КОНДЕНСАЦИЯ СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ КАК МЕТОД

СЕЛЕКЦИИ ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАЦИИ

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ЛАЗЕРОВ

В.А.Гурьев, М.С.Малышев, А.П.Савикин

Нижегородский Госуниверситет, Радиофизический факультет

603600, ГСП-20, пр.Гагарина, д.23, корп.4.

1.Введение.

В практике голографии возникает необходимость в лазерных источниках, излучающих на разных длинах волн. Например, при реализации записи информации в технике долгодвижущегося светового эха в кристалле LaF₃:Pr³⁺ [1], при использовании резонансных регистрирующих сред, в т.ч. и спектрально-селективных [2], а также в полихроматической голографии [3]. Для этой цели удобно использовать широкополосные ОКГ на растворах органических красителей или диэлектрических кристаллах с примесными ионами, перестраиваемых по частоте, средняя мощность которых в узкой полосе d l =0,1 нм при импульсной 10-наносекундной накачке YAG:Nd лазером может достигать величины P~ 10 мВт при частоте следования импульсов 25 Гц [4].

Однако, применяемые селекторы частоты, в том числе и электрооптические, вследствие тепловых и механических колебаний не всегда обеспечивают долговременной воспроизводимости частоты и достаточной когерентности излучения. Стремление сузить линию генерации до нескольких пикометров дифракционными и интерференционными селекторами приводит к значительному падению энергии в импульсе и, следовательно, средней мощности P~ 0,1 мВт. В газовых лазерах стабилизация частоты до d l /l ~ 10^-8 осуществляется за счет эффекта автостабилизации частоты в результате просветления нелинейно- поглощающей среды, помещенной внутрь резонатора [5]. ВР ячейка с поперечным неоднородным распределением концентрации поглощающей среды приводит к увеличению интенсивности излучения широкополосных лазеров в спектральных областях, соответствующих крыльям линий поглощения. Данное явление получило название конденсации спектра излучения (КСИ) [6-8]. Так как при этом происходит привязка генерации к квантовым переходам в поглощающей среде, то мы решили исследовать возможность исполь-

зования явления КСИ для стабилизации частоты генерации лазера. Выяснение механизма возникновения конденсации спектра, однозначного объяснения которая пока не имеет, было проведено нами с позиций анализа устойчивости конфигурации резонатора с ВР линзой с частотно-зависимым фокусным расстоянием, образующейся в поглощающей среде и изменяющей селективные внутрирезонаторные потери [9].

2.Селективная ВР газовая линза.

Для проведения эксперимента газоразрядная трубка от серийного He-Ne лазера ОКГ-13 помещалась в двухзеркальный резонатор лазера на этанольном растворе красителя ОКСАЗИН-17. Выбор красителя был продиктован тем, что в спектр его генерации попадает ряд линий поглощения неона. Из них наиболее интенсивные: при l = 640,23 нм - переход 3S [3/2] ® 3P [5/2] и l = 638,30 нм - переход 3S [3/2]_o^1® 3P [3/2]. Эти линии удобно сравнивать, так как разные по интенсивности и находятся достаточно близко друг к другу. Оптическая накачка красителя осуществлялась излучением второй гармоники импульсного YAG:Nd³⁺ лазера - длительность импульса накачки t_нак = 10^-8 с. Излучение накачки фокусировалось через дихроичное глухое зеркало с фокусным расстоянием F=0,27 м на кювету с красителем толщиной 1 мм. Прокачка раствора не осуществлялась. Зеркала резонатора были выбраны сферическими с целью расширения исследуемой в эксперименте области конфигурационных параметров.

Известно, что величина показателя преломления разреженного газа вблизи линии поглощения определяется формулой Зельмейера

(1)

где N₀ - заселенность нижнего уровня поглощательного перехода на длине волны l ₀, f- сила осцилятора.

