ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 2, с. 124-128
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 535.015
НАНОСЕКУНДНЫЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА В СРЕДНЕМ И.К.-ДИАПАЗОНЕ С ДВУХПРОХОДНОЙ НАКАЧКОЙ
© 2012 г. Д. Б. Колкер*, **, ***, Р. В. Пустовалова**, М. К. Старикова*, А. И. Карапузиков**, А. А. Карапузиков***, О. М. Кузнецов**, Ю. В. Кистенев****
*Новосибирский государственный технический университет Россия, 630092, Новосибирск, просп. К. Маркса, 20 **Институт лазерной физики СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 13/3 ***000 "Специальные технологии" Россия, 630060, Новосибирск, ул. Зеленая горка, 1/3 ****Сибирский государственный медицинский университет Россия, 634050, Томск, Московский тракт, 2 Поступила в редакцию 26.05.2011 г.
После доработки 20.06.2011 г.
Описывается параметрический генератор света (п.г.с.) с двухпроходной накачкой на основе периодических структур М§0:РРЬМ и РРЬ№ В качестве источника накачки использован малогабаритный наносекундный -лазер в области 1.053 мкм (длительность импульса накачки 5—7 нс при максимальной энергии импульса 300 мкДж на частоте 1—7 кГц). Порог генерации п.г.с. на основе М§0:РРЬМ варьировался в интервале 11—28 мкДж в диапазоне длин волн 2.1—4.3 мкм. Эффективность преобразования энергии накачки в энергию холостой волны уменьшалась от 8.6 до 2.5% в диапазоне длин волн 2—4.3 мкм. Для п.г.с. на основе нелинейного элемента РРЬМ порог генерации составил 36 мкДж в области 4.2 мкм и 49 мкДж в области 4.7 мкм. Эффективность преобразования энергии накачки в энергию холостой волны составила 3.3—0.4% в диапазоне длин волн 4.2—4.7 мкм.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время особый интерес представляет анализ состава атмосферы с целью детектирования малых концентраций различных газов и, как частный случай, выдыхаемого человеком воздуха для диагностики различных заболеваний. Для решения данной задачи предложен резонансный метод оптико-акустической спектроскопии, на основе которого разработан оптико-акустический лазерный газоанализатор [1]. Поскольку спектр С02-лазера не удовлетворяет в полной мере требованиям поставленных задач, решено дополнительно использовать параметрический генератор света (п.г.с.) в качестве источника широко перестраиваемого и.к.-излучения в области 2.3-4.3 мкм (4.2-4.7 мкм) [2, 3].
Ниже описывается п.г.с. с двухпроходной накачкой на периодически поляризованных структурах из ниобата лития: М§0:РРЬМ и РРЬМ. Для обеспечения надежности работы п.г.с. использовался монолитный резонатор, выполненный в виде куба с выбранными полостями для установки соответствующих оптических элементов резонатора п.г.с. и кристаллов М§0:РРЬМ и РРЬМ.
МОНОЛИТНЫЙ РЕЗОНАТОР П.Г.С.
Основное требование при создании п.г.с. — достижение максимальной эффективности преобразования при параметрическом взаимодействии, поэтому критерием при разработке оптической схемы резонатора является получение оптимальной фокусировки в кристалле РРЬМ. Теоретически [4] и экспериментально [5] показано: эффективность преобразования оптимальна, когда конфокальный параметр накачки Ь внутри кристалла равен длине кристалла РРЬМ.
При разработке оптического резонатора нужно учесть два обстоятельства: 1) апертура, равная 0.5 мм, должна быть достаточна для свободного прохождения через кристалл (вдоль оси ¿) накачки (при толщине кристалла 500 мкм радиус пучка для холостой волны должен быть <160 мкм, чтобы не допустить дифракционных потерь, ведущих к увеличению порога генерации п.г.с.); 2) высокодобротный резонатор для сигнальной волны должен быть стабильным [6].
