ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 4, с. 103-107
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _
--ТЕХНИКА -
УДК 621.373
УЗКОПОЛОСНЫЙ ИСТОЧНИК УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ
© 2008 г. П. А. Бохан, Дм. Э. Закревский, В. А. Ким, С. А. Кочубей, Н. В. Фатеев
Институт физики полупроводников СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 13 E-mail: fateev @isp.nsc.ru Поступила в редакцию 12.10.2007 г.
Разработан импульсный лазерный источник перестраиваемого ультрафиолетового излучения с шириной линии <400 МГц, длительностью импульсов 9 нс, частотой повторения 11 кГц с накачкой лазером на парах меди. На длине волны 276 нм средняя выходная мощность составила 1.5 Вт. Система, предназначенная для лазерного разделения изотопов, содержит задающий генератор на основе лазера на красителе, два усилительных каскада со средней выходной мощностью излучения 4.5 Вт на длине волны 553 нм и удвоитель частоты излучения на кристалле ВВО. Задающий лазер выполнен по схеме с дифракционной решеткой, расположенной под углом, близким к скользящему, с приз-менным расширителем пучка и воздушным герметизированным эталоном Фабри-Перо. Долговременная стабильность частоты выходного излучения составила 10 МГц/ч.
PACS: 42.55.Mv, 42.55.Jr, 42.60.By
ВВЕДЕНИЕ
Основными требованиями к параметрам источника излучения для лазерного разделения изотопов [1, 2] являются высокая средняя мощность, узкополосный спектр и долговременная стабильность частоты излучения. Лазерная система должна работать в импульсно-периодическом режиме с высокой частотой повторения импульсов (от единиц до десятков килогерц) и малой длительностью импульсов (<10-7 с). Практически единственной, удовлетворяющей этим требованиям системой является лазер на красителях, накачиваемый излучением лазера на парах меди. К настоящему времени реализовано несколько вариантов таких систем с различными параметрами излучения [3-11]. Перспективным является использование в качестве источника накачки излучения второй гармоники УАв:Ш-лазеров с полупроводниковой накачкой [12]. Сдерживающим фактором для применения таких лазеров в системе лазерного разделения изотопов является их более высокая стоимость по сравнению с лазерами на парах меди.
Для изотопически селективного возбуждения резонансных состояний многих элементов требуются узкополосные лазерные источники в ультрафиолетовой (у.ф.) области спектра. В данной работе описана экспериментальная реализация одного из вариантов такого источника. Ультрафиолетовое излучение получается преобразованием излучения лазера на красителе во вторую гармонику в нелинейном кристалле. Дополнительным требованием эффективного преобразования является необходимость обеспечения высо-
кого пространственного качества пучка лазера на красителе (распределение, близкое к гауссову) и высокой степени поляризации выходного излучения. С этой целью разработан узкополосный задающий генератор, обладающий хорошей долговременной стабильностью частоты излучения с накачкой лазером на парах меди.
ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
В качестве накачки лазера на красителе применялось излучение лазерной системы на парах меди, состоящей из задающего генератора с дифракционной расходимостью пучка, предварительного усилителя и двух оконечных усилительных каскадов [2]. Общая средняя мощность выходного излучения составляла 100 Вт при частоте повторения 11 кГц и длительности импульсов на полувысоте 15 нс.
Лазерная у.ф.-система построена по традиционной схеме (рис. 1). Излучение задающего генератора усиливалось с помощью двух усилительных каскадов, а затем его частота удваивалась в нелинейном кристалле ВВО. Оптическая схема усилительных каскадов и удвоителя частоты подобна описанной в [8]. Накачка задающего генератора и усилительных каскадов осуществлялась поперечным способом. Такой способ имеет ряд недостатков по сравнению с продольным, однако, важным его преимуществом является возможность работы при более высокой концентрации красителя в растворе. Более медленное выгорание красителя под действием излучения накачки
104
БОХАН и др.
□
С
□
Рис. 1. Принципиальная оптическая схема лазерной системы. 1 - задающий генератор, 2 - дифракционная решетка, 3 - призма Глана, 4 - диафрагма, 5 - телескоп, 6 - усилительный каскад, 7 - нелинейный кристалл ВВО, 8 - блок контроля спектральных параметров излучения (измеритель длины волны и сканируемый интерферометр Фабри-Перо), 9 - выход у.ф.-излучения.
обеспечивает более длительную работу без профилактики, что необходимо для лазерного разделения изотопов.
Длина активной зоны всех трех кювет составляла 2 см, зазор между окнами для накачки в задающем генераторе и в предусилителе - 0.5 мм, а в усилителе - 1 мм. Использовалась двухпроходо-вая схема - излучение накачки фокусировалось в кювету цилиндрической линзой, после чего цилиндрическим зеркалом возвращалось в кювету. Концентрация красителя подбиралась так, чтобы пропускание излучения накачки составляло 30% за проход. При этом 90% мощности поглощалось в растворе красителя, и достигалось более равномерное распределение усиления в активной зоне.
