Способ получения сверхкоротких импульсов лазерного излучения

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ . СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(51)М, Кл. Н 01 8 3/10 с присоединением заявкиГосударстеенный комитет СССРОпубликовано 15.06 80 Бюллетень22Дата опубликования описания 15.06.80 по делам изобретений и открытий(7) Заявитель Московский ордена Ленина и ордена намени государственный университет 4) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХКОРОТКИХЛБСОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВОДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ тельн Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к полуЧению сверхкоротккх импульсов лазерного излучения.Известен способ получения сверхкоротких импульсов лазерного излучения, заключающий.5 ся в том, что в резонатор лазера помещаьзт просветляющийся фильтр. Обычно просветляющийся фильтр представляет собой оптическую кювету, заполненную раствором органического соединения, который служит насыщающимся поглотителем. Насыщающийся поглотитель ха.рактеризуется, с одной стороны, способностью увеличивать пропускание излучения с ростом его интенсивности (насыщение поглощения) и, с другой стороны, способностью восстанавливать5 исходное пропускание (релаксация просветления), В процессе развития импульсов сверхкороткой длительности насыщающийся поглотитель игра-ет следующую роль: в первоначальном излуче-нии активной среды лазера выделяется пичок, который благодаря насыщению поглощения от прохода к проходу через резонатор сокращается по дли ости и, распространяясь через активную среду лазера, усиливается. Для эффективного осуществления данного способанеобходимо, чтобы время релаксации просветления поглотителя было меньше, чем время двойного прохода импульса по резонатору 2 1./с, где 1. - 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 оптимальнвте времена релаксации просветления поглотителя составляют 100-300 пс,В работе аналога (23 используются перехо. ды в системе триплетных уровней органических молекул, где время релаксации измеряется в единицах пикосекунд. (Возбужденные состо. яния молекул органических соединений подраэ. деляются 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 пер. вом возбужденном синглетном состоянии состав.3 , 6443ляет несколько наносекунд, время жизни в первом возбужденном трнплетном состоянии-око.,ло микросекунды. В триплетное состояние мо " лекулы попадают с возбужденного синглетногоуровня за счет синглет.триплетной конверсии),5Недостатком известного способа являетсято, что выполнение упомянутого условия малости времени релаксации просветления поглотителя достигается главным образом подбором под.ходящего соединения, что зачастую бывает за. 1 Отруднительно, Для перестраиваемых по частотелазеров, работающих в коротковолновой частиспектра, такие соединения пока вообще не найдены. Извеспще же поглотители обладают временами релаксации 1-5 нс, Их невозможно использовать, так как в коротковолновой области спектра перестраиваемые по частотелазеры могут работать лишь с коротким резонйтором,;те, с малым параметром 2 Цс,Работа в системе трнплетных уровней также 2 ооказывается невозможной, поскольку в этомслучае время релаксации так мало, что приреальных интенсивностях излучения активнойсреды поглотитель вообще не будет просветляться. Кроме того, спектры триплет-триплетного поглощения Известны лишь дпя сравни.тельно небольшого числа соединений, и задачаполучения таких спектров (а следовательно ипоиск подходящих веществ) сама по себе является чрезвычайно сложной. Наконец, триплетное зрсостояние молекул, как было сказано вьппе,является неустойчивым, и это приводит к чрез-.мерной технической сложности реализации тако.го способа получения сверхкоротких импульсов.Известен способ получения сверхкоротких им-З 5пульсов лазерного излучения, заключающийся,в выделении пичка в первоначальном излученииактивнойсреды и сокращении его длительности с помощью помещенного в резонатор лазеранасыщающегося поглотителя, и устройство для 4 оего осуществления, содержащее оптическийрезонатор и установленные в нем активную среду и кювету с насыщающимся поглотителем3,37 4роль в процессе формирования ультракоротких импульсов, Как результат этого обстоятельства можно рассматривать весьма высокий порог генерации: 900 - 1000 Дж,Однако прототип обладает следующими не достатками,Для осуществления этого способа необходимо45 иметь йасйщающйеся йоглотители, времена релаксации которых составляют 10.175 пс. Такими веществами являются полиметиновые красители1, 1 -цизтил,4 -карбоцианиниодид(ОСЗ, 1,1-диэтил,2 -дикарбоцианиниодид (ООСЗ), 1,1. Ядиэтил,4 -карбоцнаниннодид (ОСЗ), 3,3 .диэтнл,2.