Способ получения сверхкоротких импульсов лазерного излучения Советский патент 1980 года по МПК H01S3/10 

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Ляет несколько наносекунд, время жизни в пер вом возбужденном трйплетном состоянии-окопо микросекунды. В триплетное состояние мо лекулы попадают с нозбужде1шого синглетного уровня за счёт синглет-триплетной конверсии). Недостатком известного способа является то, что выполнение упомянутого условия малости времени релаксации просветления поглотителя достигается главным образом подбором подходящего соединения, что зачастую бывает затруднительно. Для перестраиваемых по частоте лазеров, работающих в коротковолновой части спектра, такие соединения пока вообще не найденьь. Известные же поглотители обладают врем нами релак сации 1-5 не. Их невозмояско исгользовать, так как в коротковолновой области спектра перестраиваемые по частоте лазеры могут работать лишь с коротким резонатором, т.е. с малым параметром 2 L/C. Работа в системе трйплетных уровней также оказьгоается невозможной, поскольку в этом случае время релаксации так мало, что при реальных интенсивностях излучения активной средь поглотитель вообще не будет просветляться. Кроме того, спектры триплет-триплетдаго поглощешмчйзвестны лишь для сравнительНо небольшого одела соединений, и задача получения таких спектров (а следовательно и поиск подходящих веществ) сама по себе является чрезвычайно сложной. Наконец, тригохетное состояние молекул, ка.к бьшо сказано, вьпие, является неустойчивым, и это приводит к чрезмерной технической сложности реализации такого способа получения сверхкоротких импульсов Известен способ получения сверхкоротких им т льсов лазерного Излучения, заключающийся,, в выделении пичка в первоначальном излучении активной срёды исокращении его длительности с помощью помещешгого в резонатор лазера насыщающегося поглотителя, и устройство для его осуществления, содержащее оптический резонатор и установленные в нем активную сре ду и кювету с насыщающимся поглотителем 3. - Для осуществле1П1я зтого способа необходим 1шеть нась1щаюш;йёся ndraoTiiTemi, времена релаксации которых составляют 10-175 ПС. Таким веществами являются полиметиновые красители 1, 1-диэтил-2,4 -карбоциашниодид(ОСЗ, 1Ддиэтил-2,2 -дикарбоцианиниодид (DDC3), 1,1 -диэтш1-4,4-карбоцианиниодид (DC3), 3,3-диэтил-2,2 -fиaдакajpбoциaниниoДид (DDDC3). УсПеишое получение лазерных импульсов сверхкороткой данггельности обеспечивается .прйменением таких соединений в качестве насыщающих поглотителей, однако уменьщение времени релаксации от 175 до 10 ПС привбдйт к зйтруднёнию процесса просветления, играющего важну

4 роль в процессе формирования ультракоротких импульсов. Как результат этого обстоятельства можно рассматривать весьма высокий порог генерации : 900-1000 Дж. Однако прототип обладает следующими недостатками. Очень высок уровень возбуждения, необходимый для получения имПульсов сверхкороткой длительности. Это обусловлено малостью времени релаксафга насыщающегося поглотителя. Развитие импульсов сверхкороткой длительности происходит спустя значительный промежуток времени после включения шкачки. 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 длительностью импульса накачки, оказывается весьма малым. Столь короткие времена релаксаций 15осветления характерны для веществ, эффективно поглощающих лшш. в длинноволновой части спектра. Вещества с такими параметрамЧ( пригодньи ддя использования в качестве насыщающихся поглотителей в зеленой, голубой и более коротковолновых частях спектра, неизвестны. Таким образом, получение импульсов сверхкороткой длительности во всем видимом спектре О1 :азьтается невозможным. Этим, повидимому, объясняется отсутствие соответствующих сообщений в научно-технической литературе. Все, эти недостатки взаимообусловлены и вытекают из необходимости иметь малое (200 пс) время релаксации просветления насыщающегося поглотителя. .Целью изобретения является уменьщение времени формирования импульсов при одновременном уметшегши интенсивности излучения активной среды. В результате осуществления этой цели оказывается возможным применять в качестве насьпцающихся поглотителей вещества с исходно большим (больше, чем 2 L/C) временем жизни в.возбужденном состоянии, т. е. оказьгоается возможным получать импульсы стерхкороткой длительности во всем видимом диапазоне. Эта цель достигается тем, что И1шциируют вьшуЯсденные переходы в основное состояние в системе синглетных уровней молекул насыщающегося поглотителя. За счет вынужденных переходов сокращается время релаксации просветления поглотителя. Сокращение времени релаксации просветления позволяет использовать для получения сверхкоротких импульсов лазерного излучения широкий класс веществ, имеющих весьма больише времена жизни в возбужденном состоянии.