Вызванная однопроходовой генерацией неселективная фоновая "подкладка" в спектре задающего генератора отфильтровывалась с помощью дифракционной решетки и диафрагмы. Призма Глана служила для повышения степени поляризации излучения. Выходное излучение фокусировалось в активную зону усилителей с помощью двухлинзовой системы. Спектр излучения и длина волны излучения лазера на красителе контролировались с помощью сканируемого интерферометра Фабри-Перо (область дисперсии 1.6 ГГц) и измерителя длины волны (ООО "Ангстрем", г. Новосибирск), имеющего абсолютную точность определения частоты 10-2 см-1.
При применении в качестве задающего генератора непрерывного одночастотного лазера на красителе с шириной линии генерации 5 МГц, как, например, в работах [8, 13], на выходе системы получается практически ограниченный фурье-спектр излучения. Однако такие системы дороги. К настоящему времени реализованы схемы узкополосных задающих генераторов со скользя-
щим падением излучения на решетку при продольной накачке излучением лазера на парах меди [4, 14]. Оптимизацией параметров оптической схемы достигнута ширина линии генерации <150 МГц [14]. В схеме с поперечной накачкой и применением в качестве основного селектора сплошного эталона Фабри-Перо ширина линии генерации составила 60 МГц [15]. В данной работе реализована схема задающего генератора, обеспечивающая более высокую долговременную стабильность частоты излучения без активной частотной стабилизации.
Задающий генератор (рис. 2) построен по схеме, подобной [15, 16], с поперечной накачкой кюветы с красителем излучением лазера на парах меди. Выходные окна кюветы располагались под углом Брюстера, что обеспечивало хорошую поляризацию генерируемого излучения. Активная зона имела поперечный размер 0.5 х 0.5 мм при длине 2 см и выполняла также роль внутрирезо-наторной диафрагмы. Резонатор генератора общей длиной 18 см, размещенный на массивной стальной плите, образован плотным плоским зеркалом и дифракционной решеткой, работающей в качестве предселектора.
Отражательная профилированная дифракционная решетка 1200 штрихов/мм с углом блеска 42° устанавливалась в резонаторе по автоколлимационной схеме и настраивалась на третий порядок дифракции. В этом случае угол падения для длины волны 553 нм составлял 0 = 84.5°, что близко к скользящему (коэффициент отражения >10%). В этом режиме уменьшаются неселективные потери и возрастает спектральное разрешение резонатора. В настоящее время доступны эффективные голографические решетки с любым заданным числом штрихов на миллиметр, что
обеспечивает возможность применения этой схемы в любом диапазоне спектра.
Дальнейшее сужение спектра генерации осуществлялось с помощью однопризменного расширителя пучка. Наклонная поверхность призмы устанавливалась к оси резонатора под углом больше брюстеровского. Это обеспечивало увеличение коэффициента расширения пучка (=10) и соответственно длины (/ = 4 см) освещаемой части дифракционной решетки. При этом возрастал коэффициент отражения от наклонной поверхности призмы, через которую осуществлялся основной вывод излучения из резонатора для его дальнейшего усиления.
Суммарная величина неиспользуемой мощности излучения, выводимого в 0-й, 1-й, 2-й порядки дифракционной решетки, не превышала 10%. Фоновая неселективная "подкладка" излучения, выходящая из резонатора при отражении от наклонной поверхности призмы, была не выше 5% от лазерной компоненты и в дальнейшем отфильтровывалась перед усилительным каскадом. Расчетная ширина спектра излучения в этой схеме, согласно формуле Ауг = с/тс/вт© (с - скорость света) [16], составила 2.5 ГГц. Экспериментально измеренная с помощью интерферометра Фабри-Перо с базой 1 см ширина линии выходного излучения не превышала 7 ГГц (межмодовый интервал резонатора 830 МГц).
Для получения одночастотного режима генерации в резонатор помещался воздушный эталон Фабри-Перо с базой Ь = 6 мм, световым диаметром 10 мм и коэффициентом отражения зеркал 95%. Зеркала эталона, внешние поверхности которых были просветлены для излучения на длине волны генерации, крепились на распорном кольце с помощью оптического контакта. Все элементы интерферометра были изготовлены из кварца КУ-1. Расчетная величина резкости интерферометра ^ = 60, ширина пиков пропускания по полувысоте 400 МГц, область свободной дисперсии 25 ГГц. Эталон в рабочем положении устанавливался под углом ~0.5° к оси резонатора, в таком положении отсутствует паразитная генерация от зеркала интерферометра.
При применении в качестве основного селектора эталона Фабри-Перо частота генерации определяется положением пика его пропускания. Чувствительность положения пика пропускания воздушного эталона к изменению температуры составляет 260 МГц/К. Изменение температуры на 0.1 К приводит к смещению пика пропускания на 30 МГц. При использовании в этой схеме сплошного эталона, как, например, в [15, 16], из-за изменения показателя преломления кварца температурный дрейф состави
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.