Способ получения сверхкоротких импульсов лазерного излучения

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ . СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (ii 644337

+.

I (6! ) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Зая алеко 19.07.76 (21) 2390326/18-25 (51)M, Кл.,,Н 01 $3/10 с присоединением заявки J%

Государотеенный комитет

СССР (23) Приоритет (53) УДК 621.375..8 (088.8) Опубликовано 15.06 80. Бюллетень № 22

Дата опубликования описания 15.06.80 ео делам изобретений и открытий

Г. А. Абакумов, А. И. Антипов и В. В. Фадеев

= "ФФЬД (:аL ."; ° (72) Авторы изобретения

:E

Московский ордена Ленина и ордена Трудового К

Знамени государственный университет им, М, В. Ломоносова (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХКОРОТКИХ

ИМПУЛБСОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к полуЧению сверхкоротккх импульсов лазерного излучения.

Известен способ получения сверхкоротких импульсов лазерного излучения, заключающий5 ся в том, что в резонатор лазера помещаьзт просветляющийся фильтр. Обычно просветляющийся фильтр представляет собой оптическую кювету, заполненную раствором органического соединения, который служит насыщающимся о поглотителем. Насыщающийся поглотитель характеризуется, с одной стороны, способностью увеличивать пропускание излучения с ростом

его интенсивности (насыщение поглощения) и, с другой стороны, способностью восстанавливать !

5 исходное пропускание (релаксация просветления), В процессе развития импульсов сверхкороткой длительности насыщающийся поглотитель играет следующую роль: в первоначальном излуче-. нии активной среды лазера выделяется пичок, З который благодаря насыщению поглощения or прохода к проходу через резонатор сокращается по длительности и, распространяясь через активную среду лазера, усиливается. Для эффективного осуществления данного способе

1 необходимо, чтобы время релаксации просветления поглотителя было меньше, чем время двойного прохода импульса по резонатору

2 L/c, где L — оптическая длина резонатора, с — скорость света (1). Однако при очень малых временах релаксации просветления необ. ходнма высокая интенсивность излучения активной среды, при которой начинается процесс формирования импульсов сверхкороткой длительности. Практически для большинства типов лазеров оптимальные времена релаксации просветления поглотителя оставляют 100-300 пс.

В работе аналога (21 используются переходы в системе триплетных уровней органических молекул, где время релаксации измеряется в единицах пикосекунд. (Возбужденные состояния молекул органических соединений подразделяются на синглетные и триллетные. Основное состояние молекул всегда синглетно. Говоря о релаксации просветления поглотителей, обычно имеют ввиду процессы, связанные с синглетными переходами. Время жизни в первом возбужденном синглетном состоянии состав1

3, 64433 ляет несколько наносекунд, время жизни в пер. вом возбужденном трнплетном состоянии-око-, ло микросекунды. В триплетное состояние мо-" = ""лекулы попадают с возбужденного синглетного уровня за счет синглет-триплетной конверсии).

Недостатком известного способа является то, что выполнение упомянутого условия малос ти времени релаксации просветления поглотителя достигается главным образом подбором подходящего соединения, что зачастую бывает за- ig труднительно. Для перестраиваемых по частоте лазеров, работающих в коротковолновой части спектра, такие соединения пока вообще не найдены, Известные же поглотители обладают време. нами релаксации 1-5 нс. Их невозможно использовать, так как в коротковолновой области спектра аерестраиваемые по частоте лазеры могут работать лишь с коротким резонатором,,т.е. с малым параметром 2 L/с.

Работа в сист еме трнплетных уровней также 2о оказывается невозможной, поскольку в этом случае время релаксации так мало, что при реальных интенсивностях излучения активной среды поглотитель вообще не будет просветляться. Кроме того, спектры триплет-триплет- 25 ного поглощения йзвестны лишь дпя сравнительно небольшого числа соединений, и задача получения таких спектров (а следовательно и поиск подходящих веществ) сама по себе является черезвычайно сложной. Наконец, триплетное зр состояние молекул, как было сказано вьппе, является неустойчивым, и это приводит к через-.мерной технической сложности реализации такого способа получения сверхкоротких импульсов.

