Лазерный комплекс с расширенным диапазоном
перестройки частоты

Научный руководитель проекта: проф. А.Д. Хахаев

Перестраиваемые по длине волны лазерные комплексы широко используются для спектрального анализа различных компонент плазмы, пучков, газовых смесей и т.д. Накачка перестраиваемых лазеров, генерирующих в наносекундном диапазоне длительностей импульсов, осуществляется азотными, эксимерными и лазерами на основе YAG:Nd³⁺ c преобразованием во вторую гармонику и в ряде случаев на рубине, лазерами на парах меди. К наиболее перспективным относятся системы накачки на основе эксимерных лазеров, лазеров на YAG:Nd³⁺ и лазеров на парах меди.

Эксимерный лазер как источник накачки сочетает в себе преимущества систем на N₂ (большая частота следования, низкая стоимость) и на YAG:Nd³⁺ высокая пиковая мощность и достаточная для эффективного возбуждения длительность импульсов).

Однако токсичность, агрессивность используемых газов создают определенные трудности по обеспечению безопасной эксплуатации этого устройства [1]. Одна порция газа, наиболее предпочтительного для накачки красителей лазера на ХеСl (l=308 нм), с наибольшим временем жизни рабочего газа и наименьшей чувствительностью к загрязняющим молекулярным примесям, образующимся во время разряда, обеспечивают 107 импульсов, прежде чем энергия излучения упадет вдвое. В настоящее время предпринимаются большие усилия и имеются технические решения, позволяющие существенно увеличить ресурс непрерывной работы эксимерных лазеров. (Это и специальные тиротроны и магнитные коммутаторы [2]).

Лазер на YAG:Nd, как правило, используется для накачки эффективных и стойких красителей, имеющих полосы поглощения в диапазоне 550-650 нм, а для получения перестраиваемого излучения за его пределами применяются методы нелинейной оптики (удвоение частоты и суммирование с основной частотой в нелинейном кристалле), основанные на хорошем качестве получаемого с YAG:Nd излучения [3,4]. Это позволяет обойти проблемы низкой фотохимичес-кой стойкости красителей, поднять общий коэффициент преобразования. Коэффициенты преобразования, достигнутые в настоящее время, достаточно высоки как для второй гармоники, так и для суммарной частоты. К преимуществам системы накачки на YAG:Nd³⁺ относятся относительная дешевизна модулей накачки, квантронов, большой ресурс непрерывной работы.

В задачах, где требуется высокая пиковая мощность и большая частота следования, в качестве накачки используется лазер на парах меди. Для расширения диапазона перестройки такой системы необходимо использовать методы нелинейной оптики, так как длины волн накачки 0,51 и 0,578 мкм ограничивают возможности перестройки [5].

ПЛК (перестраиваемые лазеры на красителях) с накачкой 2-ой гармоникой YAG генерируют излучение в области 550-700 нм; с преобразованием излучения ПЛК во вторую гармонику в кристаллах КDР и КРВ, суммированием излучения ПЛК и 1.06 mм в КDР, суммированием 2-й гармоники излучения ПЛК и 1.06 mм в КDР область перестройки в УФ диапазоне составляет 217-420 нм [3,4].

Весьма дешевым, перспективным и удобным является использование для преобразования длин волн ПЛК в УФ и ИК диапазоны явления вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в сжатых молекулярных газах [1]. Сдвиг частоты падающего на ВКР ячейку излучения происходит за счет возбуждения промежуточных энергетических состояний молекулы при поглощении излучения накачки и перехода на нижележащие уровни. Чаще всего используется водород, сдвиг частоты 4155 см-1, он не разрушается и не требует температурного контроля. Возможен как стоксов сдвиг частоты, так и антистоксов (соответственно в ИК и УФ область). Частоты рассеянного в водороде излучения определяются из соотношения wn=wp Э n '4155 см-1, + соответствует антистоксовой компоненте, - соответствует стоксовой компоненте, n=1, 2, 3...

Разработанный фирмой Lambda Physics ВКР-преобразователь RS75 используется для генерации ИК-излучения в диапазоне 850-1360 нм и УФ излучения в диапазоне 196-358 нм. Применение оптики из СаF₂ позволяет получить излучение в диапазоне 168-205 нм (модель RS75 VUW). Модель RS75 FIR с ВКР преобразователем с волноводом и накачкой перестраиваемого лазера FL 2002 на красителях эксимерным лазером ЕМG 200 обеспечивает диапазон перестройки в ИК области от 07 до 10 мкм.