Концентрация атомов Nе на метастабильном уровне 3s максимальна в центре газоразрядной трубки и равна нулю у стенок, здесь происходит релаксация атомов неона в основное состояние за счет столкновений со стенками трубки, поэтому пока-

затель преломления зависит как от l , так и от радиуса r. Предпологая квадратичную зависимость концентрации согласно [8]

(2)

где а-радиус газоразрядной трубки и воспользовавшись матричным методом геометрической оптики и зависимостью (2), нетрудно показать, что газоразрядная трубка длиной l с гелий-неоновой смесью вблизи линий поглощения неона эквивалентна тонкой линзе, оптическая сила которой

(3)

а главные плоскости системы совпадают с центром поглощающей ячейки. С коротковолновой стороны от центра линии (D l < 0, 1/F< 0 ) газовая линза рассеивающая. При переходе через центральную длины волны D l меняет знак и линза становится собирающей.

Если сила осцилляторов, наблюдаемых в эксперименте переходов в неоне известна, то относительно концентрации атомов на метастабильном уровне среди литературных данных имеется некоторая неопределенность, поэтому мы сделали оценку населенностей на уровне 3S [3/2] по результатам измерения величины относительной глубины провалов на l = 640,25 нм в спектре генерации лазера с учетом внутрирезонаторного эффекта, что составило величину N_of@ 6× 10¹¹ см^-3. Было также обнаружено отсутствие зависимости КСИ от величины разрядного тока в неоне. Это связано с тем, что заселенности уровней 3S при токе 15¸ 20 mA достигают насыщения. Данное явление оказывает положительное влияние на стабильность рассматриваемого селектора частоты.

3. Механизм КСИ.

В качестве критерия для проведения сравнительных оценок влияния ВР газовой селективно-поглощающей линзы на

спектр генерации лазера удобно выбирать степень устойчивости пустого (без поглощающей cреды) резонатора. Увеличение интенсивности генерации возможно в том случае, когда суммарные потери для мод резонатора, находящихся в спектральной области линии поглощения, будут меньше потерь пустого резонатора вследствие уменьшения величины дифракционных потерь a _дифр, которые могут быть выражены через конфигурационные параметры резонатора - g₁ и g₂ [10,11]. Для резонатора, заполненного поглощающей средой с поперечной неоднородностью показателя преломления (2) они могут быть записаны в следующем виде

(4)

где R₁, R₂ - радиусы кривизны глухого и выходного зеркал; L₁, L₂ - расстояние между ВР ячейкой и соответствующими зеркалами.

Уменьшение величины g₁g₂ в области устойчивости {1,0} сопровождается монотонным уменьшением a _дифр почти до нуля. Переход резонатором границы устойчивости: g₁g₂=0 к отрицательным значениям g₁g₂ приводит к резкому увеличению дифракционных потерь. Величину потерь энергии при обходе неустойчивого резонатора можно определить из выражения [7]

(5)

Анализ зависимости g₁g₂ от R₂ при фиксированном R₁ показывает, что моды резонатора, находящиеся в спектральной области длинноволнового крыла линии поглощения (D l > 0, 1/F> 0) имеют потери a _дифр меньшие, чем моды пустого резонатора и моды, находящиеся в области коротковолнового крыла линии (D l < 0, 1/F< 0), за исключением значений R₂ @ L вблизи границы устойчивости - g₁g₂ =0. Поэтому следует выделить ряд случаев, которые могут реализоваться в эксперименте, а именно: пустой резонатор находится в области устойчивости 0< g₁g₂ < 1; вне этой области и на границе устойчивости. Рассмотрим зави-

симость g₁g₂(F), которая должна непосредственно проявляться в спектре генерации.

Пусть g₁g₂(F=¥ )< 0 (для L=0,6 м, R₁=1м, R₂=0,3 м) - пустой резонатор неустойчив. Положительная ВР линза уменьшает a , переводя резонатор в область 0< g₁g_2< 1, начиная со значений F@ 0,4 м (см. рис.1, кривая 1¢ ). Следовательно, конденсацию спектра следует ожидать со

Рис.1. Зависимость g₁g₂(F). Штриховкой отмечена область устойчивости резонатора.

