СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ЛАЗЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
METHOD OF AMPLIFYING PULSED LASER RADIATION AND LASER AMPLIFIER

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть применено в спектроскопии, лазерной физике, в технике лазерных источников фемтосекундных импульсов нелинейной оптике, биологии, экологии, медицине и т.д.
Известны несколько методов усиления лазерных импульсов: при усилении в среде с инверсией, при оптическом параметрическом взаимодействии, при вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР).
15
2
Усилители лазерного излучения обеспечивают увеличение интенсивности излучения в лазерных системах. В настоящее время с помощью усиления фемтосекундных лазерных импульсов достигаются пиковые интенсивности до 10 W/cm и выше. Особенностью усиления фемтосекундных импульсов является необходимость обеспечения усиления в широкой спектральной области.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
-19
2
3+
2
2
3+
3+
+3
Усилители лазерного излучения на кристалле Ti:AlO как среде с возможностью создания инверсной населенности получили широкое распространение к концу 80-х годов. Ti:AlO как кристаллический материал для перестраиваемых твердотельных лазеров в ближней инфракрасной области спектра впервые был продемонстрирован Молтоном в 1982 году [1]. Его основными лазерными характеристиками являются: широкая полоса усиления (~250 нм) [2], относительно большое сечение усиления (~3×10 см) [2], высокая квантовая эффективность (~80%) [2] и высокая теплопроводность (0,35 Вт/см К) [3]. Возможность широкого диапазона перестройки в Ti:AiO основана на наличии широкого колебательного перехода E-T в ионе Ti. Полоса поглощения Ti:AiO соответствует диапазону от 400 до 650 нм с максимумом на 500 нм. Для создания инверсной населенности используется излучение лазеров, длина волны генерации которых попадает в данную полосу поглощения. Это может быть аргоновый лазер, лазер на парах меди, лазеры на красителях, излучение второй гармоники Nd лазера. Излучение соответствует диапазону 700-950 нм. Такая широкая полоса позволяет перестраивать длину волны генерации и дает возможность получения и усиления световых импульсов ультракороткой длительности. На кристалле Ti:AlO были получены импульсы длительностью порядка 10 фс [4].
2
3
2
3
К недостаткам усилителей оптического излучения, использующих в качестве активного элемента кристаллические среды типа Ti:AlO, можно отнести то, что активная среда усиливает излучение ограниченного спектрального диапазона (700-950 нм у Ti:AlO). Причем коэффициент усиления значительно меняется в зависимости от длины волны усиливаемого оптического излучения.
Оптическое параметрическое преобразование частоты предоставляет широкие возможности по усилению слабых оптических сигналов. Оно позволяет осуществлять эффективное усиление как непрерывной волны, так и предельно коротких импульсов длительностью менее 10 фс. При этом диапазон частот усиливаемых длин волн простирается от ближнего УФ до ИК-области [5, 6].
н
c
х
н
с
х
с
н
x
н
с
х
Принцип оптического параметрического усиления достаточно прост. В квадратично-нелинейном кристалле высокоинтенсивная волна накачки усиливает низкоинтенсивную волну меньшей частоты - сигнальную, при этом возникает третья волна, называемая холостой. Частоты всех трех волн связаны соотношением ω=ω+ω, где ω - частота волны накачки, ω - частота сигнальной волны, ω - частота холостой волны. Для эффективной перекачки энергии волны накачки в сигнальную и холостую волны необходимо выполнение условия волнового синхронизма κ+κ=κ, где κ - волновой вектор излучения накачки, κ -волновой вектор сигнальной волны, κ - волновой вектор холостой волны.
Несмотря на очевидные достоинства, устройствам, основанным на данном принципе, присущи также определенные недостатки.
-1
Условие синхронизма может быть выполнено только при определенной строгой ориентации нелинейного кристалла. Поэтому устройство для параметрического усиления чувствительно к нарушению оптимальной ориентации. Кроме того, ширина полосы параметрического усиления имеет сильную зависимость от угла между накачивающим и сигнальным пучками. Так, неколлинеарная геометрия с углом между пучками около 4 градусов позволяет усиливать сигнал со спектром, перекрывающим практически всю видимую область. В то же время при коллинеарной схеме полоса усиления обычно не превышает 20 см [5]. Таким образом, необходимо тщательно юстировать устройство, чтобы обеспечить желаемые параметры усиления.
2
Чтобы быть эффективным, процесс параметрического усиления требует интенсивностей накачки порядка ГВт/см. Однако при таких интенсивностях появляются конкурирующие нелинейно-оптические процессы, снижающие эффективность усиления [7].