Как отечественные, так и зарубежные производители лазеров (Lambda Physics, Quantel Int) предусматривают в своих ПЛК возможность накачки от различных источников когерентного излучения, добиваясь универсальности применения ПЛК за счет увеличения набора сменных оптических элементов.

Для расширения диапазона генерации ПЛК используется 3 гармоника излучения YAG [6,7] с использованием ВКР преобразователя на Н₂, удвоения длины волны основного излучения ПЛК (0,42-0,75 мкм), смешения с основной частотой твердотельного лазера, диапазон генерации составляет 0.86-6.1 мкм, 0.26-0.42 мкм соответственно [6]. В состав этого комплекса входят лазер на центрах окраски и измеритель длин волн.

В физических исследованиях, проводимых на КИИС и ФЭ: селекция атомных состояний, разделение изотопов, лазерно-стимулированные фотохимические реакции, требуется когерентное интенсивное излучение в широком диапазоне длин волн, что связано с объектами исследований, имеющих определенные полосы или линии поглощения и излучения в УФ и ИК областях спектра. Лазер на YAG:Nd может обеспечить как достаточно высокие энергетические возможности, так и (с преобразованием частоты) дополнительные длины волн. К достоинствам такой системы относится возможность формирования мощного одночастотного спектра излучения [8].

Лазеры как источники перестраиваемого излучения в широкой области спектра [310-1800 нм], полученного непосредственно в генерирующих красителях [9], стоят вне конкуренции, однако реальная эффективность красителей достаточно высока (~ 10%) в еще более узком диапазоне 350-750 нм, к тому же не все достаточно фотостойки и эффективны даже в этой ограниченной области спектра. Поэтому практически во всех ПЛК нашло применение нелинейно-оптическое преобразование частоты излучения как в УФ, так и в ИК диапазоны. Разнообразные методы преобразования частоты: генерация второй гармоники (ГВГ), генерация суммарных (ГСИ), разностных (ГРИ) частот, вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), генерация в газах с использованием высших нелинейностей возможны благодаря наличию в среде нелинейной восприимчивости. Эффективность таких процессов очень сильно повышается, как любого нелинейного процесса, с увеличением мощности преобразуемого излучения. Поэтому они наиболее эффективны при преобразовании излучения импульсных ПЛК с когерентной накачкой.

Комплекс ПетрГУ обеспечивает в настоящее время в разных модификациях диапазон перестройки 271-873 нм. В его состав входит измеритель длин волн и ширины спектра лазерного излучения с ПЭВМ ДВК-3. Лабораторный макет лазерного комплекса используется для проведения работ по лазерному флуоресцентному анализу, лазерной фотоионизации пучка атомов Li, модификации свойств материалов.

Лабораторный базовый образец лазерного комплекса создан на основе серийного лазера на YAG (см. рис.1) с преобразованием во вторую гармонику ЛТИ-406 и с доработками для целей накачки перестраиваемых лазеров на красителях (ПЛК) (1-й вариант), Al₂O₃:Ti³⁺ (2-й вариант) и включением в схему ВКР (H2)-преобразователя для расширения диапазона частот. В первом варианте задающий генератор (ЗГ) работает в режиме, близком к одномодовому, что особенно важно для преобразования длины волны излучения ПЛК. База резонатора ПЛК составляет 93 см, внутрирезонаторная диафрагма имеет диаметр 2.3 мм. Активный элемент в ЗГ – кристалл 4х65 мм, а в усилителе (УС) лазера накачки использован кристалл YAG 6х65 мм. Кристаллы в квантронах ориентированы таким образом, чтобы получить максимальный КПД. Преобразованию во вторую гармонику излучения с длиной волны 1.06 mм для накачки двух ПЛК (базовый вариант) осуществляется в кристалле DCDA с температурной настройкой и автоматическим поддержанием синхронизма.