Известен способ получения сверхкоротких им-35 пульсов лазерного излучения, заключающийся, в выделении пичка в первоначальном излучении активной среды и сокращении его длительности с помощью помещенного в резонатор лазера насыщающегося поглотителя, и устройство для 4о его осуществления, содержащее оптический резонатор и установленные в нем активную сре 1 ду и кювету с насыщающимся поглотителем (3).

Для осуществления этого способа необходимо

45 иметь насыщающйеся йоглотители, времена релаксации которых составляют 10-175 пс.-Такими веществами являются полиметиновые красители

I I I

1, 1 -дизтил-2,4 -карбоцианиниодид(0Сф, 1,1-диэтил-2,2 -дикарбоцианиниодид (0003), 1,1 - ! 3 Ы

-диэтил-4,4 -карбоцнаниннодид (0СЗ), 3,3-диэтнл-2,2 -Фиадикарбоцианиниодид (ОЭ0СЗ) .

Успешное получение лазерных импульсов сверхкороткой дпительности обеспечивается:прймене55 нием таких соединений в качестве насыщающихся поглотйтелей, однако уменьшение времени релаксации от 175 до 10 пс приводит к затруднению процесса просветления, играющего важную

7 4 роль в процессе формирования ультракоротких имнульсов. Как результат этого обстоятельства можно рассматривать весьма высокий порог генерации: 900 — 1000 Дж.

Однако прототип обладает следующими недостатками.

Очень высок уровень возбуждения, необходимый дпя получения импульсов сверхкороткой дпительности. Это обусловлено малостью времеии релаксации насыщающегося поглотителя. Развитие импульсов сверхкороткой длительности происходит спустя значительный промежуток времени после включения накачки. Это также следует из необходимости применять поглотители с малым временем релаксации. В результате число проходов пичка по резонатору т,е. число импульсов в цуге, ограниченное дпительностью импульса накачки, оказывается весьма малым. Столь короткие времена релаксаций просветления характерны для веществ, эффектив. но поглощающих лишь в длинноволновой части спектра, Вещества с такими параметрами, пригодные для использования в качестве насыщающихся поглотителей в зеленой, голубой и более коротковолновых частях спектра, неизвестны. Таким образом, получение импульсов сверхкороткой длительности во всем видимом спектре оказывается невозможным. Этим, повидимому, объясняется отсутствие соответствующих сообщений в научно-технической литературе.

Все зти недостатки взаимообусловлены и вытекают из необходимости иметь мапое (200 пс) время релаксации просветления насыщающегося поглотителя.

Целью изобретения является уменьшение времени формирования импульсов нри одновремейном уменьшении интенсивности излучения активной среды. В результате осуществления этой цели оказывается возможным применять в качестве насьпцающихся иоглотителей вещества с исходно большим (больше, чем 2 1./с) временем жизни в возбужденном состоянии, т, е. оказывается возможным получать импульсы сверхкороткой длительности во всем видимом диапазоне.

Эта цель достигается тем, что инициируют вынужденные переходы в основное состояние в системе синглетных уровней молекул насыщающегося поглотителя. За счет вынужденных переходов сокращается время релаксации просветления поглотителя. Сокращение времени релаксации просветления позволяет испольэовать дпя получения сверхкоротких импульсов лазерного излучения широкий класс веществ, имеющих весьма большие времена жизни в возбужденном состоянии.

37 6 раствора излучением активной среды молекулы юглотителя оказываются в возбужденном состоянии и начинают спонтанно излучать. Излучение фпуоресценции, многократно отражаясь от зеркал резонатора, в который помещен поглотитель, вызывают вынужденные переходы в основное состояние в системе скнглетных уровней молекул поглотителя, в результате чего наступает быстрая релаксация просветления поглотителя. При этом формируется импульс излучения активной среды меньшей длительности, чем вызвавший просветление, т. е. длительность импульсов эффективно сокращается. Таким образом, достигается максимально быстрое развитие импульсов сверхкороткой длительности, посколь ку процесс формирования начинается при больпюм времени релаксации и при малой интенсивности излучения активной среды, но в процессе формирования каждого импульса в результате вынужденных переходов время релаксации просветления эффективно сокращается, что вызывает и быстрое сокращение формирующихся импульсов.

