Диссертация (1103411), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Лазерная система состояла из задающего Ti:sapphire генераторафемтосекундныхмногопроходногоимпульсовсусилителяцентральнойдлинойчирпированныхволныимпульсовоколои800нм,оптическогопараметрического усилителя. Оптические элементы в резонаторе фемтосекундногоосциллятора образовывали стандартную Z-образную схему (рис.2.3.1) [28]. Вэлементнуюбазулазеравходилиплоскиеширокополосныеотражающиедиэлектрические зеркала, выходное зеркало с коэффициентом пропускания на длиневолны генерации 25%, фокусирующие зеркала, которые вместе с активной средойобеспечивали пассивную синхронизацию мод за счет формирования керровскойлинзы. Компенсация спектрального набега фазы при распространении короткогоимпульса в резонаторе осуществлялась парой призм из плавленого кварца.Оптическая накачка кристалла Ti:Sapphire длиной 5 мм осуществлялась непрерывнымизлучением на длине волны 532 нм мощностью до 4.5 Вт лазера Verdi-V5 (Coherentinc., США).
Фемтосекундный генератор импульсов работал в солитонном режиме иформировал непрерывную последовательность сверхкоротких импульсов с частотойследования 87 МГц, длительностью от 30 до 60 фс и энергией в импульсе до 5 нДж.Рис.2.3.1 Схема фемтосекундного генератора на кристалле Ti:sapphire.- 55 -20-20-4-100 -50050 100Время, фс(б)101864200750 780 810 840 870Длина волны, нм(в)Спектральная фаза, рад4Интенсивность, отн. ед.61Временная фаза, рад.Интенсивность, отн. ед.(а)(г)Рис.2.3.2 (а) Структурная схема многопроходного усилителя, (б) SHG FROGспектрохронограмма усиленного импульса с энергией 0.8 мДж и длительностью 45фс; (в, г) восстановленные по карте SHG FROG огибающая интенсивности испектральная фаза усиленного импульса.Для многих задач требуются импульсы со значительно большими энергиями,поэтому получаемое в генераторе излучение требует дальнейшего усиления.
Чтобыизбежать самовоздействия интенсивных импульсов и пробоя кристалла в процессеусиления,используетсяметодусилениячирпированныхимпульсов[31,32].Концепция подхода состоит в том, чтобы растянуть фемтосекундный импульс вовремени до длительностей порядка сотен пикосекунд, поднять его энергию вкристалле на 5-6 порядков и затем сжать до первоначальной длительности ссохранением высокой энергии. Мы использовали многопроходный усилитель (МПУ)чирпированных импульсов, оптической затравкой для которого служили импульсы изгенератора фемтосекундных импульсов на кристалле Ti:sapphire. Система временногорастяженияимпульсов(стретчер)вусилителебылареализовананабазедифракционной решетки и цилиндрических диэлектрических зеркал, тогда каксистема сжатии импульсов во времени после усиления (компрессор) – на основе парыдифракционных решеток. Между стретчером и компрессором располагалась система- 56 выделения одиночного импульса, состоящая из поляризатора, электрооптическойячейкиПоккельсаиполуволновойпластинки,атакженепосредственноконфокальный резонатор усилителя с кристаллом активного элемента в центре(структурная схема приведена на рис.2.3.2.а).
В усилителе было организовано восемьпроходов лазерных импульсов через область активного элемента, накачиваемоговнешним источником. Для оптической накачки усилителя использовался лазер награнатеснеодимом,работающийврежимемодуляциидобротностисвнутрирезонаторным удвоителем частоты. Лазер генерировал импульсы на длиневолны 532 нм длительностью 80 нс, с энергией до 9 мДж и частотой повторения 1кГц. В результате на выходе МПУ генерировались импульсы на центральной длиневолны 800 нм, длительностью до 45 фс с энергией до 0,9 мДж (рис.2.3.2) при частотеповторения 1 кГц. Длительность импульсов контролировалась при помощи методикиSHG FROG на кристалле BBO толщиной 0.5 мм (рис.2.3.2.б).Излучение из многопроходного усилителя могло непосредственно использоватьсявэкспериментахлибослужитьдлянакачкидвухпроходногооптическогопараметрического усилителя (ОПУ).
При необходимости формирования излучения надвухиболеедлинахволнодновременновпроцессепараметрическогопреобразования, большая часть излучения (около 90% мощности) из МПУнаправлялась в ОПУ, а оставшаяся часть использовалась для других целей. Воптическом параметрическом усилителе выделялся слабый блик мощностью менее1%, а остальное излучение делилось пополам и разводилось в разные оптическиеплечи. Слабый блик фокусировался в плоскопараллельную пластинку из сапфира дляформирования широкополосного излучения – «белого света», которое использовалосьв качестве затравки при оптическом параметрическом усилении в нелинейномкристалле. Излучение затравки совмещалось на дихроичном зеркале по пространствуи времени с мощным излучением накачки первого оптического плеча и направлялосьв кристалл BBO толщиной 3 мм. Процесс параметрического усиления проходил приII-типе взаимодействия волн в кристалле, так что вертикально поляризованныеизлучение накачки на длине волны 800 нм распадалось на горизонтальнополяризованную сигнальную и вертикально поляризованную холостую волны.Кристалл BBO был установлен на юстируемый по углу столик, что позволяло менятьусловияфазовогосинхронизмапараметрическихпроцессовиформировать- 57 перестраиваемое по длине волны короткие импульсы.