Энергия накачки ПЛК l=0.53 mм может достигать 47 мДж с одним УС YAG. ПЛК на основе серийного лазера ЛЖИ-504 собран по схеме с квазипродольной накачкой ЗГ и УС, что позволяет поднять коэффициент полезного действия ПЛК, получить хорошее качество пучка. Резонатор ПЛК состоит из решетки 1200 мм-1, призменного телескопа, внутрирезонаторной линзы, кюветы с прокачиваемыми этанольными растворами красителей и выходным клиновым зеркалом. Для уменьшения фона суперлюминесценции УС накачивается на 3 нс позже ЗГ за счет оптической линии задержки. Энергия накачки ПЛК делится в соотношении 1:5 между ЗГ и УС ПЛК. Энергия на выходе ПЛК достигает 1.4 мДж на красителе ФН-70 при накачке только от ЗГ YAG (5 мДж на 0.53 mм). Грубая перестройка длины волны осуществляется поворотом решетки, работающей в автоколлимационном режиме. Для сужения спектра и тонкой перестройки длины волны используется интерферометр Фабри-Перо (ИФП). Включение в резонатор призменного телескопа (х27) кроме сужения спектра позволило снизить мощность лазерного излучения на дифракционной решетке. Поднять выходную мощность ЗГ ПЛК позволило размещение в резонаторе просветленной линзы. Ширина спектра ПЛК без внутреннего инферферометра составляет 0.05 нм по полувысоте, а с ИФП (база 5 мм) – 0.005 нм на длине волны l=0.67 мкм.

Выходные клиновые зеркала ПЛК, входящие в различные модификации комплекса в соответствии с решаемой физической задачей, могут изменяться с целью достижения оптимальной энергии или ширины спектра лазерного излучения. Так, выходное зеркало ЗГ ПЛК в ступени с УФ перестраиваемым излучением имеет коэффициент пропускания T @ 50% в диапазоне длин волн 500-700 нм, что позволило большую часть энергии накачки использовать в ступени с ВКР-преобразователем. Выходное зеркало ЗГ ПЛК на красителе "нильский синий" имеет T @ 20% в диапазоне длин волн 650-750 нм, что в условиях ограниченного энерговклада позволило в ЗГ на красителе с небольшим коэффициентом усиления получить энергию лазерного излучения с шириной спектра 0.004 нм, достаточную для проведения экспериментов по лазерной фотоионизации эффузного пучка атомов Li. Расширение диапазона генерации в УФ области спектра осуществлено с использованием генерации 2-й гармоники в КDP и суммированием излучения ПЛК и базового 1.06 мкм в КDР. Коэффициент преобразования излучения ПЛК во вторую гармонику достигает 11% на длине волны 623 нм при 1.4 мДж, падающего на нелинейный кристалл KDP (взаимодействие OOE, q=62°, j=0°). Диапазон перестройки второй гармоники ПЛК составляет 271-325.5 нм для разных красителей. Излучение в диапазоне 356-402 нм получается за счет нелинейного взаимодействия в KDP (OOE, q=58°, j=0°) излучений ПЛК и основного 1.06 mм. Спектральная плотность мощности излучения может достигать 240 кВт/(см²нм) при накачке объема 0.6х0.6х0.6 см³ на длине волны 388 нм.

Излучение ближнего ИК диапазона получено в низкопороговом преобразователе на H2 при 22.5 атм, основанном на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния, и составляет область длин волн от 68.5 до 873 нм. Пороговая энергия накачки для генерации 1-й стоксовой компоненты, возникающей из шумов, может быть снижена за счет многократного отражения от вогнутых зеркал с пленкой из меди, что эквивалентно увеличению длины каустики, то есть области активного взаимодействия волн.

Коэффициент усиления стоксовых компонент ВКР растет пропорционально плотности частиц и падает из-за увеличения ширины линии за счет ударного уширения. Оптимальное давление находится в пределах 20-25 атм [9]. Порог генерации стоксовых компонент ниже для одномодового излучения ПЛК накачки, чем для многомодового, поэтому качество распределения энергии играет важную роль. Низкий порог преобразования излучения ПЛК образуется за счет организации нескольких проходов с многократной перефокусировкой излучения накачки в комбинационно-активной среде.

Спектральная плотность мощности может достигать 2 МВт/(см²нм) при накачке объема 0.6х0.6х0.6 см³ на длине волны 800 нм.