56443376

Описываемый способ может быть осущест-раствора излучением активной среды молекулы

влен в устройстве, где кювета с насыщающим- /гпоглотителя оказываются в возбужденном сосся поглотителем выполнена с поперечным се-.таянии и начинают спонтанно излучать. Излучение

чением в виДе трапеции, причем на плоско-флуоресценции, многократно отражаясь от зерпараллельные прямоугольные грани нанесены резонатора, в который помещен поглотиотражающие покрытия, образующие оптйчес-тель, вызывают вынужденные переходы в основкий резонатор. При этом инициирование вынуж-ное состояние в системе синглетных уровней

денных переходов осуществляется за счетмолекул поглотителя, в результате чего наступавозбуждения генерации в полосе флуоресценцииет быстрая релаксация просветления поглотимолекул насыщающегося поглотителя. ю теля. При зтом формируется импульс излучения

На фиг. 1 изображены импульсы излученияактивной среды меньшей длительности, чем длительностью около 100 пс, полученные пред-вызвавший просветление, т. е. дпительность имложенным способом; на фиг. 2 - картина из-1 льсов эффективно сокращается. Таким обралучения в том случае, когда вынужденныхзом, достигаете максимально быстрое развитие гереходов с возбужденного уровня молекул is импульсов сверхкороткой длительности, поскольпоглотителя нет; на фиг. 3 - устройство дляку процесс формирования начинается при больполучения сверзскоротких имт льсов лазерногошом времени релаксалад и при малой интенсивизлучения; на фиг. 4 - вид кюветы резона-ности излучения активной среда, но в процессе тора для раствора насыщающегося поглотителя.формирования каждого импульФа в результате

Способ получения сверхкоротких имг льсов 20 вынужденных переходов время релаксации

лазерного излучения осуществляется следующимпросветления эффективно сокращается, что выобразом Благодаря насыщению поглощениязьгоает и быстрое сокращение формирующихся

поглотителя в излучении активной среды лазераимпульсов.

выделяется пичок, который затем многократноТакой процесс формирования импуньсов

щюходит п6 резонатору лазера. Динамика фор- 25сверхкороткой длительности качественно отлимирования импульсов сверхкороткой длитель-чается от процессов, имеющих место при люности из этого первоначального пичка сущбст-бом - большом или малом - фиксированном

венным образом зависит от времени релакса-времени релаксации просветления поглотителя. 1ЩИ просветления поглотителя. В том случае, .Описанный способ был реализован в устройкогда это время больше времени двойного про- 30стве для получения сверхкоротких импульсов

.хода по резонатору 2 L/C, импульсы сверхкорот-лазерного излучения ( фиг. 3). кой длительности вообще не формируютсяОпшческий резонатор длиной L 20-25 см

(см. фиг. 2). Если время релаксации меньще, .образован плоским полупрозрачным (пропус;

по сравнению с 2 L/C, импульсы формируютсякакие 30%) зеркалом 1 и глухим сферическим

медленно, но интенсивность излучения активной 35зеркалом 2. В резонатор помещена также полофеды, необходимая для зтого, чтобы процессжительная линза 3, совместное действие которой

начался, может быть небольшой. Если времясо сферическим зеркалом эквивалентно дейстрелаксацин много меньше, чем 2 L/C, импульсывию плоского глухого зеркала. Раствор родамиформируются быстро, однако только при высо-на 6Ж(концентрация 5x10 )в этаноле

кой интенсивности излучения активной среды. 40является активной средой. Накачка осуществляетТаким образом, выгодно, чтобы процессненной ксеноном под давлением 100 мм. рт.ст.

формирования каждого импульса начинался приВнутренний капилляр лампы (диаметр 3 мм)

большом времени релаксации просветления (и,заполнен циркулирующим раствором родамина

следовательно, при малой интенсивности излуче- 6Ж. Длина капилляра (активного элемента) ния активной среды), но в процессе формиро-50 мм. Энергия разряда в лампе 15 Дж

вания время релаксации сокраЦ1(алось бы, и( прототипе - 900-100 Дж), длительность

фактически релаксация просветления осущест-всшшки околЬ 400 не. Перестройка частоты

влялась бы в короткий промежуток времени.излучения родамина 6Ж осуществляется с поЭто и достигается с помощью инициирования joмощью интерференционного фильтра 5. В фовынужденных переходов в системе синглетных кальной плоскости системы линза - сферичёсуровней молекулпоглотителя. зеркало, помещена кварцевая кювета 6,

Инициирование вынужденных переходов мо-с раствором крезила фиолетового. в этаноле

жет быть осуществлено, например, за счет воз-(концентращм флуоресцентное

буждения генерации в полосе флуоресценции 55время жизни около 4 не). Устройство и

молекул насыщающегося поглотителя. Для это-размеры кюветы поясняет фиг. 4. Прозрачные

го достаточно помгестить раствор поглотителяклиновые грани,исключают селек1даю мод

в высокодобротный оптический резонатор ма-основного излучения. Две другие грани, напылой длины. В этом случае при просветленииленные алюминием, служат резонатором для

Ся коаксиальной импульсной лампой 4, запол- .