Такой процесс формирования импульсов сверхкороткой длительности качественно отли/ чается от процессов, имеющих место при любом — большом или малом — фиксированном времени релаксации просветления поглотителя.

Описанный способ был реализован в устройстве для получения сверхкоротких импульсов лазерного излучения(фиг. 3).

Оптический резонатор длиной 1 = 20-25 см образован плоским полупрозрачным (пропускание 30 o) зеркалом 1 и глухим сферическим зеркалом 2. В резонатор помещена также положительная линза 3, совместное действие которой со сферическим зеркалом эквивалентно действию плоского глухого зеркала. Раствор родамина бЖ(концентрация 5х10 4 M л ) в этаноле является активной средой. Накачка осуществляет= . ся коаксиальной импульсной лампой 4, заполненной ксеноном под давлением 100 мм. рт.ст.

Внутренний капилляр лампы (диаметр 3 мм) заполнен циркулирующим раствором родамина

6Ж. Длина капилляра (активного элемента)—

50 мм. Энергия разряда в лампе 15 Дж (в прототипе — 900-100 Дж), длительность вспышки около 400 нс. Перестройка частоты излучения родамина 6Ж осуществляется с помощью интерференционного фильтра 5. В фокальной плоскости системы линза — сферическое эЕраал, помещена кварцевая кювета 6, с раствором крезила фиолетового, в этаноле (концентрация 10 зМ л ; флуоресцентное время жизни около 4 нс). Устройство и .размеры кюветы поясняет фиг 4. Прозрачные клиновые грани. исключают селекцию мод основного излучения. Две другие грани, напыленные алюминием, служат резонатором для

Описываемый способ может быть осущест1 %

f влен в устройстве, где кювета с насыщающим- ;, ся поглотителем выполнена с поперечным се-. чением в виде трапеции, причем на плоско нраллельные прямоугольные грани нанесены отражающие покрьггия, образующие оптический резонатор. При этом инициирование вынужденных переходов осуществляется за счет возбуждения генерации в полосе флуоресценции молекул насыщающегося поглотителя, !О

На фиг. 1 изображены импульсы излучения длительностью около 100 пс, полученные предложенным способом; на фиг. 2 — картина излучения в том случае, когда вынужденных переходов с возбужденного уровня молекул поглотителя нет; на фиг . 3 — устройство для получения сверхкоротких импульсов лазерного излучения; на фиг. 4 — вид кюветы резонатора для раствора насыщающегося поглотителя.

Способ получения сверхкоротких импульсов що лазерного излучения осуществляется следующим образом. Благодаря насыщению поглощения поглотителя в излучении активной среды лазера выделяется пичок, который затем многократно проходит нЬ резонатору лазера, Динамика фор- 25 мирования импульсов сверхкороткой длительности нз этого первоначального пичка сущест- . венным образом зависит от времени релаксации просветления поглотителя. В том случае, когда это время больше времени двойного про- 30 .хода по резонатору 2 L/с, импульсы сверхкороткой длительности вообще не формируются (см, фиг. 2). Если время релаксации меньше,,: по сравнению с 2 L/с, импульсы формируются медленно, но интенсивность излучения активной з среды, необходимая для этого, чтобы процесс начался, может быть небольшой. Если время релаксации много меньше, чем 2 1/с, импульсы формируются быстро, однако только при высокой интенсивности излучения активной среды. 40 .Таким образом, выгодно, чтобы процесс формирования каждого импульса начинался при . большом времени релаксации просветления (н, следовательно, при малой интенсивности излуче- 4 ния активной среды), но в процессе формирования время релаксации сокращалась бы, и фактически релаксация просветления осущест- влялась бы в короткий промежуток времени.

Это и достигается с помощью инициирования вынужденных переходов в системе синглетных уровней молекул поглотителя. Инициирование вынужденных переходов может быть осуществлено, например, за счет возбуждения генерации в полосе флуоресценции молекул насыщаюшегося поглотителя. Для этого достаточно поместить раствор поглотителя в высокодобротиый оптический резонатор малой длины. В этом случае при просветлении

44337 8 которой с помощью оптических фильтров Вырезается полоса, перекрывающая пблосу флуоресценции молекул поглотителя, но не corrrihдающая с полосой их поглощения. Кванты из5 лучейия такого внешнего источника будут обеднять возбужденный уровень поглотителя, вос- станавливая его исходное состояние. Таким образом, насьпцающийся поглотитель будет обладать необходимыми дпя получения импуль о сов сверхкороткой длительности свойствами, несмотря на го, что его флуоресцентное время жизни может быть больше, чем 2 1/c.