Фиавикарбоцианиниодид (ОЭОСЗ), Успешное получение лазерных импульсов сверхкороткой дпительности обеспечивается:прймене.55 нием таких соединений в качестве насыщающихся поглотйтелей, однако уменьшение времени релаксации от 175 до 10 пс приводит к затруднению процесса просветления, играющего важную Очень высок уровень возбуждения, необходи. мый дпя получения импульсов сверхкороткой дпительности, Это обусловлено малостью времени 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 релаксации просветления характерны для веществ, эффектив но поглощающих лишь в длинноволновой части спектра, Вещества с такими параметрами, пригодные дця использования в качестве насыща. ющихся поглотителей в зеленой, голубой и более коротковолновых частях спектра, неиз. вестны. Таким образом, получение импульсов сверхкороткой длительности во всем видимом спектре оказывается невозможным. Этим, повидимому, объясняется отсутствие соответ.ствующнх сообщений в научнотехнической литературе. Все зти недостатки взаимообусловлены ивытекают из необходимости иметь малое(200 пс) время релаксации просветления насыщающегося поглотителя.Целью изобретения является уменьшениевремени формирования импульсов нри одновремейном уменьшении интенсивности излученияактивной среды, В результате осуществленияэтой цели оказывается возможным применятьв качестве насьпцающихся иоглотителей вещест.ва с исходно большим (больше, чем 2 1./с)временем жизни в возбужденном состоянии,т, е. оказывается возможным получать импульсысверхкороткой длительности во всем видимомдиапазоне.Эта цель достигается тем, что инициируютвынужденные переходы в основное состояниев системе синглетных уровней молекул насы.щающегося поглотителя. За счет вынужденныхпереходов сокращается время релаксации про.светления поглотителя. Сокращение временирелаксации просветления позволяет испольэовать дпя получения сверхкоротких импульсовлазерного излучения широкий класс веществ,имеющих весьма большие времена жизни ввозбужденном состоянии,37 6раствора излучением активной среды молекулыюглотителя оказываются в возбужденном состоянии и начинают спонтанно излучать. Излучениефпуоресценции, многократно отражаясь от зеркал резонатора, в который помещен поглотитель, вызывают вынужденные переходы в основное состояние в системе скнглетных уровнеймолекул поглотителя, в результате чего наступает быстрая релаксация просветления поглотителя. При этом формируется импульс излученияактивной среды меньшей длительности, чемвызвавший просветление, т. е, длительность импульсов эффективно сокращается. Таким обра.зом, достигается максимально быстрое развитиеимпульсов сверхкороткой длительности, поскольку процесс формирования начинается при большом времени релаксации и при малой интенсивности излучения активной среды, но в процессеформирования каждого импульса в результатевынужденных переходов время релаксациипросветления эффективно сокращается, что вызывает и быстрое сокращение формирующихсяимпульсов,Такой процесс формирования импульсовсверхкороткой длительности качественно отли/чается от процессов, имеющих место при лю.бом - большом или малом - фиксированномвремени релаксации просветления поглотителя.Описанный способ был реализован в устройстве для получения сверхкоротких импульсовлазерного излучения( фиг. 3).Оптический резонатор длиной 1 = 20-25 смобразован плоским полупрозрачным (пропус.канне 30%) зеркалом 1 и глухим сферическимзеркалом 2, В резонатор помещена также положительная линза 3, совместное действие которойсо сферическим зеркалом эквивалентно дейст.вию плоского глухого зеркала. Раствор родами.на бЖ(концентрация 5 х 10 4 М л ) в этанолеявляется 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 родамина6 Ж. Длина капилляра (активного элемента) -50 мм. Энергия разряда в лампе 15 Дж(в прототипе - 900.100 Дж), длительностьвспышки около 400 нс.Перестройка частотыизлучения родамина 6 Ж осуществляется с помощью интерференционного фильтра 5, В фокальной плоскости системы линза - сферическое эЕраал, помещена кварцевая кювета б,с раствором крезила фиолетового, в этаноле, время жизни около 4 нс), Устройство и.размеры кюветы поясняет фиг. 4. Прозрачныеклиновые грани, исключают селекцию модосновного излучения. Две другие грани, напыленные алюминием, служат резонатором для 5Описываемый способ может быть осущест.%влен в устройстве, где кювета с насыщающим.ся поглотителем выполнена с поперечным се-. чением в виде трапеции, причем на плоскощраллельные прямоугольные грани нанесены отражающие покрьггия, образующие оптичес. кий резонатор. При этом инициирование вынуж. денных переходов осуществляется за счет возбуждения генерации в полосе флуоресценции молекул насыщающегося поглотителя, 0На фиг. 1 изображены импульсы излучения длительностью около 100 пс, полученные пред. ложенным способом; на фиг. 2 - картина из. лучения в том случае, когда вынужденных переходов с возбужденного уровня молекул 15 поглотителя нет; на фиг. 3 - устройство для получения сверхкоротких импульсов лазерного излучения; на фиг. 4 - вид кюветы резонатора дпя раствора насыщающегося поглотителя.