Хотя одна тонкая пластина может выделить полосу из области генерации спектральной шириной приблизительно 0,3 нм, это значение велико для большинства приложений. Однако если вторая пластина с удвоенной (по сравнению с первой) толщиной также помещена в резонатор, то ширина линии уменьшается до 0,1 нм. В некоторых приложениях используют третью пластину (вдвое более толстую, чем вторая), чтобы сделать ширину линии меньше 0,03 нм.
Перестройка длины волны выполняется вращением пластин, закрепленных на общем основании, вокруг нормали к поверхности пластин, как это показано на рис. 1.6. Так как пластины наклонены к оптической оси резонатора, вращение приводит к эффективному изменению разности показателей преломления и, следовательно, к изменению выделенной длины волны.
Рис. 1.6. Схематическое изображение двулучепреломляющего фильтра:
N – направление нормали к плоскости пластин; F, S – быстрое и медленное главные направления вращения кристалла соответственно.
Требования техники безопасности при работе с лазером на красителях в основном те же, что и при работе с любым мощным лазером, излучающим в видимой области спектра. Если лазер на красителях покрыт пылью, то могут существовать пучки, распространяющиеся по довольно неожиданным направлениям. Во время юстировки или осмотра лазера следует принять во внимание все возможные направления излучения и позаботиться о том, чтобы заэкранировать их. При работе с лазером на красителях необходимы защитные очки, которые поглощали бы как излучение всех линий азотного лазера накачки, так и излучение лазера на красителе во всем диапазоне перестройки его длины волны. В некоторых случаях таким требованиям могли бы удовлетворить лишь полностью непрозрачные очки.
1.4. Разделение изотопов
Одной из наиболее интересных и важных областей применения лазеров на красителях может оказаться разделение изотопов, особенно изотопов урана. Основными изотопами природного урана являются 235U и 238U, причем 235U содержится менее 1%. Для использования в качестве топлива в атомных реакторах требуется смесь с содержанием по крайней мере 3% 235U. В настоящее время используется газодиффузионный метод разделения изотопов урана — очень дорогой и медленный процесс. Предложенный метод разделения изотопов урана при помощи лазеров на красителях основан на том, что эти лазеры можно очень точно настроить на определенную длину волны. Причем точность их такова, что излучение может селективно возбуждать атомы 235U, не возбуждая при этом атомов 238U. Затем возбужденные атомы 235U ионизуют, что можно сделать с помощью другого (коротковолнового) источника света. Ионы 235U можно отделить затем от нейтральных атомов 238U в электростатическом поле. Хотя технология разделения изотопов урана в промышленных масштабах еще не разработана, эксперименты, проведенные для демонстрации принципиальной возможности разделения, оказались успешными. Для разделения больших количеств изотопов была предложена лазерная система, рассчитанная на работу со средней мощностью 10 Вт при длине волны 500 нм. Частота следования импульсов должна быть порядка 400 Гц при длительности импульса около 1 мкс. Вместо лазеров, работающих в видимой области спектра, некоторые схемы разделения изотопов требуют использования перестраиваемых «инфракрасных» лазеров для осуществления взаимодействия излучения с молекулярными колебаниями в гексафториде урана UF6. Проводятся исследования по созданию широкополосных перестраиваемых источников когерентного излучения в области длин волн от 2 до 20 мкм.
1.5. Расширение спектрального диапазона лазера
Одной из главных задач специалистов, разрабатывающих лазерные устройства, является создание источников когерентного излучения, длину волны которых можно перестраивать во всем спектральном диапазоне от дальней инфракрасной области до ультрафиолета (и еще более коротковолнового излучения). Создание лазера на красителях оказалось исключительно важным событием с этой точки зрения, так как их излучение можно перестраивать в диапазоне длин волн, выходящем за пределы видимой области спектра. Однако имеются существенные «разрывы» в спектре лазерного излучения, т. е. области, в которых известные лазерные переходы редки, а перестройка их частоты возможна лишь в узких спектральных диапазонах. Широкие полосы флуоресценции, на существовании которых основана работа перестраиваемого лазера на красителях, не обнаружены в дальней инфракрасной области спектра, а используемые в лазерах красители быстро разрушаются интенсивным излучением накачки при возбуждении красителя, когда надо получить генерацию в ультрафиолетовой области спектра.
Нелинейная оптика. В поисках способов заполнить эти пробелы многие специалисты по лазерам использовали нелинейные эффекты в некоторых оптических материалах. В 1961 г. исследователи из Мичиганского университета сфокусировали свет рубинового лазера (длина волны 694,3 нм) в кристалл кварца и зарегистрировали в прошедшем кристалл излучении не только сам свет рубинового лазера, но и излучение с удвоенной частотой, т. е. на длине волны 347,2 нм. Хотя это излучение было много слабее, чем на длине волны 694,3 нм, тем не менее это коротковолновое излучение имело характерную для лазерного света монохроматичность и пространственную когерентность. Процесс генерации такого коротковолнового излучения известен как удвоение частоты, или генерация второй гармоники. (ГВГ), и представляет собой один пример из множества нелинейных оптических эффектов, которые использовались для расширения перестраиваемого, спектрального диапазона лазерного излучения.
