Способ формирования субмикросекундных импульсов лазерного излучения Советский патент 1985 года по МПК H01S3/11 

О СЛ

Зона

ти

4

СО

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СУБМИКРОСЕКУНД НЫХ ИМПУЛЬСОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, включающий возбуждение активной среды и воздействие излуче, ния на просветляющуюся среду и среду, обладающую двухфотонным поглощейи ем, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности генерационных параметров и увеличения энергии импульсов, воздействуют излучением на монокристалл теллурида цинка, являкицийся одновременно просветляющейся средой и средой, обладающей двухфотонным поглощением, охлажденный до 6-35 К с концентрацией дефектов 10 , создаю«щих в запрещенной зоне акцепторные (/) уровни.

г E-r/E.-E.-r.-iP.r-r :V i ypoyiai

Валентная зона

Фиг.1 Изобретение относится к нелинейной оптике, квантовой электронике, а именно к способам формирования субмнкросекундных лазерных импульсо с перестраиваемой длительностью. Известен способ формирования субмикросекундных импульсов света, основанный на возбуждении лазерным излучением просветляющейся среды на основе органического красителя и нелинейной среды на основе кристалла типа КДР, создающей зависящие от уровня мощности потери излучения в резонаторе за счет генерации второй гармоники Л . . Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ формирования субмикросекундных импульсов лазерного излучения, включающий возбуждение активной среды и воздействие излучения на просветляющуюся среду и среду, обладающую двухфотоннь)м поглощением 2.. Недостатком описанных способов является недостаточная стабильность генерации вследствие невысокой фотохимической устойчивости органичес ких просветляющихся сред и высбкий порог /генерации вследствие паразитных потерь излучения на элементах в резонаторе. Цель изобретения - повышение , стабильности генерационных параметров и увеличение энергии импульсов Поставленная цель достигается тем, что в способе формирования субмикросекундных импульсов лазерного излучения, включающем возбужде ние активной среды и воздействие излучения на просветлякщуюся среду и среду, обладающую двухфотонным по глощением, воздействуют излучением .на монокристалл теллурида цинка, являкицийся одновременно просветляющейся средой и средой, обладающей двухфотонным поглощением, охлажденный до .температуры 6-35 К, с концентрацией дефектов , создающих в запрещенной зоне акцепторные уровни. На фиг. 1 представлена энергетическая схема электронных переходов в полупроводнике Р-типа проводимости, который представляет собой монокристалл теллурида цинка. На фиг. 2 - зависимость коэффици ента пропускания монокристалла Tj 432 охлажденного до 6 К, от энергии падающего излучения W под . При воздействии на полупроводниковый элемент-теллурид цинка-излучения пропускание элемента сначала увеличивается. Это происходит за счет просветления примесной полосы поглощения в результате опустошения акцепторных уровней примеси под воздействием мощного излучения (см. фиг. 1 переход 1). Потери излучения в резонаторе уменьшаются, и при достижении порога генерации формируется передний фронт лазерного импульса. Двухфотонлое поглощение существенно не влияет на развитие генерации на этом этапе вследствие его малости. После насыщения поглощения в переходе 1с увеличением энергии накачки возникает новый канал поглощения из-за двухфотонных переходов 2. Двухфотонное поглощение.приводит к образованию нелинейных потерь, которые обуславливают уменьшение пропускания фильтра и компенсируют усиление в лазере. Нелинейные потери ограничивают нарастание плотности излучения в резонаторе, вследствие чего стабилизируется амплитуда лазерного импульса и увеличивается время сброса инверсной населенности в активном веществе. Последнее и позволяет получить импульс субмикросекундной длительности. Для реализации такого режима работы необходимо, чтобы возникающие в полупроводником элементе при высоком уровне возбуждения нелинейные потери быпи значительны еще до порога разрушения материала. Это достигается охлаждением монокристаллов до 6-35 К. Причинами препятствующими возникновению нелинейных потерь, могут быть следующие: 1) небольшой параметр нелинейности фильтра и, как следствие, значительное остаточное поглощение в фильтре, сохраняющееся вплоть до порога разрушения полупроводника (т.