Использование сильно расходящегося (сходящегося) пучка накачки может привести к тому, что условия синхронизма будут выполняться не для всех парциальных лучей пучка и, следовательно, приведет к снижению усиления, а фокусировка пучка накачки в нелинейный кристалл, как правило, необходима для эффективного усиления.
Принципиально всегда присутствует холостая волна, уносящая часть энергии и таким образом снижающая кпд устройства. Кроме того, наличие холостой волны может сократить диапазон перестройки параметрического усилителя, из-за поглощения ее в ИК-диапазоне нелинейным кристаллом.
Условия волнового синхронизма зависят от температуры кристалла, изменение этой температуры приводит к перестройке частоты усиливаемой волны [6]. В связи с этим необходимо учитывать и контролировать температуру нелинейного кристалла.
Таким образом, возникает комплекс условий, которые необходимо одновременно соблюсти для эффективной работы оптического параметрического усилителя. Соответственно данные устройства, особенно предназначенные для усиления сверхкоротких световых импульсов, достаточно сложны для настройки и требуют высокой квалификации обслуживающего персонала.
Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) является распространенным методом преобразования частоты импульсного лазерного излучения в новые спектральные диапазоны. В настоящее время с помощью импульсной ВКР генерации возможно перекрытие перестраиваемым лазерным излучением спектрального диапазона от УФ- до ИК-области.
При возбуждении монохроматическим излучением ширина полосы ВКР усиления определяется шириной линии спонтанного рассеяния комбинационно-активного колебания рассеивающей среды [8]
s
s
где P - ширина полосы усиления, I - интенсивность стоксовой волны, g - стационарный коэффициент комбинационного усиления, z - координата распространения, Г - полуширина линии спонтанного рассеяния, ω - частота, измеренная по отношению к частоте стоксовой волны.
Как правило, ширина полосы ВКР усиления несколько сужается по сравнению с шириной линии спонтанного КР вследствие эффекта усилительного сужения (gain narrowing). Порядок величины полосы ВКР усиления в этом случае составляет от десятых долей до десятков обратных сантиметров в разных кристаллических средах. В газах эта величина может иметь на порядок меньшие значения.
Ситуация изменяется при использовании лазерного излучения с шириной спектральной полосы, превышающей ширину линии комбинационного рассеяния рассеивающей среды. В этом случае полоса усиления определяется формулой [8]
,
s
S
L
где P - ширина полосы усиления, I - интенсивность стоксовой волны, ω - частота, измеренная по отношению к частоте стоксовой волны, Г - полуширина линии лазерного излучения.
-1
-1
В такой ситуации величина полосы ВКР усиления приблизительно равна величине спектральной полосы возбуждающего излучения. В наносекундной - пикосекундной области длительностей лазерных импульсов соответствующие ширины спектров лазерного излучения варьируются от единиц до 200-300 см, достигая максимальных значений в лазерах на красителях и некоторых твердотельных лазерах (например, в лазере на титане с сапфиром). Таким образом, и полоса ВКР усиления, создаваемая такими лазерными источниками возбуждения, не превышает 200-300 см.
Наиболее близкий аналог заявляемого способа и устройства описан в [9]. Он содержит источник излучения накачки с длительностью импульсов 350 фс, источник затравочного излучения, получаемого при генерации суперконтинуума, и комбинационно активный элемент в виде кюветы; наполненной водородом, длиной 1 м. Импульсы затравочного излучения и накачки одновременно подаются в кювету, где происходит ВКР усиление.
Описанное выше техническое решение обладает следующими недостатками: большие габариты кюветы высокого давления (1 м), низкое значение стационарного коэффициента комбинационного усиления газообразной среды, которое дополнительно снижается вследствие сильно нестационарного режима рассеяния при преобразовании фемтосекундных импульсов.
Перспективу преодоления вышеуказанных ограничений открывает использование твердотельных (кристаллических) комбинационно-активных сред. Эти среды имеют значительно более высокую величину коэффициента комбинационного усиления. Так, если коэффициент комбинационного усиления газообразного водорода на длине волны 532 нм равен 2.5 см/ГВт, то для кристалла нитрата бария это значение вырастает до 48 см/ГВт. Кроме этого, характерные времена дефазировки молекулярных колебаний в кристаллических средах обычно на порядок меньше, чем в газообразных, и составляют десятки - единицы пикосекунд. Короткие времена дефазировки снижают влияние нестационарности на ВКР усиление. Как правило, твердотельные устройства компактнее газовых устройств.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности усиления фемтосекундных импульсов на эффекте ВКР в твердотельной среде.
