суспензиях латекса 200 и 600 нм была 4.8 • 1010 и 1.8 • 109 шт/см3 соответственно. При таких концентрациях в исследуемом частотном интервале возбуждалось только ВНКР. При уменьшении концентрации частиц в спектре рассеянного излучения в направлении навстречу накачке регистрировалась спектральная компонента, соответствующая вынужденному рассеянию Мандельштама-Бриллюэна в воде.
Для исследования внутрирезонаторной генерации ВНКР нами использовалась экспериментальная установка на основе лазера на рубине, работающего в режиме модуляции добротности (рис. 1).
Рис. 1: Схема эксперимента. 1 - 99% зеркало, 2 - модулятор добротности (раствор криптоцианина в этаноле), 3 - кювета с суспензией субмикронных частиц латекса, 4 - рубиновый стержень с лампами накачки, 5 - выходное зеркало, 6 - оптическая система, 7 - интерферометр Фабри-Перо, 8 - система регистрации интерферограмм.
Кювета с суспензией наночастиц латекса длиной 10 мм помещалась в резонатор лазера между кристаллом рубина и пассивным модулятором добротности. Длина резонатора была 0.5 метра. Длительность импульса лазерной генерации при отсутствии в резонаторе кюветы с суспензией частиц латекса была 20 нс. Контролировалась энергия лазерного импульса, его длительность и спектральный состав излучения. Энергия накачки варьировалась в диапазоне от 2.8 до 4 кДж. Для всех исследуемых образцов (200 и 600 нм) были определены режимы генерации, соответствующие возбуждению внутрирезонаторного ВНКР. Для случая использования суспензии латекса с размером частиц 200 нм в спектре излучения лазера были получены 2 стоксовы спектральные линии со смещением 0.267 см-1 и 0.544 см-1 с эффективностью преобразования 50%, а для второго образца - одна стоксова компонента со смещением 0.1 см-1 и эффективностью преобразования 40%. Таким образом, внутрирезонаторное ВНКР позволяет получать когерентное излучение наносекундного диапазона длительности с заданным спектральным распределением. Учитывая возможность управления спектральными характеристиками процесса ВНКР в гигагерцовом диапазоне частот, этот тип рассеяния может быть использован для реализации режима модуляции добротности в различных лазерных системах.
Работа была выполнена при поддержке РФФИ (грант № 16-32-60026 мол-а-дк).
ЛИТЕРАТУРА [1] А. З. Грасюк, В. В. Рагульский, Ф. С. Файзуллов, Письма в ЖЭТФ 9(1), 11 (1969).
[2] Н. Н. Ильичев, А. В. Кирьянов, А. А. Малютин и др., Квантовая электроника 17(11), 1475 (1990).
[3] В. И. Безродный, Ф. И. Ибрагимов, В. И. Кисленко и др., Квантовая электроника 7(3), 664 (1980).
[4] N. V. Tcherniega, K. I. Zemskov, V. V. Savranskii, et al., Optics Letters 38(6), 824 (2013).
[5] А. Ф. Бункин, М. А. Давыдов, В. Н. Леднев и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 45(6), 37 (2018)
Поступила в редакцию 23 ноября 2018 г.
После доработки 28 ноября 2018 г. Принята к публикации 29 ноября 2018 г.