стороны l > l _о и интенсивность генерации будет превышать величину, соответствующую пустому резонатору на большом удалении от l _о (рис.2).

Увеличение L приводит к тому, что условия устойчивости резонатора с положительной линзой выполняется при меньших значениях 1/F, т.е. с увеличением длины резонатора максимум интенсивности КСИ должен удаляться от центра линии, оставаясь с длинноволновой стороны. Отношение D l /D L составляет величину порядка 0,3 ангстрем на метр.

Рис.2. Спектр генерации ОКГ (КСИ с длинноволновой стороны от l _о).

С коротковолновой стороны от l _о потери a _дифр резко возрастают, а так как они являются дополнительными к абсорбционным потерям, то выходная мощность генерации лазера должна резко уменьшиться, что и наблюдается в эксперименте (рис.2) в виде значительного уменьшения интенсивности излучения в спектральной области на крыле линии поглощения, и по характеру является противоположным явлению КСИ, таким образом, может проявляться в двух формах.

Для значений L=0,6 м, R₁=R₂=1м, g₁g₂(F=¥ )=0,16 пустой резонатор находится в области устойчивости. Отрицательная линза создает потери большие, чем потери пустого резонатора (рис.1а, кривая 2). В резонаторе с положительной линзой имеется диапазон D F с наименьшими потерями, поэтому вероятность появления КСИ больше на l > l _о.

Вблизи области устойчивости для значений L=0,63 м, R₁=1 м, R₂=0,6 м g₁g_2@ -0,02 как отрицательная, так и положительная линза изменяют устойчивость резонатора одинаковым образом (рис.1а, кривая 3), следовательно появление КСИ одновременно с обеих сторон от l _о.

Когда L=0,61 м, g₁g_2@ -0,01, положительная линза снижает a _дифр

при F³ 1 м, в то время как отрицательная линза - при значении F³ 5 м (рис.1б, кривые 1¢ , 1¢ ¢ ). В этом случае появление КСИ имеет большую вероятность на l < l _о, так как при F@ 1 м для l _о=640,2 нм, D l » 0,01 нм абсорбционные потери превышают дифракционные. Действительно, в нашем эксперименте на переходе 3S [3/2]_o^2® 3P [3/2]₃ конденсация спектра с коротковолновой стороны наблюдалась для D l > 0,05 нм.

4. Тепловая линза.

Для того чтобы генерация происходила только на конденсированных линиях, необходимо устранить остаточный широкополосный спектр. В нашем эксперименте это достигалось использованием тепловой линзы, наводимой в лазерной среде излучением накачки. В этанольном растворе органических красителей образуется отрицательная неселективная линза, параметры которой определяются растворителем, молекулами красителя, их концентрацией, а также тепловым балансом при оптической накачке.

Из приведенного выше анализа следует, что отрицательная ВР линза переводит неустойчивый резонатор в область больших дифракционных потерь. Если суммарные неселективные потери превышают пороговое значение, в то время как в спектральном диапазоне l > l _о положительная селективная линза удерживает резонатор в области устойчивости, то генерация реализуется в виде узкой линии, ширина которой порядка доплеровской d l ~ 10^-3 нм.

Экспериментальное определение временных параметров тепловой линзы проводилось по измерению интенсивности излучения зондирующего He-Ne лазера, пучок которого проходит через возбуждаемый слой раствора красителя в кювете. Было

выяснено, что время формирования линзы превышает длительность генерации красителя t_ген , составляющее 10 нс. Время релаксации линзы в этанольном растворе ОКСАЗИНА-17 в зависимости от концентрации изменяется в диапазоне D t=50¸ 1200 мс, что свидетельствует о возникновении стационарной линзы при частотах следования импульсов более 1 Гц. Оптическая сила линзы, определяемая по пространственному распределению пятна зондирующего пучка с помощью координатно-чувствительного фотоприемника, а также по методике, изложенной в [9], достигала максимальной величины 1/F_т.л. @ -0,5 м^-1. что, согласно (5), создавало потери a _дифр @ 75%. Суммарные неселективные потери при этом превышают пороговое усиление. Оптическая сила положительной селективной линзы снижается примерно до значения 1/F_С.Л.@ 0,7 м^-1 и в области l > l _о пороговое условие генерации выполняется. Так как величина стационарной линзы линейно растет с увеличением средней мощности накачки , то реализация узкополосной генерации в эксперименте осуществлялась изменением частоты следования импульсов накачки.