Резонатор п.г.с. представляет собой монолитную конструкцию с двумя высокоотражающими зеркалами на сигнальной волне (рис. 1). Ввод излучения накачки и вывод излучения на холостой и сигнальной волнах осуществляются через входное плоское зеркало. Второе зеркало с радиусом
кривизны 50 мм является "плотным" для всех трех длин волн (А§ ТЬогЬаЪ8). В разработанном моноблоке возможна коррекция длины резонатора путем перемещения цилиндрических держателей во фланцах. Конструкция моноблока позволяет изменять конфигурацию резонатора (конфокальный, сферический, Фабри—Перо и полусферический).
Кристалл РРЬМ располагается на жестком юстируемом держателе, который позволяет обеспечить настройку позиции кристалла в резонаторе и возможность перемещения РРЬМ по всем дорожкам для перестройки длины волны п.г.с. В описываемой конструкции предусмотрена замена юстируемого блока РРЬМ на другой блок с объемными кристаллами ЬЮа$е2, ЬПп$е2 [2] и т.п. для перестройки в длинноволновой области (в перспективе до 9 мкм). Перестройка по длине волны осуществляется изменением угла 9 в кристалле.
РАСЧЕТ ПОРОГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК П.Г.С.
Согласно предложенным в [7, 8] моделям, пороговую плотность энергии накачки и пороговую мощность накачки двухпроходного п.г.с. можно рассчитать, используя следующие формулы:
J = npnsnjS0c4 2.25 Wp + WS т x T TpF Zo&df L2 Wp (1 + Y)2
x cosh-1 ((l + ad - ln^R);
\ 2tc !
P _ a a ¡nsntc 4e on
Pth = 2 tT '
4ю^ю;ю pdgLhm
где np, ns, nj — коэффициенты преломления кристалла на длинах волн накачки, сигнальной и холостой соответственно; щ — частоты длин сигнальной и холостой волн соответственно; Wp, Ws — перетяжки гауссовых пучков для длин волн накачки и сигнальной соответственно; у — отношение амплитуд отраженной и падающей волн поля накачки; ad — потери за один проход для сигнальной волны; as — потери за один проход для сигнальной волны, включая потери на выходном зеркале; Rs — коэффициент отражения сигнальной волны; Tp — коэффициент пропускания для длины волны накачки; т — длительность импульса накачки; s0 = 8.85 • 10-12 Ф/м — диэлектрическая постоянная вакуума; с = 3 • 108 м/с — скорость света; df — эффективная нелинейность; L — длина кристалла; Lcav — оптическая длина резонатора; hm — коэффициент ослабления Бойда—Клеймана (в двухпроходной схеме hm = 0.186); F — острота резонатора на частоте накачки (в двухпроходной схеме F = 1.8).
Рис. 1. Монолитный резонатор п.г.с.
ПОЛУСФЕРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР С ДВУХПРОХОДНОЙ НАКАЧКОЙ
В полусферическом резонаторе с двухпроход-ной накачкой в качестве как входного, так и выходного зеркала используется плоское зеркало со следующими параметрами: НВг (0°—15°, (1310— 1470) ± 10 нм) > 99.9% + Вг (0°-15°, 1064 нм) < 5% + + Вг(0°-15°, 3.0-6.0 мкм) < 5%. Второе зеркало -сферическое с радиусом кривизны В = 50 мм и серебряным напылением (ТЬогЬаЪ8). Длительность импульса накачки т = 5-7 нс (1000-5000 Гц), потери за один проход для сигнальной волны а = = 0.04, отношение амплитуд прошедшей и падающей волн поля накачки в кристалле у = 0.1.
Расстояния между кристаллом и оптическими зеркалами М1 и М2 - Ь1 и Ь2 соответственно -определены из минимального расстояния от цилиндрических держателей во фланцах оптических зеркал до юстируемого держателя кристалла РРЬМ в соответствии с конструкцией нагревательного элемента фирмы ТЬогЬаЪ8. При выбранных расстояниях Ь1 = 7 мм, Ь2 = 7 мм и длине кристалла 20 мм полусферический резонатор обеспечивал необходимый радиус перетяжки - 92 мкм.