Для расширения диапазона генерацмм ПЛК (и соответственно областей перестройки в УФ и ИК диапазонах предпринято изучение характеристик генерации ряда красителей в ближнем ИК диапазоне. В условиях сравнительно высоких неселективных потерь, характерных для формирования узкого спектра излучения в резонаторе ПЛК на основе ЛЖИ-504 были исследованы следующие новые красители: ФН-677Х, ФН-677 П, ФН-672, ФН-676, ФН-680 П и известные [11] Пиридин 1, Пиридин 2, ДСМ в ДМSO, 5054, 4963y, 4660y, 4226y, 4829y, 4923y, 7099y, 5046y красители. Для смещения границ генерации красителей ФН-70 и ФН-85 и оптимизации к.п.д. ПЛК были исследованы растворители: метиловый спирт, ДМSO. Излучение в диапазоне 0.66-0.69 мкм было получено в результате следующих действий. Энергия накачки = 0.53 мкм делится в соотношении 1:10 для преобразования в 0.26 мкм в КDР и для накачки лазера на красителе ФН-70 соответственно. Излучение перестраиваемого лазера на ФН-70, настроенного на максимум поглощения красителя "нильский синий" в этаноле, накачивает второй перестраиваемый лазер, генерирующий в области 0.66-0.69 мкм. Схема накачки УС первого ПЛК была изменена с почти продолной геометрии накачки l=0.53 мкм на поперечную, что позволило существенно снизить энергонапряженность работы кюветы. Накачиваемый объем при этом составляет 0.2х0.2х15 мм³, что обеспечивается телескопом, состоящим из круглой (f=8 см) на входе и цилиндрической (f=10 см) на выходе линз. Такое распределение энергии позволило существенно (на порядок) снизить плотность мощности на поверхности кюветы УС.

Для красителя "нильский синий", имея в виду повышение к.п.д., была организована накачка излучением 355 нм, генерируемом в результате смешения излучения l=0.53 мкм и базового l=1.06 мкм в КDР. Для того же красителя за счет большей энергии, получаемой в системе 3Г-УС, построенной на основе кристаллов ортоалюмината иттрия 6х63 мм l=1.079 мм, преобразованном в ДСДА в излучение l=0.5385 мкм, была исследована возможность получения генерации в области 0.67 мкм. Порог генерации в нашей системе ПЛК в этом случае, так и при накачке излучением 0.53 мкм красителя оксазин-1 в этаноле и смеси ФН-85 и оксазин-1 в вышеупомянутом резонаторе ПЛК без деления энергии накачки на 3Г и УС ПЛК превзойти не удалось. В конфигурации с использованием в качестве накачивающего ПЛК была исследована пара красителей: родамин 6Ж-краситель системы накачки, оксазин-17-краситель генерации в области 670 нм, уступающая, как оказалось, по эффективности паре ФН-70 – "нильский синий".

Эта схема оказалась наиболее эффективной в условиях небольшого энерговклада (~ 10 мДж излучения накачки l=0.53мкм).

Во втором варианте лабораторный макет на Al₂O₃:Ti³⁺ работает также с накачкой от второй гармоники лазера на YAG. Диапазон перестройки длины волны составляет 0.76-0.82 mм при накачке 5 мДж 0.53 mм. Работа лазера на корунде с титаном с накачкой l нак=0.53 mм моноимпульсами длительностью 10-20 нс и плотностью энергии 4-5 Дж/см2 (что близко к пробою кристалла [12]) требует стабильной, гладкой во времени и в пространстве формы импульса накачки, что может дать модулятор на основе LiF:F₂.

Лазер накачки на красителе YAG:Nd³⁺ 6.3х65 мм с преобразованием во вторую гармонику в CDA, помещенном в микропечь с автоматическим температурным выставлением и поддержанием синхронизма, генерировал моноимпульсы на фиксированной чистоте 10 Гц для снижения влияния термооптических линз [13]. Использовался пассивный модулятор добротности на основе LiF:F^2- с начальным пропусканием 38% на 1.06 мкм. Энергия второй гармоники в режиме, близком к пороговому, в 2 раза меньше в случае электрооптической модуляции с пленочным поляризатором и КDР, чем с LiF:F^2-. Наблюдение за качеством распределения энергии лазерного излучения по визуализатору в ближней зоне тоже показало преимущество LiF:F^2-. Гладкие регулярные импульсы с модулятором LiF:F^2- были получены при температуре окружающей среды 300 °K с резонатором длиной 30 см из плоских зеркал. Такие же импульсы получались при температуре 289 °K и длине резонатора 81 см, что связано как с изменением межмодовой частоты с/2L, так и с расширением неоднородно уширенных контуров YAG:Nd³⁺ и LiF:F^2- от температуры [14].

Энергия усиленного в двух усилителях 6.3х65 мм кристаллов YAG моноимпульса ЗГ с LiF:F^2- достигала 70 мДж, к.п.д.=25%. Длительность импульса 0.53 mм составляет 5 нс на полувысоте.

Для решения уже упомянутых физических задач необходима точная настройка длины волны селектирующего или анализирующего излучения в заданном спектральном диапазоне.

