ФИАН им.
,
Преобразование частоты излучения многочастотного СО-лазера, работающего в режиме модуляции добротности.
1.1. Оптическая схема и описание эксперимента.
На рис. 1.1 представлена оптическая схема эксперимента по ГВГ СО-лазера с накачкой непрерывным разрядом в режиме модуляции добротности в нелинейном кристалле AgGaSe2. Кристалл был выращен в лаборатории Высоких технологий Кубанского государственного университета.
Рис.1.1. Оптическая схема эксперимента.
1–активная среда СО-лазера; 2-глухое зеркало; 3-частично отражающее зеркало;
4-вращающееся зеркало; 5-диафрагма; 6,9-пластины из CaF2; 7,16-сферические зеркала; 8,18-измерители мощности; 10,17-фотодетекторы; 11,13-линзы из CaF2; 12-кристалл AgGaSe2; 14,19-пластины из ИК-кварца; 15-поворотное зеркало.
В работе использовался криогенный СО-лазер с накачкой разрядом постоянного тока, работающий в режиме модуляции добротности резонатора. Лазер состоял из активной среды 1, глухого сферического зеркала (радиус кривизны r=9,0 м) 2; плоского, частично отражающего зеркала (коэффициент отражения R≥90% в диапазоне длин волн l~5,0-6,5 мкм) 3 и плоского вращающегося зеркала 4, которое представляло собой сканирующую головку от скоростного фоторегистратора. Вблизи зеркала 3 была установлена круговая диафрагма 5.
Часть излучения СО-лазера отводилась пластиной 6 из CaF2 на сферическое зеркало 7 (r=0,25 м). От сферического зеркала 7 излучение направлялось на измеритель средней мощности 8 (Ophir-10A), установленный в 20 см от него, часть излучения с помощью пластины 9 из CaF2 направлялось на фотодетектор 10 (PEM-L-3 фирмы Vigo-system), установленный в фокальной плоскости сферического зеркала 7. С помощью измерителя мощности 8 контролировалась средняя мощность излучения СО-лазера.
Основная часть излучения лазера (~95%) фокусировалась линзой 11 из CaF2 (фокусное расстояние ~60 мм) на нелинейный кристалл 12. Для оптимальной фокусировки излучения на кристалл, держатель кристалла имел 3 поступательные степени юстировки и вращательную юстировку вокруг горизонтальной оси для нахождения направления фазового синхронизма. Для коллимации расходящегося после кристалла излучения использовалась линза 13 из CaF2 (фокусное расстояние ~60 мм). С помощью плоскопараллельной пластины 14 толщиной 2 мм из ИК кварца, излучение накачки отсекалось от излучения, преобразованного в область спектра 2,4-3,5 мкм. Поворотным зеркалом 15 и сферическим зеркалом 16 (r=0,25 м), преобразованное излучение фокусировалось на фотодетектор 17 (PEM-L-3) или направлялось на измеритель средней мощности 18 Ophir-3A. Для устранения влияния рассеяния ИК-излучения накачки от оптических элементов схемы и теплового излучения от пластины 14, в которой оно поглощается, перед измерительными приборами помещалась вторая плоскопараллельная пластина 19 из ИК кварца. С помощью фотодетекторов 10 и 17 наблюдались на осциллографе (Tektronix TDS 2014) формы импульса накачки и генерации ВГ, а также контролировалась частота следования импульсов.
Длина резонатора составляла 2,83 м. При данных параметрах резонатора необходимый максимальный диаметр диафрагмы для генерации одной нулевой поперечной моды составил 10 мм. Диафрагма 5 была выбрана именно с таким диаметром.
В качестве фильтров, выделяющих излучение удвоенной частоты (длина волны порядка 2,5-3,0 мкм) от излучения накачки, находящегося в диапазоне 5-6 мкм, в работе использовались плоскопараллельные пластины из кварца.
Рис. 1.1.2. Спектр пропускания различных образцов кварца.
Для подтверждения возможности использования такого фильтра был проведен анализ спектра пропускания имеющихся у нас образцов кварца. Спектр пропускания исследовался с помощью фурье-спектрографа АФ-3. Полученные результаты представлены на рис. 1.1.2. Как видно на рис. 1.1.2, кривые пропускания, соответствующие образцам №2 и №3, имеют провал в районе длины волны 2,7 мкм, что связано с наличием молекул воды в структуре образца во время его изготовления. Это указывает на изготовление кварца гидротермальным методом для применения в оптических устройствах видимого диапазона спектра. Образцы №1 и №4 имеют хорошее пропускание в диапазоне от 1,5 до 3,5 мкм. Образец №1 в этом диапазоне длин волн пропускает не меньше 90% излучения, а образец №4 - не меньше 80%. Все образцы, исследованные с помощью спектрографа АФ-3 (ошибка измерений 0,01%), полностью поглощают инфракрасное излучение с длиной волны выше 4,8 мкм. Это указывает на их изготовление из расплава для ИК-применений. Проведенный анализ плоскопараллельных пластин из кварца говорит о целесообразности использования образцов №1 и №4 (пластины из ИК-кварца) в качестве фильтров выделяющих излучение на удвоенной частоте от излучения накачки.
1.2. Энергетические и временные характеристики СО-лазера в режиме модулированной добротности.