ГВГ часто применяют для преобразования инфракрасного излучения (l=1,06 мкм и другие линии) неодимового лазера в излучение, попадающее в желто-зеленую область спектра (например, l=530 нм), в которой можно получить лишь небольшое число интенсивных лазерных линий. Генерацию гармоник можно также использовать для того, чтобы получить излучение с частотой в три раза большей, чем у исходного лазерного излучения. Нелинейные характеристики рубидия и других щелочных металлов применяют, например, для утроения частоты неодимового лазера до значения, соответствующего длине волны 353 нм, т. е. попадающего в ультрафиолетовую область спектра. Теоретически возможны процессы генерации гармоник, более высоких, чем третья, но эффективность такого преобразования крайне низка, поэтому с практической точки зрения они не представляют интереса. Возможность генерации когерентного излучения на новых частотах не ограничивается процессом генерации гармоник. Одним из таких процессов является процесс параметрического усиления, который заключается в следующем. Пусть на нелинейную среду воздействуют три волны: мощная световая волна с частотой n1 (волна накачки) и две слабые световые волны с более низкими частотами n2 и n3. При выполнении условия n1 = n2+n3 и условия волнового синхронизма имеет место перекачка энергии мощной волны с частотой n1 в энергию волн с частотами n2 и n3. Если нелинейный кристалл поместить в оптический резонатор, то получим прибор, очень напоминающий лазер и носящий название параметрического генератора. Такой процесс был бы полезен даже в том случае, если бы возможности его использования были ограничены получением разностей частот двух существующих. лазерных источников. Фактически же параметрический генератор является устройством, способным генерировать когерентное оптическое излучение, частоту которого можно перестраивать почти во всем видимом диапазоне. Причина эта заключается в том, что нет необходимости использовать дополнительные источники когерентного излучения на частотах n2 и n3. Колебания эти могут сами возникать в кристалле из шумовых фотонов (тепловых шумов), которые всегда в нем присутствуют. Эти шумовые фотоны имеют широкий спектр частот, расположенный преимущественно в инфракрасной области спектра. При определенной температуре кристалла и ориентации его по отношению к направлению волны накачки и к оси резонатора упомянутое выше условие волнового синхронизма выполняется для определенной пары частот n2 и n3. Для перестройки частоты излучения надо изменить температуру кристалла или его ориентацию. Рабочей частотой может быть любая из двух частот n2 и n3 в зависимости от того, какой диапазон частот излучения прибора нужен. Быструю перестройку частоты в ограниченном спектральном диапазоне можно получить с помощью электрооптического изменения показателей преломления кристалла. Как и в случае лазера, имеется пороговый уровень мощности накачки, который для получения стационарных колебаний следует превысить. В большинстве параметрических генераторов в качестве источника накачки используют лазеры видимого диапазона, такие, как аргоновый лазер, или вторую гармонику неодимового лазера. На выходе прибора получают перестраиваемое излучение инфракрасного диапазона.
2. Одноструйный субпикосекундный лазер
на красителе в режиме самонастройки
Спектроскопические исследования быстрых процессов в сложных органических и биологических молекулах, а также сверхбыстрых процессов в полупроводниках базируются на лазерных источниках, способных генерировать субпикосекундные световые импульсы. Наиболее короткие импульсы получены в кольцевых непрерывных лазерах на красителе (НЛК) со сталкивающимися импульсами в струе насыщающегося поглотителя (НП) при чисто непрерывной накачке с компенсацией чирпа. Однако НЛК такого типа имеют очень низкий КПД, многоэлементную схему резонатора, две струи с независимыми системами прокачки; они исключительно сложны в настройке и эксплуатации. Одноструйные НЛК с линейным резонатором, на наш взгляд, более перспективны для широкого практического применения, поскольку они значительно проще в изготовлении и эксплуатации, обладают хорошими энергетическими (по КПД) и спектральными (по области перестройки) характеристиками и, что самое главное, в режиме комбинированной синхронизации мод позволяют получать световые импульсы длительностью менее 1 пс. В нашей работе исследуются возможности генерации УКИ света предельно малой длительности в таких простейших НЛК.
Обычно длительность УКИ, генерируемых НЛК, ограничивается спектральной полосой лазера, задаваемой внутрирезонаторными селектирующими элементами. Для расширения спектральной полосы лазера (контура усиления) с целью генерации более коротких световых импульсов селектирующий элемент выводится из резонатора. Стабильный режим генерации УКИ достигается путем подбора и оптимизации спектральных характеристик генерирующих красителей и насыщающихся поглотителей.