излуче1шя крезила фиолетового. Длина этого резонатора, как видно из фиг. 4, составляет 8 мм. Регистрация и измерение импульсов основного излучения осуществлялись с помощью (.фотоэлектроиного регистратора ФЭРпг2-1 с временным разрешением около 50 пс.

Типичные фэрограммы приведены на фиг. 1 и 2. Период следова1шя импульсов составляет около 1,7 НС, что соответствует величине 2 L/C. Длительность отдельного импульса в цуге по полувысоте около 100 пс. В цуге содержится около 100 имг льсов (на фиг. 1 - часть цуга; дпительносгь развертки ФЭРа - около 20 не). Неэквидистантность пичков на фиг. 1 и неодинаковость их интенсивности объясняются нелинейностью развертки ФЭРа.

Подчеркнем, что флуоресцентное время жизни молекул крезила фиолетового составляет около 4 НС, что больше параметра 2 L/C 1,7 НС.

На фиг. 2 представлена фэрограмма, характерная для слугая, когда напыление на соответствующих гранях кюветы, и следовательно генерация в растворе крезила фиолетового, отсутствуют. .. Сопоставление фиг. 1 и фиг. 2 служит убедительным доказательством эффективности предложенного способа получения сверхкоротких импульсов Лазерного излучения.

При использовании родамина 6Ж в качестве активной среды и крезила фиолетового в качестве насыщающегося поглотителя получены импульсы длительностью около 100 пс в области 580 нм.

При использовании кумарина-30 в качестве активной среды и уранина в качестве поглотителя таю1е импульсы получены в области 500 им. При использовании кумарина-47 и 1сумарина-6 в- качестве активной среды и насыщающегося поглотителя, соответственно,- в области 460 нм. Эти результаты получены впервые благодаря применению предложенного способа.

При использовашда в качестве активной среды паратер })ешша и в кайстве насыщающегося раствора ГОРОР могут быть получены импульсы сверхкороткой даитёльн6сти в облаете 340 нм,

Очевидно, что можно предложить и другие гриемы для игпщиирования вынужденных переходов в системе сннглетных уровней молекул насыщающегося поглотителя. Можно, например, раствор насыщающегося пошотителя излучением импульсной или непре- рывного действия лампы, из спектра излучения

которой с помощью оптических фильтров вырезается полоса, перекрывающая полосу флуоресценции молекул поглотителя, но не совШдающая с полосой их поглощения. Кванть излучения такрго внешнего источника будут обеднять возб)окденный уровень поглотителя, восстанавливая его исходное состояние. Таким образом, насьпцающийся поглотитель будет обладать необходимь1ми для получения импульсов сверхкороткой длительности свойствами, несмотря на то, что его флуоресцентное время жизни может быть больше, чем 2 L/C.

Формула изобретения

1.Способ пЬлуче1шя сверхкоротких импульсов лазерного излучения, заключающийся в выделении пичка в первоначальном излучении

активной среды и сокращении его длительности с помощью помещенного в резонатор лазера шсыщающегося поглотителя, отличающийся тем, что, с целью уменьщения времени формирования импульсов при одновремендам уменьшении интенсивности излучения активной среды, инициируют вынужденные переходы в основное состояние в системе синглетных уровней молекул насыщающегося поглотителя.

2.Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее оптический резонатО|р и установленные в нем активную среду и кювету с насыщающимся поглотителем, отличающееся тем, что кювета выполнена с потеречным сечением в виде трапеции, причем

на плоскопараллельные прямоугольные грани нанесены отражающие покрытия.

Источники информации, , принятьгё во внимание при экспертизе

1. Демария, Гленн, Бринза, Мак. Методы генерации и измерения пикосе1сундных импульсов лазеров. Труды института инженеров по электротехникеи радиоэлектронике. 1969, т. 57, № 1, с. 5-3Q.

2. Патент США Г 3904984, кл. 331-94. 5М,, опублик. 1975.

3. E.J Arthurs, D.J.Bradfey and et. The effect of saturable absorber lisetime in picosuonce puts generalion It.The cresil-violet laser

(0 влиянии времени жизни насыщающегося поглотителя на генерацию пикосекундных импульсов. 1Г. Лазер на основе крезила фиолетового) . Optics communications, декабрь, 1974, т. 12, N 4, с. 360.

. UZ.i

E

Фиг-З