Второй задачей является обеспечение возможности усиления импульсов с длительностью меньшей, чем длительность импульсов накачки.
Поставленные задачи в способе усиления импульсного лазерного излучения путем одновременной подачи возбуждающего излучения накачки и усиливаемого излучения на кристаллический комбинационно активный элемент решены тем, что в качестве импульса накачки используют фемтосекундный импульс, который подают на кристаллический комбинационно активный элемент, имеющий не менее двух спектрально разделенных комбинационно-активных частот, обеспечивая усиление в непрерывной полосе частот, охватывающей все указанные комбинационно-активные частоты.
Поставленные задачи в усилителе на вынужденном комбинационном рассеянии, содержащем источник импульсного излучения накачки, источник усиливаемого импульсного излучения и кристаллический комбинационно активный элемент, решены тем, что источник накачки выполнен для генерирования фемтосекундного импульса, а кристаллический комбинационно активный элемент выполнен так, что он имеет не менее двух спектрально разделенных комбинационно-активных частот.
Полосу частот усиления в способе и устройстве можно перестраивать во всем диапазоне прозрачности комбинационно активного элемента за счет изменения частоты импульса накачки.
Источник импульса накачки может быть выполнен с возможностью перестройки частотной полосы выходного импульса.
На фиг.1 представлена схема примера реализации заявляемого устройства.
На фиг.2 представлен пример спектральной характеристики кристаллического комбинационно активного элемента (спектр спонтанного комбинационного рассеяния).
На фиг.3 представлен пример спектральной характеристики усиленного импульса.
Заявляемый способ реализован на описанном ниже опытном устройстве, на котором были проведены эксперименты, также описанные ниже.
Заявляемое устройство представлено в виде примера реализации на фиг.1 и состоит из лазера 1 на титане с сапфиром (Ti:Sa) и кристаллического комбинационно активного элемента 2 на кристалле калий гадолиниевого вольфрамата (КГВ), выполненного так, что он имеет не менее двух спектрально разделенных комбинационно-активных частот, как показано на фиг.2.
Лазер 1 производит импульсы с частотой следования 10 Гц, с центром спектра на длине волны 790 нм, длительностью 250 фс и энергией до 0,5 мДж. Импульсный выходной сигнал лазера 1 с помощью делительного зеркала 3 делят на две части в соотношении 1:4. Более интенсивная часть используется в качестве излучения накачки и фокусируется линзой 4 на кристаллический комбинационно активный элемент 2. Таким образом, возбуждение кристаллического комбинационно активного элемента 2 осуществляют излучением основной гармоники лазера 1 на титане с сапфиром. Менее интенсивную часть импульса направляют для генерации излучения фемтосекундного суперконтинуума. Генерация суперконтинуума осуществляется при фокусировке части излучения импульсов лазера 1 в кювету с водой (генератор континуума 5). Суперконтинуум представляет собой широкополосное излучение с временными параметрами, повторяющими параметры накачивающего импульса. Его спектр заполняет интервал частот в диапазоне 380-1100 нм. Коллимированый пучок суперконтинуума пропускают через светофильтры 6 и используют в качестве усиливаемого сигнала.
Выходной сигнал устройства, спектр которого представлен на фиг.3, анализируют в измерительной схеме фемтосекундного спектрометра (также показанной на фиг.1) по методике "возбуждение-зондирование". Импульс накачки пропускают через регулируемую оптическую линию задержки 7. Минимальный шаг задержки составляет 20 фс. В спектрометре реализована двухлучевая схема измерений. Коллимированый пучок излучения суперконтинуума с помощью металлического полупрозрачного зеркала 8 делят на два пучка, с примерно равными импульсными энергиями. Один из полученных пучков излучения с помощью сферического фокусирующего зеркала 9 пропускают через кристаллический комбинационно активный элемент 2 заведомо до прихода к нему импульса накачки и используют как опорный сигнал. Он дает информацию о пропускании комбинационно-активного кристалла 2 при отсутствии нелинейного взаимодействия. Второй используют как усиливаемый сигнал. Благодаря фиксированной оптической задержке, возникающей при прохождении между зеркалами 8, 10, 11, он может проходить через возбуждаемый объем в кристаллическом комбинационно активном элементе 2, опережая, одновременно, либо с задержкой относительно импульса накачки, что регулируется оптической линией задержки 7. Регистрацию обоих сигналов (опорного и усиливаемого) осуществляют ПЗС-камерой 12. Их сопоставление дает информацию о поглощении и усилении в кристалле 2.