Выделенный спектральнымифильтрами импульс сигнальной волны после первого каскада усиления совмещался сизлучением накачки второго оптического плеча для реализации повторного этапаусиления в том же кристалле BBO [194]. После второго каскада усиления импульсысигнальной и холостой волн отфильтровывались от излучения накачки и выводилисьиз оптического параметрического усилителя. В результате на выходе из усилителяимелисьперпендикулярнополяризованныесигнальнаяихолостаяволны,перестраивающиеся в диапазоне 1150 – 1550 нм и 1650 – 2500 нм, соответственно.Энергия в импульсе сигнальной волны в максимуме перестроечной кривой достигала80 мкДж, а длительность импульсов варьировалась от 80 до 180 фс.
Импульсыхолостой волны имели энергию до 40 мкДж и длительности от 60 до 150 фс. Частотаследованияимпульсовповторялатактовуючастоту импульсовнакачкиизмногопроходного усилителя и составляла величину 1 кГцЛазерный комплекс, включающий многопроходный усилитель и оптическийпараметрическийусилитель,использовалсядляразвитияирасширенияфункциональных возможностей методики спектроскопии когерентного антистоксоварассеяния света с использованием фазово-модулированных импульсов (параграфы 3.1и 3.2). Перестраиваемые импульсы фемтосекундной длительности в диапазоне 620710 нм (вторая гармоника от сигнальной волной ОПУ) и излучение на длине волны800 нм использовались для бигармонической накачки в схемах когерентногокомбинационногорассеяниядляреализацииспектроскопииколебательныхрезонансов симметричных и несимметричных деформационных мод растяжениясжатия углеводородной группы CHx в полимерах, жидкостях и биологических тканях.§2.4 Генерация перестраиваемых импульсов в среднем инфракрасномдиапазоне в процессе генерации разностной частотыГенерация сверхкоротких электромагнитных импульсов в среднем инфракрасномдиапазоне частот является актуальной задачей современных оптических технологий.Такие импульсы обладают большим потенциалом для нелинейной молекулярной- 58 спектроскопии колебательных переходов [98,99,195,196], удаленного зондированияопасныхвеществ[17,24],исследованияновыхрежимоввзаимодействиясверхсильных лазерных полей с веществом [197], генерации гармоник высокихпорядков, что открывает новые пути формирования беспрецедентно короткихимпульсов аттосекундной длительности [198,199].
На сегодняшний день предложенонесколько вариантов решения задачи генерации фемтосекундных импульсов среднегоИК диапазона. Среди них можно выделить подход на основе генерации холостойволны в низкочастотной области спектра в оптическом параметрическом усилителе(ОПУ), накачиваемым мощными сверхкороткими импульсами [200, 201], методгенерацииразностнойвзаимодействиичастотыбигармоническоговнелинейно-оптическомизлученияизОПУкристалле[202,203],апритакжечетырехволновые взаимодействия (ЧВВ) в двуцветном филаменте в газах [175].Развитие и продвижение методики усиления чирпированных импульсов в средний ИКдиапазон позволило сформировать мощные импульсы на длине волны около 4 мкм сдлительностью меньше 100 фс и энергией несколько милиджоулей [204].
Нелинейнооптическаятрансформациятакихимпульсовврежимефемтосекунднойфиламентации помогает формировать мощные короткие импульсы, сдвинутые ещедальше в длинноволновую область спектра [205].В наших экспериментах мы использовали метод генерации разностной частоты.Импульсы накачки формировались в подробно описанной фемтосекундной лазернойсистемой на кристалле Ti:sapphire, включающей генератор сверхкоротких импульсов,многопроходный усилитель и оптический параметрический усилитель. Импульсы сдлинами волн λs сигнальной и λi холостой волн из ОПУ смешиваются в нелинейнооптическом кристалле тиогаллата серебра (AgGaS2 сокращение AGS) толщиной 2 мми генерируют волну ИК излучения λd в процессе генерации разностной частоты: λd-1 =λs-1 – λi-1.
Для увеличения эффективности преобразования диаметры пучков накачкиуменьшаются до 0.5 мм с помощью подстраиваемого телескопа. Перестройка длиныволны инфракрасного излучения достигается за счет изменения длин волн накачек впараметрическомусилителе,амаксимумэффективностипреобразованияосуществляется угловой подстройкой кристалла AGS для выполнения условийфазового согласования параметрического процесса.- 59 -Рис.2.4.1. Концептуальная схема лазерной системы для генерациифемтосекундных импульсов в среднем ИК диапазоне (3-11 мкм) На вставкепредставлена перестроечная кривая ИК излучения (нижняя шкала - сигнальнаяволны, верхняя шкала – длина волны ИК импульсов).В результате на выходе генератора разностной частоты формируется импульсноеизлучение, перестраиваемое в диапазоне 2.7 – 11 мкм.
Это излучение фильтруется отизлучения накачки с помощью диэлектрического полосового фильтра с областьюпропускания длин волн более 2.5 мкм. Максимальная эффективность преобразования(от суммарной мощности излучения на выходе ОПУ) составляет 4% на 3.5 мкм, приэтом длительность импульсов составляет от 100 до 250 фс, а их энергия достигает 4.5мкДж (вставка к рис.2.4.1). Для управления импульсами излучения в инфракраснойобласти спектра имеется набор специальных оптических элементов, включающийзолотые зеркала, линзы и окна из фторида бария, кальция, силиката цинка, бромидакалия, кристаллического кремния и германия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
