ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 3, с. 110-119
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _
--ТЕХНИКА -
УДК 535.374:535.12
регистрация импульсов излучения пикосекундного
со2-лазера с помощью параметрического
двухкаскадного преобразования в нелинейных кристаллах
© 2009 г. Н. В. Плетнев, В. В. Аполлонов, В. Р. Сороченко
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН Россия, 119991, ГСП-1, Москва, ул. Вавилова, 38 E-mail: soroch@kapella.gpi.ru Поступила в редакцию 16.10.2008 г.
Описывается методика регистрации временной структуры пикосекундных импульсов излучения С02-лазера с энергией 1.5-4.5 мкДж на длине волны 10.27 мкм с помощью двухкаскадного параметрического преобразования частоты инфракрасного излучения в видимое при накачке нелинейных кристаллов №:УАО-лазером, работающим в режиме модуляции добротности. В первой ступени преобразования (10.27 мкм + 1.064 мкм) —► 0.964 мкм использовался нелинейный кристалл GaSe. Дальнейшее преобразование излучения (1.064 мкм + 0.96 мкм) —- 0.506 мкм осуществлялось с использованием той же накачки на нелинейном кристалле a-HIO3. В предложенной схеме впервые отсутствовали какие-либо дополнительные оптические элементы между ступенями преобразователя. Преобразованное излучение регистрировалось электронно-оптической камерой Hamamatsu Temporal Disperser C1587 в области максимальной спектральной чувствительности фотокатода камеры ~0.5 мкм с временным разрешением до 2 пс. Минимальная зарегистрированная длительность импульса С02-лазера составила ~45 пс.
PACS: 42.65.Ky, 42.79.Nv
введение
В настоящее время для прямой регистрации временной формы одиночных сверхкоротких лазерных импульсов применяют приборы двух основных типов: 1) быстродействующие фотоприемники (охлаждаемые и неохлаждаемые) в комплекте с широкополосными цифровыми осциллографами реального времени (их полоса частот достигает сегодня 20 ГГц); 2) электронно-оптические преобразователи с быстрой разверткой (так называемые стрик-камеры).
Область максимальной чувствительности фотокатодов современных стрик-камер (наиболее быстродействующая из промышленно выпускаемых Гевса 200 фирмы Натата1ви имеет временное разрешение 200 фс, отдельные лабораторные образцы - до 100 фс) находится в пределах 0.5-1 мкм, т.е. напрямую стрик-камеры не могут использоваться для регистрации излучения среднего и.к.-диапазона (3-20 мкм).
Фотоприемники среднего и.к.-диапазона существенно уступают по быстродействию приемникам видимого и ближнего и.к.-диапазонов. Так, наиболее быстродействующий из них - РБ5М (ЗАО "Техноэксан", С.-Петербург) имеет временное разрешение <0.5 нс. Приемник работает на основе эффекта увлечения свободных носите-
лей в полупроводнике светом, не требует охлаждения и имеет область фоточувствительности 2-12 мкм. В то же время в видимом диапазоне существуют промышленно выпускаемые фотоприемники с временным разрешением 30 пс (например, 04176 производства фирмы Натата1ви на основе структуры металл-ОаАв-металл с областью фоточувствительности 0.45-0.87 мкм), существуют также экспериментальные образцы приемников на основе структуры металл-^-металл с временным разрешением ~10 пс; указаны перспективы уменьшения этой величины до ~1 пс.
Таким образом, для регистрации пикосекундных импульсов лазерного излучения среднего и.к.-диапазона (в частности, пикосекундных СО2-лазеров) представляется важным поиск путей преобразования длины волны излучения в видимый/ближний и.к.-диапазон при сохранении временной формы импульса методами нелинейной оптики с последующей регистрацией преобразованного импульса указанной выше быстродействующей аппаратурой.
Как показано в работе [1], существуют два быстродействующих нелинейно-оптических метода переноса временной информации из и.к.-диапазона в видимый.
Первый метод, предложенный в работе [2], заключается в использовании модифицированного затвора Дюге [3], который за счет эффекта Кер-ра открывается мощными импульсами исследуемого и.к.-излучения, модулируя при этом непрерывное видимое излучение Йе-№-лазера. Этот метод применим лишь для достаточно мощных импульсов и.к.-излучения (108-109 Вт/см2). Быстродействие метода ограничено временем релаксации жидкости, применяемой в затворе, и достигает 2 пс для СБ2.
Второй метод связан с параметрическим преобразованием частоты при суммировании частот двух излучений в нелинейном кристалле. В работе [4] впервые рассмотрена возможность преобразования частоты слабого когерентного светового сигнала на частоте ю.. В этом случае может быть использовано параметрическое преобразование частоты (п.п.ч.) вверх с помощью мощного лазерного луча накачки на частоте юр. На выходе из нелинейной среды (кристалла) образуется суммарная частота юг = ю. + юр. Если выполнено условие фазового согласования, то сигнальное излучение на частоте ю. преобразуется в волну на частоте Ю/. Эта волна может быть зарегистрирована, так как сильно отличается по частоте от накачки. Например, если ю. - излучение ближнего и.к.-диапа-зона, юр - красное излучение, то юг может быть зеленым или голубым.