Устранить широкополосный фон генерации можно, следуя предложенной методике, также размещением внутри резонатора стеклянной линзы с соответствующим фокусным расстоянием. Перестройка длины волны генерации в пределах ширины линии поглощения неона осуществлялась путем изменения величины магнитного поля, в которое помещалась ВР газоразрядная ячейка. Следует отметить, что лазерную среду с положительным значением коэффициента температурного изменения показателя преломления (например, кристаллы Al₂O₃ и YAG), можно использовать для выделения коротковолновой линии КСИ.

5. Заключение.

Таким образом, объяснение конденсации спектра за счет уменьшения дифракционных потерь в области линий поглощения вследствие изменения устойчивости конфигурации резонатора с поперечной неоднородностью показателя преломления поглощающей cреды при образовании частотно-зависимой газовой линзы позволило однозначно интерпретировать большинство экспериментально наблюдаемых явлений КСИ, по крайней мере, для двухзеркального резонатора. Проведенные оценки и экспериментальные исследования свидетельствуют о повторяемости частотной зависимости КСИ от параметров резонатора и накачки,

что обеспечивает воспроизводимость частоты не хуже 10^-5 в импульсном режиме генерации и не препятствует возможности повышения как воспроизводимости, так и стабильности при переходе к непрерывному режиму генерации и использованию систем автоподстройки.

Обобщая сказанное, можно заключить, что комбинация двух ВР линз, одна из которых селективная, приводящая к явлению КСИ, а для другой предусмотрена возможность изменения величины и знака оптической силы, вне зависимости от спектра, представляет собой своеобразный селектор частоты генерации широкополосного лазера, отличающийся от традиционных более высокой долговременной стабильностью и воспроизводимостью частоты генерации, отвечающих задачам голографии. Кроме того, в настоящее время предполагается расширить диапазон генерации на линиях КСИ как за счет других переходов в Ne, так и использованием резонансных поглощательных переходов других элементов в лампах с полым катодом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зуйков В.А. //Голографические методы в науке и технике. -Л. 1990.- с.92-97

2. Семерик А.Ф. //Голография и ее применение.- Л. 1986.- с.48-60.

3. Жиглинский А.Г., Кушд Г.Г., Морозов А.О., Самохин А.Н. // ПТЭ. 1988. №6. - с.142-145.

4. Анохов С.П., Марусий Т.Я., Соскин М.С. // Перестраиваемые лазеры. - М.: Радио и Связь, 1982. - 360 с.

5. Летохов В.С., Чеботаев В.П. // Принципы нелинейной лазерной спектроскопии. - М.: Наука, 1975. - 270 с.

6. Рубинов А.Н., Белоконь М.В., Адамушко А.В. // Квантовая электроника, 1979, т.6, №4. - с.723-729.

7. S.Schroter, D.Kuhlke, W.Dietel // Optical & Quantum Electronics, 1981, v.13 - p.133-140.

8. Гамалий В.Ф., Свириденко Э.А., Топтыгин Д.Д. // Квантовая Электроника, 1988. т.15, №12. - с.2457-2466.

9. Мороз О.С., Савикин А.П., Цареградский В.Б. // Тезисы докладов в сб. "Нелинейные и когерентные эффекты в методе ВРЛС". Кировоград. 1988 - с.24.

10. Siegman A.E. // Proceedings of the IEEE, 1965. v.53. №3. - p.277-288.

11. Ищенко Е.Ф. Открытые оптические резонаторы // М.: Сов.Радио, 1980. - 280 с.

12. Сверхчувствительная лазерная спектроскопия. - Под ред. Д.Клайнджера, - М.: Мир 1986. - 520 с.