7 6 излучения крезила фиолетового. Длина этого резонатора, как видно из фиг. 4, составляет

8 мм. Регистрация и измерение импульсов ос. новного излучения осуществлялись с номощыо

„фотоэлектронного регистратора ФЭР—.2 — 1 с временным разрешением около 50 пс.

Типичные фэрограммы приведены на фиг. 1 и 2. Период следования импульсов составляет около 1,7 нс, что соответствует величине 2 L/с.

Длительность отдельного импульса в цуге по полувысоте около 100 пс. В цуге содержится около 100 импульсов (на фиг. 1 — часть цуга; дпительность развертки ФЭРа — около 20 нс).

Неэквидистантность пичков на фиг. 1 и неодинаковость их интенсивности объясняются нелинейностью развертки ФЭРа.

Подчеркнем, что флуоресцентное время жизни молекул крезила фиолетового составляет около 4 нс, что больше параметра 2 1 (с =

1,7 нс.

На фиг. 2 представлена фэрограмма, характерная для случая, когда напыление на соответствующих гранях кюветы, и следовательно, генерация в растворе крезнла фиолетового, отсутствуют. . Сопоставление фиг. 1 и фиг. 2 служит убедительным доказательством эффектив ности предложенногь способа получения сверхкоротких импульсов лазерного излучения.

При использовании родамина 6Ж в качестве активной среды и крезила фиолетового в качестве насыщающегося поглотителя получены импульсы дпительностью около 100 пс в области 580 нм.

При использовании кумарина-30 в качестве активной среды и уранина в качестве поглотителя такие импульсы получены в области

500 нм. При использовании кумарина-47 и кумарина-6 в качестве активной среды и насыщающегося поглотителя, соответственно — в

1 области 460 нм. Эти результаты получены впервые благодаря применению предложенного способа.

При использовании в качестве активной среды паратерч1енила и в качестве насьпцающегося раствора РОРОР могут быть получены импульсы сверхкороткой длительноСти в области 340 нм, Очевидно, что можно предложить и другие приемы дпя инициирования вынужденных переходов в системе синглетных уровней молекул насыщающегося поглотителя. Можно, например, облучать раствор насыщающегося поглотителя излучением импульсной или непрерывного действия лампы, из спектра излучения

Is Формула изобретения

1. Способ получения сверхкоротких импуль.,cos лазерного излучения, заключающийся в выделении пичка в первоначальном излучении

2о активной среды и сокращении его длительности с помощью помещенного в резонатор лазера насыщающегося поглотителя, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью уменьшения времени формирования импульсов при одновременном уменьшении интенсивности излучения активной среды, инициируют вынужденные переходы в основное состояние в системе синглетных уровней молекул насыщающегося поглотителя.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее оптический резонатор и установленные в нем активную среду и кювету с насыщающимся поглотителем, о т л и ч а ющ е е с я тем, что кювета выполнена с поперечным сечением в виде трапеции, причем

3s на плоскопараллельные прямоугольные грани нанесены отражающие покрьггия.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

4О 1. Демария, Гленн, Бринза, Мак. Методы генерации и измерения пикосекундных импульсов лазеров. Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. 1969, т. 57, Р 1, с. 5-30.

45 2. Патент США N 3904984, кл. 331 — 94. 5М„ опублик, 1975.

3, Е.ХАгФогз, 0.,1.ВгасНву and et. The

effect of saturable absorber tisetime in pico-

suonce puls oeneralIon lf. The cresil — violet laser

50 (О влиянии времени жизни насыщающегося поглотителя на генерацию пикосекундных импульсов. Tl. Лазер на основе крезила фиолетового). Optics communications, декабрь, 1974., т. 12, No 4, с, 360.

644337

Составитель С. Мухин

Техред А. 1цепанская Корректор С. Шекмар

Редактор Е. Месропова

Филиал ППП "Патент", r Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 4296/54 Тираж 844 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР . по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5