В [4] также отмечено, что в таком устройстве отсутствуют шумы спонтанной эмиссии, так как квант накачки не может создать квант на суммарной частоте в отсутствие кванта на сигнальной частоте. Поэтому возможна регистрация очень слабых сигналов (в последующих работах вплоть до 5 ■ 10-14 Вт).
Быстродействие нелинейно-оптического преобразователя ограничено только временем релаксации электронной поляризации нелинейного кристалла (10-15-10-16 с) и дисперсионным рас-плыванием сигнального импульса. При типичных длинах используемых кристаллов ~1 см последнее начинает играть заметную роль при длительностях импульса <100 фс [5, с. 184].
В последующих работах направление по п.п.ч. вверх получило дальнейшее развитие в основных приложениях, а именно: преобразование изображений; и.к.-голография; приемники и.к.-излучения; нелинейные и.к.-спектрографы. Основные результаты опубликованы в работах [6-17] (в ссылках приведена лишь небольшая часть работ).
В работах [18-21] метод п.п.ч. вверх применен для регистрации излучения СО2-лазеров, работающих в диапазоне длин волн ~10 мкм. Так в работе [20] измерялась длительность импульсов СО2-лазера высокого давления с синхронизацией мод с временным разрешением ~40 пс (регистрация велась на длине волны ~0.96 мкм). В работе
[21] исследована временная структура импульсов СО2-лазера высокого давления. Достигнутое временное разрешение составляло 3 нс и лимитировалось шириной полосы регистрирующей системы.
метод параметрического
преобразования частоты вверх
Рассмотрим более подробно метод п.п.ч. вверх в случае регистрации излучения среднего и.к.-диапазона. На нелинейный кристалл, кроме сигнального и.к.-излучения (например, импульса СО2-лазера), подается мощное опорное излучение лазера накачки на длине волны Хр ~ 0.5-1 мкм (волна накачки). В результате нелинейного взаимодействия возникает излучение на суммарной частоте, которое при подходящем выборе длины волны накачки и схемы преобразования (одно-каскадная [18-21] или двухкаскадная [22, 23]) находится в видимом диапазоне и регистрируется хорошо развитыми в данной области способами.
Этот метод предполагает наличие синхронизованного по времени с исследуемым и.к.-сигналом импульса накачки, причем длительность его должна существенно превышать длительность исследуемого сигнала, а сам он должен иметь гладкую временную форму [1, 21]. В этом случае временные формы импульсов излучения на суммарной частоте и исходного сигнального импульса в отсутствие дисперсионного расплывания (см. выше) будут полностью совпадать.
Для сохранения пространственной структуры сигнального импульса волновые фронты излучений накачки и сигнального (как правило, плоские) должны совпадать, а накачка должна иметь распределение интенсивности по сечению близкое к однородному в области пространственного перекрытия двух пучков. При выполнении условий волнового или фазового синхронизма происходит пространственное накопление энергии в результирующей волне, при этом в видимом диапазоне передается информация, заложенная как в частотном, так и в пространственно-угловом спектре и.к.-сигнала [9].
Наиболее подходящими средами для п.п.ч. вверх являются анизотропные кристаллы, обладающие квадратичной восприимчивостью, т.е. основной вклад в его нелинейную поляризацию вносит квадратичная поляризация. Из 32 кристаллических классов квадратичной восприимчивостью обладают 20 классов [5, с. 13]. Подробная информация о физических основах метода п.п.ч. вверх и экспериментальных результатах, достигнутых к 1979 г., содержится в обзоре [24].
Для регистрации пикосекундных импульсов на длине волны СО2-лазера нами выбрана схема с двухкаскадным преобразованием длины волны излучения 10.27 мкм —»- 0.964 мкм —► 0.506 мкм
(предложенная в работе [22] и развитая в работе [23]) с последующей регистрацией лазерного импульса на длине волны 0.506 мкм с временным разрешением до 2 пс с помощью быстродействующей электронно-оптической камеры Hamamat-su Temporal Disperser C1587 с микроканальным усилением. Для надежной юстировки оптической линии задержки в системе регистрации стрик-ка-меры необходимо обеспечить эффективность преобразования, достаточную для того чтобы преобразованное в видимый диапазон пятно С02-лазера было хорошо видно глазом на экране.
В работе [22] приводится схема двухкаскадного преобразования, при котором излучение С02-лазе-ра переводится в видимый диапазон при использовании в качестве накачки Nd: YAG-лазера: (10.6 мкм + + 1.064 мкм) —» (0.967 мкм + 1.064 мкм) —► —► 0.507 мкм. В первой ступени преобразования использован нелинейный кристалл тиогаллата серебра. Для увеличения угловой апертуры и одновременного получения строго коллинеарной геометрии выбрано взаимодействие типа oee. В этом случае смешиваемые волны имеют взаимно перпендикулярные поляризации, волна суммарной частоты соответствует в отрицательном кристалле необыкновенной волне.
Дальнейшее преобразование излучения с X = = 0.967 мкм осуществлялось с использованием той же накачки на нелинейном кристалле LiIO3. Поскольку в LiIO3 эффективным явля
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.