е. фильтр полностью не просветляется), 2) низкий порог разрушения материала. П р и м е р. Субмикросекундный лазерньй импульс формируется при возбуждении активной среды и воздействии излучения на Полупроводниковый нелинейный элемент в виде плоскопараллельной пластинки легированного монокристалла теллурида цинка, помещенный в резонатор и охлажденный до 6-35 К. Спектральная область, в которой возможно получение режима, ограничена интервалом длин волн Л/Х 2 J которо наблюдается поглощение с акцепторны уровней примеси (см. фиг. 1). Она заключена в промежутке 5500-5250 А. В качестве акцепторной примеси могут выступать дефекты роста (остаточные примеси, собственные дефекты решетки) или же акцепторная примесь вводится путем легирования. Концентрация дефектов выбирается в пределах 10-10 см Процесс генерации определяется и менением пропускания элемента с уве личением уровня возбуждения, показанным на фиг. 2, и происходит еледующим образом. При малой мощности падающего излучения пропускание постоянно (участок 3). При достижении резонаторе мощности 0,01 МВт/см полупроводник начинает просветляться, потери излучения в резонаторе уменьшаются и при достижении порога генерации формируется передний фрон импульса (участок 4). Мощность излучения в резонаторе быстро возрастает до уровня, соответствующего максимальному пропусканию полупрово ника, и стабилизируется вследствие ограничительного действия нелинейных потерь, обусловленных двухфотонным поглощением, ведущих к умень шению пропускания при больших уровнях накачки (участок 5). Нелинейные потери увеличивают время сброса инверсной населенности в активном элементе лазера, вслед ствие чего лазерньй импульс удлиняется. Регулировка, длительности импульса осуществляется, изменением уровня накачки активного элемента. Длительность импульса, определяемая коэффициентом нелинейности К дф который с учетом параметров резонатора и активной среды равен 280, может изменяться в пределах 40-400 не. Субмикросекундные импульсы света могут быть сформированы при возбуждении лазерным: излучением теллурида цинка, охлажденного до 6-35 К, поскольку в этом интервале температур на экспериментальной зависимости коэффициента. пропускания Т (VJnaA) наблнщает-ся участок уменьшения про434пускания, обуславливающий нелинейные потери, и соответственно, удлинение лазерного импульса. При TV 35 К теллурид 1щнка полностью не просветляется вплоть до порога разрушения материала и участок уменьшения пропускания не проявляется. При Т 6 К режим получения субмикросекундных импульсов света не технологичен из-за необходимости помещения теллурида цинка непосредственно в жидкий гелий и сложности полу- , чения температур ниж.е 4,2 К. Описанньй режим работы отличается высокой стабильностью. Не было отмечено никаких изменений в характеристиках полупроводникового элемента на основе теллурида цинка, охлажденного до гелиевых температур, после проведения v 300 лазерных вспьшек в режиме полного насыщения полосы поглощения, тогда как, например, при режиме работы с использованием просветляющейся среды на основе полиметинового красителя, после проведения аналогичного количества вспьшгек необходимо проводить замену красителя для поддержания стабильной генерации. Порог генерации зависит от коэффициента нелинейности фильтра / и потерь излучения на элементах резонатора и в 4 льтре. Совмещение в одном полупроводнике функций просветляющегося фильтра и нелинейного элемента уменьшает паразитные потери приблизительно на 10%. Уменьшение порога генераций вследствие этого приблизительно равно 25%. Таким образом, способ формирования субмикросекундных импульсов света обладает стабильностью генерации (за счет высокой надежности и устойчивости параметров палупровод-. никового элемента из теллурида цинка), более низким порогом генерации ( на 25%), (за счет совмешщения функций просветляющейся среды .и нелинейнопоглощающего элемента в од- ном кристалле), что дает возможность повысить энергосъем и КДЦ лазеров, генерирующих Субмикросекундные импульсы света. Способ позволяет упростить конструкцию таких лазеров и сделать их более компактными за счет уменьшения числа элементов в резонаторе. Он может применяться при низких