Способ получения сверхкоротких импульсов 20 лазерного излучения осуществляется следующим образом. Благодаря насыщению поглощения поглотителя в излучении активной среды лазера выделяется пичок, который затем многократно проходит но 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 .хода по резонатору 2 1./с, импульсы сверхкорот. кой длительности вообще не формируются (см, фиг, 2). Если время релаксации меньше: по сравнению с 2 1/с, импульсы формируются медленно, но интенсивность излучения активной з среды, необходимая дпя 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 ния активной среды), но в процессе формиро. вания время релаксации сокращалось 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 мо. жет быть осуществлено, например, за счет воз. буждения генерациив полосе флуоресценцни молекул насыщающегося поглотителя. Для этого достаточно поместить раствор поглотителя в высокодобротиый оптический резонатор малой длины. В этом случае при просветлении37 8которой с помощью оптических фильтров вырезается полоса, перекрывающая полосу флуоресценции молекул поглотителя, но не совпЪ. дающая с полосой их поглощения. Кванты излучейия такого внешнего источника будут обед. нять возбужденный уровень поглотителя, вос-станавливая его исходное состояние. Таким образом, насьпцающийся поглотитель будет обладать необходимыми дня получения импульсов сверхкороткой длительности свойствами, несмотря на то, что его флуоресцентное время жизни может быть больше, чем 2/с. 7 6443излучения крезила фиолетового. Длина этогорезонатора, как видно из фиг. 4, составляет8 мм. Регистрация и измерение импульсов основного излучения осуществлялись с номощыофотоэлектронного регистратора ФЭР - .2 - 1 с временным разрешением около 50 пс,Типичные фэрограммы приведены на фиг, 1и 2, Период следования импульсов составляетоколо 1,7 нс, что соответствует величине 2 Цс.Длительность отдельного импульса в цуге по Ополувысоте около 100 пс. В цуге содержитсяоколо 100 импульсов (на фиг. 1 - часть цугадпительность развертки ФЭРа - около 20 нс),Неэквидистантность пичков на фиг. 1 и неодинаковость их интенсивности объясняются нели. 5нейностью развертки ФЭРа,Подчеркнем, что флуоресцентное время жиз.ни молекул крезила фиолетового составляетоколо 4 нс, что больше параметра 2 1.(с =1,7 нс. 20На 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 25служит убедительным доказательством эффективности предложенного способа получения сверхкоротких импульсов лазерного излучения.При использовании родамина 6 Ж в качествеактивной среды и крезила фиолетового в ка. 30честве насыщающегося поглотителя полученыимпульсы длительностью около 100 пс в области 580 нм.При использовании кумаринав качествеактивной среды и уранина в качестве поглотителя такие импульсы получены в области500 нм. При использовании кумарина 47 икумарина.6 в качестве активной среды и насы.щающегося поглотителя, соответственно - в7области 460 нм. Эти результаты получены 4 Овпервые благодаря применению предложенногоспособа.При использовании в качестве активнойсреды паратерц 1 енила и в качестве насыщаю.щегося раствора РОРОР могут быть получены 45импульсы сверхкороткой длительноСти в облас.ти 340 нм,Очевидно, что можно предложить и другиеприемы дпя инициирования вынужденныхпереходов в системе синглетных уровней моле. 5 окул насыщающегося поглотителя. Можно, на.пример, облучать раствор насыщающегося поглотителя излучением импульсной или непрерывного действия лампы, из спектра излучения Формула изобретения 1. Способ получения сверхкоротких импуль,сов лазерного излучения, заключающийся в вы. делении пичка в первоначальном излученииактивной среды и сокращении его длительности с помощью помещенного в резонатор лазера насыщающегося поглотителя, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью уменьшения времени формирования импульсов при одновременном уменьшении интенсивности излучения актив. ной 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 уста. новленные 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 на плоскопараллельные прямоугольные грани нанесены отражающие покрьгтия,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Демария, Гленн, Бринза, Мак. Методыгенерации и измерения пикосекундных импуль.сов лазеров. Труды института инженеров поэлектротехникеи радиоэлектронике, 1969,т, 57, Мф 1, с. 5-30.2. Патент США Уф 3904984, кл, 331 - 94. 5 Мопублик, 1975.3, Е,ХАгФогз, О.,.Вгасву апс ет, ТЬеестест о 1 затвгаЫе аэзогЬег зетте и рсо-зоопсе рцз оепегаоп .ТЬе сгез - чоет азег(О влиянии времени жизни насыщающегосяпоглотителя на генерацию пикосекундныхимпульсов. 1 Г, Лазер на основе крезила фиолетового) . Ортсз сотпзцпсатопз, декабрь,1974, т. 12, Хо 4, с, 360,644337 Ре есропова Тираж 844 ПодпиИПИ Государственного комитета СССР.делам изобретений и открытий