Управление, как заявляемым усилителем, так и спектрометром, осуществляется с помощью компьютера 13, который устанавливает заданную задержку между возбуждением и зондированием, принимает и обрабатывает сигналы с ПЗС-камеры 12.
S
SO
S
SO
Результатом измерений являются спектры инкремента усиления (log(I/I, где I - интенсивность усиленного сигнала, I - интенсивность усиливаемого сигнала при отсутствии возбуждения) в кристалле КГВ при разных условиях эксперимента.
-1
-1
-1
Фиг.3 показывает зарегистрированный спектр ВКР усиления при двух величинах энергии накачки и его сравнение со спектром спонтанного рассеяния. Важной особенностью полученных спектров является их непрерывная протяженность от наиболее интенсивных линий комбинационного рассеяния с частотными сдвигами 901 см (850 нм) и 767 см (840 нм) (которые, как правило, активно участвуют в ВКР преобразовании) до низкочастотных малоинтенсивных линий со сдвигами на 100-200 см вблизи 800 нм (которые обычно не наблюдаются в ВКР). Как видно, заполняется весь спектральный интервал, в котором имеются комбинационно-активные частоты рассеивающей среды. При этом спектр с более низкой энергией возбуждения достаточно наглядно свидетельствует о формировании усиления отдельными линиями и их группами. Следует отметить, что максимум, наблюдаемый в спектре усиления вблизи 860 нм, также соответствует малоинтенсивной линии КР, которая в представленном на фиг.2 стандартном спектре КР не регистрировалась.
-1
-1
-1
Полученные данные демонстрируют формирование широкополосного ВКР усиления с шириной полосы 52 нм (740 см) по полувысоте (более 850 см по основанию), что более чем в 5 раз превышает спектральную полосу импульсов накачки - 9 нм (130 см). Формирование столь широкополосного спектрального контура усиления относительно узкополосным излучением накачки обеспечивает усиление импульсов длительностью до 15 фс.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет реализовать способ усиления фемтосекундных импульсов на основе ВКР в кристаллических средах, а также устройство в виде компактного твердотельного ВКР-усилителя импульсов фемтосекундного излучения, в том числе с увеличенной полосой усиления. В этом изобретении в качестве комбинационно-активной среды могут быть использованы различные типы кристаллов, активных в комбинационном рассеянии. Особенно привлекательной является возможность использования всей области прозрачности кристаллической среды, которая может охватывать УФ-, видимую и ИК-области спектра.
Источники информации
1. P.F.Moulton, Solid State Research Rep. DTIC AD-A124305/4 (1982:3), M.I.T. Lincoln Lab., Lexinton, 1982, pp.15-21.
2
3
2. P.F.Moulton, Spectroscopic and laser characteristics of Ti:AlO, J. Opt. Soc. Amer. B, Vol.3, n.1, 1986, pp.125-132.
3. CRC Handbook of Laser Science and Technology, Volume I Lasers and Masers, M.J.Weber, Ed. Boca Raton, FL; CRC Press, 1985, p.67.
4. M.T. Asaki, Chang-Po Hung, D.Garsey, J.Zhou, H.C.Kapteyn, M.M.Murnane, Opt. Lett, Vol.18, n.12, 1993, pp.977-979.
5. G.Cerullo and S. De, Silvestri Ultrafast optical parametric amplifiers. Review of Scientific Instruments Vol.74, n.1, 2003, pp.1-18.
6. Дмитриев В.Г. Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика: Генераторы второй гармоники и параметрические генераторы света. - M.: Радио и связь, 1982. - 352 с.
7. Р.Данелюс, К.Дичкус, В.Кабелка, А.Пискарскас, А.Стабинис, Я.Ясевичюте. Параметрическое возбуждение света в пикосекундном диапазоне. Квантовая электроника т.4 №11, 1977, с.2379-2395.
8. M.G.Raymer, J.Mostowski. Stimulated Raman scattering: Unified treatment of spontaneous initiation and spatial propagation. Phys. Rev. A. Vol.24, n.4, 1981, pp.1980-1993.
9. V.Krylov, A.Rebane, D.Erni, O.Olikainen, U.Wild, V.Bespalov, D. Staseiko, Stimulated Raman amplification of femtosecond pulses in hydrogen gas. Opt. Lett. Vol.21, n.24, 1996, pp.2005-2007.