Выполнение этого требования обусловило создание имеющего самостоятельную практическую ценность модуля измерения длины волны лазерного излучения. С его помощью по нижеописанной методике определялась действующая длина волны и оценивалась ширина спектра генерации. В основе работы модуля лежит использование реперных линий с достаточно точно известными длинами волн в избранной рабочей области. Эти линии служат как для определения точного значения толщины интерферометра, применяемого как нониусное устройство при измерении длины волны используемого излучения перестраиваемого лазера, так и для "грубой" оценки этой длины волны, которая производится с помощью прибора с большой дисперсией (ДФС-8) и помещенным на его выходе многоэлеменным приемником путем учета геометрического положения реперной линии и линии от лазера.

1. Хахаев А.Д., Ильин А.М. Лазерный комплекс с расширенным диапазоном перестройки частоты. Сборник аннотированных отчетов.- С-Пб., 1992.
2. Хахaев А.Д., Ильин А.М. Лазерный комплекс с расширенным диапазоном перестройки частоты. Сборник аннотированных отчетов.- С-Пб., 1993.
3. Ильин А.М., Кобылин В.И., Хахаев А.Д. Комплекс для анализа и селекции атомных состояний в плазме и пучках / Ред.ж.прикл. спектроскоп. АН БССР, Рукоп.деп.в ВИНИТИ 1989г. N4044-В29.
4. Лазерный комплекс для аналитических приложений/ Ильин А.М., Королева И.Ю. Мешков Д.Е., Хахаев А.Д. – I Международный семинар "Экология и спектроскопия. Мониторинг окружающей среды".- Петрозаводск, 1989.
5. Лазерная модификация свойств окислов переходных металлов/Ильин А.М., Пергамент А.Л., Стефанович Г.Б., Хахаев А.Д.- В печати.
6. Laser Modifikation of the Properties of Transition Metal Oxides Advanced materials for Optics and Optoelectronics/A.M.Il'in, A.D. Khakhaev, A.L. Pergament, G.B. Stefanovich.- Prague, 1995.
7. Пикулев В.Б., Кузнецов С.Н., Ильин А.М. Роль безызлучательных процессов в формировании фотолюминесцентных спектров пористого кремния.- ЖТФ,1995, Т.65, В.10, С.170-175.

1. Великоцкий В.Л., Мнускин В.Е., Тринчук Б.Ф. Перестраиваемые лазеры на красителях с накачкой импульсными газовыми лазерами // Обзоры по электронной технике, Серия 11, 1986, N5.
2. Mak P.N. Exsimer laser technologi // Optical Engineering, 1981, V.20, N6, P.935-940.
3. Дмитриев В.Г., Стельмах М.Ф., Черниченко О.Б. Твердотельные лазеры на алюмоиттриевом гранате с преобразователями частоты // Электронная промышленность, 1981, N5-6, С.19-27.
4. Автоматизированный перестраиваемый лазер на растворах органических красителей ЛЖИ-506 / Бузиков Н.М., Елисеенков В.И., Киреев В.А. и др.- Ibid, 1987, N9, С.102-107.
5. Перестраиваемые лазеры на красителях с высокой частотой повторения импульсов с накачкой лазером на парах меди / Жерихин А.Н., Летоков В.С., Мишин В.И. и др. // Квантовая электроника, 1981, Т.8, N6, С.1340-1343.
6. Лазерный комплекс для получения перестраиваемого излучения в диапазоне 0.26-6.1 мкм / Андреев С.П., Бондарук В.Н., Гахович Д.Е. и др. // Труды V Международной конференции "Перестраиваемые лазеры", Новосибирск, 1990, С.379-382.
7. Tunable dye lasers // Molectron Corporation USA, 1980.
8. Формирование высококогерентных импульсов в наносекундном диапазоне / Губа Б.С., Ильин А.М., Потапов С.Л., Седов Б.М. // ЖПС, 1984, Т.40, В.6, С.931-936.
9. Перестраиваемые лазеры на красителях и их применение / Копылов С.М., Лысой Б.Г., Серегин С.Л. и др.- М., 1991.
10. Ярив А. Квантовая электроника.- М., 1980, 385 с.
11. Бондар М.В., Дерянко Н.А., Дядюша Г.Г. и др. // Квантовая электроника, 1984, Т.11, N3.
12. Белоногова Е.К., Исаенко Ю.Ж., Шавкунов С.В. // Обзоры по электронной технике, Сер.11, Лазерная техника и оптоэлектроника, 1988, В.1, С.1344.
13. Плахотник Т.В., Пындик А.М. // Квантовая электроника, 1987, N8, С.1590
14. Звелто О. Принципы лазеров.- М.: Мир, 1984, С.70.