ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 2, с. 77-83
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 535:621.372
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫМ В.К.Р.-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НАНОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА ДЛИТЕЛЬНОСТЕЙ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННЫХ КВАРЦЕВЫХ СВЕТОВОДОВ
© 2013 г. С. А. Батище, А. А. Кузьмук, Г. А. Татур
Институт физики имени Б.И. Степанова НАНБеларуси Республика Беларусь, 220072, Минск, просп. Независимости, 68 Поступила в редакцию 13.04.2012 г. После доработки 12.07.2012 г.
Описаны оптическая схема, устройство и параметры высокоэффективного световодного преобразователя на вынужденном комбинационном рассеянии (в.к.р.) для импульсных У\О:Мё-лазеров наносекундного диапазона длительностей. Получено преобразование до 90% энергии излучения накачки в стоксовы компоненты. Рассмотрены процессы, ограничивающие эффективность в.к.р.-преобразования в световоде.
Б01: 10.7868/8003281621302002Х
Преобразователи на вынужденном комбинационном рассеянии (в.к.р.) широко применяются для расширения спектрального диапазона работы лазеров различного типа в стоксовы и антистоксо-вы компоненты излучения. В качестве активной среды для в.к.р.-преобразования используются газы (молекулярный водород, аммиак и др.), жидкости (ацетон, бензол, вода и др.), а также твердые материалы (кристаллы, стекла). Для повышения эффективности в.к.р.-преобразования при использовании обычных схем фокусировки излучения накачки подбираются активные среды с высоким коэффициентом в.к.р.-усиления О,: 1—3 см/ГВт — для газов и жидкостей и 3—50 см/ГВт — для кристаллов [1].
В [2, 3] показано, что в одномодовых кварцевых световодах происходит эффективное широкополосное в.к.р.-преобразование излучения лазера накачки. Применение волоконных световодов позволяет оптимизировать условия в.к.р.-преобразования в средах с малым значением О,, (например, в плавленом кварце, для которого, по оценкам, О,. ~ 0.01 см/ГВт [4]) за счет значительного увеличения длины активной среды (десятки и сотни метров). В [5] показана возможность од-нопроходового преобразования в многомодовом кварцевом у.ф.-волокне диаметром 100 мкм излучения 3-й гармоники УАС^ё-лазера (355 нм) (при плотности мощности накачки на входе световода 1.9 ГВт/см2) в 21 стоксову компоненту в диапазоне 360—527 нм и концентрации преобразования в меньшее количество стоксовых компонент в диапазоне 360—493 нм при спектрально-селективном двухпроходовом преобразовании.
В данной работе приводятся результаты исследований по созданию эффективных световодных в.к.р.-преобразователей для мощных импульсных УАС^ё-лазеров наносекундного диапазона длительностей. Рассматриваются процессы, ограничивающие эффективность в.к.р.-преобразования в световоде.
Оптическая схема лазерной системы и средств регистрации параметров излучения представлена на рис. 1. Излучение основной частоты (1064 нм, длительность 10—30 нс) либо второй гармоники (532 нм, длительность 7—10 нс) лазерной системы на УАО:Мё3+ с обращением волнового фронта на вынужденном рассеянии Мандельштама—Брил-люэна (в.р.М.Б.) в двухпроходовом усилителе ДПУ посредством линзы 14 с фокусным расстоянием 15 см фокусировалось непосредственно перед входным торцом световода 17 так, чтобы обеспечить практически полное введение излучения в световод. Фокусировка перед торцом световода позволяла предотвращать возникающее уже при малых энергиях накачки разрушение входного торца при фокусировке излучения непосредственно на входную поверхность или внутрь световода. Для в.к.р.-преобразования использовались кварц-кварцевые и кварц-полимерные световоды диаметром 200—800 мкм и длиной 8—200 м.
Излучение с выхода световода направлялось через линзу 14 на входную щель дифракционного спектроскопа ДФС-452 (21), перед которым мог устанавливаться нелинейный кристалл КТР (10) для визуализации спектра выходного излучения посредством генерации его второй гармоники. Для регистрации временных характеристик в фокальной плоскости спектрографа 21 размещали
Рис. 1. Оптическая схема лазерной системы. ЗГ — задающий генератор, ДПУ — двухпроходовый усилитель с обращением волнового фронта, Р — поляризационная развязка; 1 — "глухое" зеркало резонатора, 2 — пассивный затвор LiF:F2 или электрооптический X/4-затвор, 3 — тонкопленочный поляризатор, 4 — диафрагма 1.2 мм, 5 — активный элемент YAG: Nd3+ размером 04 х 80 мм, 6 — стеклянная пластинка, 7 — поворотные зеркала (X = 1.06 мкм), 8 — телескоп-развязка с увеличением 1х, 9 — светофильтр, 10 — генератор второй гармоники, 11 — клиновая подложка, 12 — активные элементы размером 06.3 х 80 мм, 13 — кварцевая пластинка X/4, 14 — линза (f = +15 см), 15 — кювета длиной 20 см с в.р.М.Б.-жидкостью, 16 — стеклянная пластинка, 17 — отрезок кварц-кварцевого (численная апертура N = 0.22) или кварц-полимерного (N = 0.36) световода, 18 — измеритель энергии, 19 — фотоприемник, 20 — осциллограф, 21 — спектрограф.