Длина кристалла РРЬМ (й^ = 14.4 пм/В) составляла 20 мм. Для расчета использованы следующие значения коэффициентов преломления кристалла РРЬ№ пр = 2.13, п3 = 2.13, п1 = 2.35. В такой конфигурации расчетная пороговая плотность энергии накачки (кр = 1.053 мкм, к = 1.5 мкм и к1 = 3.53 мкм) составила JT = 0.024 Дж/см2 для пучка радиусом ю0 = 92 мкм, а пороговая энергия накачки - 10.6 мкДж.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
На рис. 2 представлена схема экспериментальной установки п.г.с. в однорезонаторной конфигурации с двухпроходной накачкой. В качестве источника накачки выбран одномодовый лазер с диодной накачкой (модель DTL-329QT
Рис. 2. Схема экспериментальной установки п.г.с. ФИ - фарадеевский изолятор; Mi, М2 — зеркала резонатора п.г.с.; ОАД - оптико-акустический детектор; ПК - персональный компьютер; П - поляризатор; КТ — контроллер температуры; Н - нагреватель; Angstrom WS6 — измеритель длин волн; ПД - пироэлектрический детектор; Д - дихроичное зеркало; Ф - фильтр; 1/2 — полуволновая пластинка.
Лазер накачки Nd:YAG, 5-7 нс 342 мкДж, 1.053 мкм
Angstrom WS6
ФИ
\
1/2 =1
ПД
ОАД
П^ч. 1.3-1.6 мкм Т2.0-4.3 мкм 1—г-У 0.6-0.8 мкм 14.2-4.96 мкм
Д
Ф
фирмы "Laser-compact group"). Лазер работает в наносекундном режиме, который осуществляется акустооптической модуляцией добротности. Максимальная энергия в импульсе на частоте 1-5 кГц равна 300 мкДж, длина волны - 1053 нм.
Резонатор п.г.с. образован двумя зеркалами (см. рис. 2): плоским зеркалом M1 (Layertec) (AR (0°, 1064 нм) < 1.0% + AR (0°, 4.0-6.0 мкм) < 2%, HRr (0°-15°, (1310-1470) ± 10 нм) > 99.9%) и зеркалом M2 (ThorLabs) c Ag-покрытием, R = 50 мм. Линза с фокусным расстояниемf = 200 мм из CaF2 обеспечивала оптимальное согласование излучения накачки и параметров резонатора. Радиус перетяжки на зеркале M1 составил ю0 ~ 92 мкм. Излучение накачки вводилось через зеркало М1, излучение на сигнальной и холостой волнах выводилось также через зеркало М1. В резонаторе п.г.с. размещался нагреватель с периодически поляризованным кристаллом из ниобата лития LiNbO4 (PPLN).
Фарадеевский изолятор (Avesta) использовался в оптической схеме для исключения обратной связи от резонатора п.г.с. и оптических элементов схемы. Полуволновая пластинка в комбинации с поляризационным кубом (ThorLabs) обеспечивала требуемую поляризацию для запуска процесса параметрического преобразования.
П.Г.С. НА ОСНОВЕ MgO:PPLN
Кристалл MgO:PPLN (Covesion LTD) длиной 20 мм состоял из девяти дорожек, каждая шириной 0.5 мм (27.91, 28.28, 28.67, 29.08, 29.52, 29.98, 30.49, 31.02 и 31.59 мкм). Нагреватель с кристаллом размещались на Х-координатном столике,
который обеспечивал перемещение структуры относительно пучка накачки, что позволило перестраивать п.г.с. в области 2.1-4.3 мкм. На торцы кристалла нанесены антиотражающие покрытия для длин волн: накачки, R < 1.5% на 1064 нм; сигнальной, R < 1% на 1400-1800 нм; холостой, R ~ ~ 6%-3% на 2600-4800 нм. Термоконтроллер и нагреватель кристалла обеспечивали термостабилизацию PPLN в широком диапазоне т
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.