В качестве активной среды СО-лазера использовалась смесь He:N2:CO:Воздух=35:3:1:0.2 с суммарным давлением 7,8 торр. Накачка активной среды осуществлялась разрядом постоянного тока с напряжением между электродами ~ 9 кВ и током разряда ~8-11 мА.
Максимальная средняя мощность генерации СО-лазера достигала значения ~200 мВт. Измеренные зависимости длительности импульса по полувысоте τ1/2 и пиковой мощности генерации Рпик криогенного СО-лазера в режиме модулированной добротности резонатора от частоты модуляции представлены на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Зависимость длительности и пиковой мощности генерации СО-лазера от частоты модуляции добротности резонатора.
Пиковая мощность Рpeak определялась по формуле:
(3)
где Рср - средняя мощность лазерного излучения, τ1/2 - длительность импульса по полувысоте, f - частота следования импульсов . При частотах модуляции больше 100 Гц значение τ1/2 меняется слабо и составляет ~0,4-0,5 мкс. При частоте ~95.5 Гц, пиковая мощность импульса генерации достигает максимума и составляет ~1.2 кВт.
1.3. Энергетические и временные характеристики преобразованного по частоте излучения.
В эксперименте использован кристалл AgGaSe2 длиной 12 мм, срезанный под углом ~40о к оптической оси. Было получено преобразование частоты многочастотного излучения СО-лазера в диапазон 2,5-3,0 мкм. Кристалл устанавливался под углом ~30о к нормали (в вертикальной плоскости), при котором мощность преобразованного излучения была максимальной. Характерные осциллограммы для процесса удвоения частоты излучения СО-лазера в нелинейном кристалле AgGaSe2 представлены на рис.1.3.
| Рис. 3.3. Осциллограмма импульсов излучения накачки и преобразованного по частоте излучения СО-лазера. f=120 Гц, Pср= 72 мВт Сигнал 1: Импульс накачки Сигнал 2: Импульс преобразованного излучения. |
Длительность импульса по полувысоте преобразованного излучения оказалась в 2 раза меньше длительности импульса накачки.
Измерены энергетические характеристики генератора второй гармоники. На рис. 1.3.1 представлены зависимости средней мощности преобразованного излучения и внешнего коэффициента преобразования излучения СО-лазера в кристалле AgGaSe2.
Рис. 1.3.1. Зависимости мощности преобразованного излучения и внешней эффективности преобразования частоты излучения СО-лазера от частоты следования импульсов накачки.
Внешний коэффициент преобразования определялся как отношение средней мощности преобразованного излучения к средней мощности излучения накачки, падающего на кристалл. Максимальная средняя мощность преобразованного излучения составляла 0,27 мВт.
На рис. 1.3.1 видно, что средняя мощность преобразованного излучения достигает максимума при частоте ~107 Гц. Внешний коэффициент преобразования достигает максимального значения при частоте модуляции резонатора ~175 Гц и составляет ~0,62%. С учётом френелевских потерь на отражение от непросветлённых граней кристалла это соответствует эффективности внутреннего преобразования 1,1%. Мы специально не устанавливали кристалл в фокусе линзы с целью не допустить повышения интенсивности накачки над порогом разрушения поверхности кристалла. Для оптимального преобразования длина кристалла должна быть равна длине каустики, в этом случае волна накачки имеет фронт близкий к плоскому. В кристаллах короче и длиннее каустики идет очень быстрый на 1-2 порядка спад эффективности.
1.4. Спектральные характеристики генерации ВГ многочастотного излучения СО-лазера.
Спектр генерации СО-лазера в режиме модулированной добротности резонатора и спектр преобразованного излучения измерялся с помощью ИК-спектрографа ИКС-31 с разрешением Δλ=4·10-4 мкм. Количество колебательно-вращательных переходов в спектре излучения накачки составляло ~60. Спектр представлен на рис. 1.4:
Рис. 1.4. Спектр генерации СО-лазера в режиме модулированной добротности.
Спектр генерации попадает в диапазон длин волн ~4,96-6,3 мкм, с максимумом интенсивности в районе длины волны ~5,2 мкм.
При измерении спектра преобразованного излучения нелинейный кристалл AgGaSe2 был зафиксирован в положении, при котором наблюдалась максимальная средняя мощность генерации ВГ и СЧ.
Спектр излучения, преобразованного в нелинейном кристалле AgGaSe2, составил порядка 140 линий в диапазоне длин волн ~ 2,53-2,86 мкм, с максимумом мощности в районе 2,63 мкм. Он представлен на рис. 1.4.1:
Рис.1.4.1. Спектр излучения, преобразованного в нелинейном кристалле AgGaSe2 в диапазоне длин волн 2,5-2,9 мкм.
Большее количество спектральных линий по сравнению с количеством линий излучения накачки является следствие того, что одновременно с процессом генерации второй гармоники идёт процесс генерации суммарных частот различных пар линий из спектра излучения накачки. Это обуславливается тем, что при преобразовании частоты СО-лазера сложении частот близких линий СО-лазера в кристалле AgGaSe2, имеет место некритичный спектральный синхронизм.
Рис.1.4.3. Спектр ГРЧ излучения в AgGaSe2