два фотоприемника 19, сигналы с которых подавались на скоростной осциллограф Tektronix TDS 5104B (20). Один из фотоприемников регистрировал излучение накачки, а второй — генерируемое в световоде в.к.р.-излучение. Спектры излучения на выходе спектрографа регистрировались цифровой фотокамерой. Энергия лазерного излучения измерялась двухканальным измерителем лазерной энергии и мощности Ophir Laserstar (lS) с набором измерительных головок.
Использованием в задающем лазере пассивного (LiF: F - ) или электрооптического ^/4-затвора, выходных зеркал различного вида (подложка с клином 5°, плоскопараллельная подложка из стекла К-S, стопа из двух плоскопараллельных подложек из стекла К-S с воздушным зазором), а также изменением длины резонатора можно регулировать спектральный состав генерируемого излучения (количество продольных мод задающего лазера могло изменяться от 1 до 10) и длительность импульса излучения в диапазоне 7-30 нс. Нали-
чие обращающего в.р.М.Б.-зеркала в двухпрохо-довом усилителе позволило повысить порог самовозбуждения всей лазерной системы со световодом на длине волны 1064 нм. При необходимости лазер накачки можно было преобразовать в систему с однопроходовым усилителем.
На рис. 2 показаны: импульс на выходе задающего генератора ЗГ, работающего в режиме одной продольной моды со структурой поля ТЕМ00 (рис. 2а), соответствующий ему импульс на выходе двух-проходового усилителя ДПУ с в.р.М.Б.-зеркалом на ацетоне (рис. 2б), а также импульс на выходе двухпроходового усилителя ДПУ с в.р.М.Б.-зеркалом на ацетоне для случая одновременной генерации в задающем генераторе большого количества продольных мод (рис. 2в).
Энергия импульса излучения на выходе лазера накачки достигала 150 мДж на длине волны 1064 нм и 50 мДж на длине волны 532 нм. Между лазером накачки и световодом можно было при необходимости устанавливать поляризационную развязку Р.
25
50
75
100 125
нс
25 50 75 100 125
нс
25
50
75 нс
Рис. 2. а — импульс излучения на выходе задающего генератора, работающего в режиме одной продольной моды со структурой поля ТЕМ00; б — соответствующий ему импульс на выходе ДПУ с в.р.М.Б.-зерка-лом на ацетоне; в — импульс на выходе ДПУ с в.р.М.Б.-зеркалом на ацетоне для случая одновременной генерации в задающем генераторе большого количества продольных мод.
С использованием лазера с однопроходовым усилителем с импульсом излучения, показанном на рис. 2а (А/ = 30 нс), были проведены предварительные эксперименты по выявлению основных процессов, препятствующих эффективной в.к.р.-генерации в световодах. На рис. 3 приведена зависимость энергии импульса излучения Евых на выходе кварц-кварцевого световода диаметром 800 мкм и длиной 12 м от энергии Евх импульса излу-
^вы^ мДж
25 г
20-
15-
10-
5-
10 20 30 40
50
60 70
Евх, мДж
Рис. 3. Зависимость энергии импульса излучения Евых на длине волны 1064 нм на выходе кварц-кварцевого световода от энергии импульса Евх излучения, входящего в отрезок световода длиной 12 м с диаметром центральной жилы 800 мкм.
чения с длиной волны 1064 мкм, падающего на световод.
Согласно рис. 3, выходная энергия сначала возрастает практически линейно, а затем с ростом входной энергии снижается. При этом при всех уровнях накачки не наблюдалось в.к.р.-генерации. В обратном направлении из световода регистрировалось мощное в.р.М.Б.-излучение, интенсивность которого росла по мере увеличения интенсивности накачки. Таким образом, в.р.М.Б.-излучение является важнейшим конкурирующим процессом, ограничивающим эффективность в.к.р.-преобразования. Эксперименты показали, что для длинного импульса одночастотного излучения накачки энергия на выходе световода ограничена появлением идущего в обратном направлении в.р.М.Б.-излу-чения, тогда как для короткого импульса с достаточно широким спектральным составом — оптическим пробоем входного торца световода. Исследования показали, что приведенная на рис. 1 конфигурация лазера накачки обеспечивает наилучшие характеристики в.к.р.-преобразования.
На рис. 4 представлены импульсы излучения накачки (532 нм) на входе и выходе световода, а также импульс первой стоксовой компоненты на выходе световода в зависимости от энергии накачки на входе кварц-кварцевого световода диаметром 800 мкм, длиной 12 м (рис. 4а—4в) и кварц-полимерного световода диаметром 400 мкм, длиной 60 м (рис. 4г—4е). Энергию входного излучения на длине волны 532 нм (А/ = 7 нс) в экспериментах можно было изменять в диапазоне 0—50 мДж.
Эксперименты показали, что для кварц-кварцевого световода диаметром 800 мкм и длиной 12 м,
0
0
0
0
Рис. 4. Импульсы накачки с Xp = 532 нм на входе (1) и выходе (2) световода и первой стоксовой компоненты в.к.р.-генерации ^1ст (3) для кварц-кварцевого световода диаметром 800 мкм, длиной 12 м (а—в) и кварц-полимерного световода диаметром 400 мкм, длиной 60 м (г—е). Осциллограммы а, г соответствуют входной энергии излучения накачки ниже порога возникновения в.к.р.; б, д — генерации одной-двух стоксовых компонент в.к.р.; в, е — генерации трех и более стоксовых компонент.
когда входная энергия излучения накачки ниже порога возникновения в.к.р., импульс накачки на выходе световода практически повторяет входной
импульс (см. рис. 4а). Р
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.