многочастотный комбинационный лазер

Формула изобретения

Многочастотный комбинационный лазер, включающий двухчастотный источник накачки, оптическую схему и активное вещество, отличающийся тем, что активным веществом служит струя жидкого четыреххлористого углерода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к комбинационным лазерам и касается вопросов генерации многочастотного лазерного излучения.

Известны комбинационные лазеры, в которых многочастотное излучение - стоксовы и антистоксовы компоненты генерируются при фокусировке одночастотного лазерного излучения в активную среду [D.J.Brink, О.Proch "Angular distribution of high-order anti-Stokes stimulated Raman scattering in hydrogen", JOSA, vol.73, 23 (1983); I.Fischer, Т.Schultz "Generation of tunable visible and near-IR light from 2,5 ps, high-power Ti:sapphire pulses by Raman shifting in hydrogen", Appl. Phys. B, vol.64, 15 (1996)]. К недостаткам таких лазеров относится низкая эффективность преобразования в высшие комбинационные компоненты и высокая расходимость световых пучков, которая значительно превосходит дифракционный предел.

Известны также многочастотные комбинационные лазеры с двухчастотной накачкой, резонансной комбинационному переходу. Обычно для накачки таких лазеров используется лазерное излучение и его первая стоксова компонента, которая генерируется в отдельном комбинационном лазере с таким же активным веществом, как и в многочастотном комбинационном лазере. Фокусировка двухчастотного излучения накачки в активную среду с низким значением дисперсии (газы - водород, дейтерий) позволяет увеличить число комбинационных компонент по сравнению с одночастотной накачкой и приблизить расходимость их световых пучков к дифракционному пределу [Л.Л.Лосев, А.П.Луценко, С.Н.Сазонов "Эффективная комбинационная генерация высших компонент ВКР с дифракционной расходимостью". Квантовая электроника, т.17, 960 (1990)]. Также показано, что максимальное число комбинационных компонент может достичь отношения частоты лазерного излучения к частоте стоксова сдвига, перекрывая, таким образом, спектральный интервал в одну октаву [Л.Л.Лосев, А.П.Луценко "Генерация излучения с дискретным спектром, ширина которого равна частоте накачки, в комбинационно-параметрических лазерах". Квантовая электроника, т.20, 1054 (1993)] (прототип).

К недостаткам многочастотных комбинационных лазеров (как с двухчастотной, так и с одночастотной накачкой), использующих легкие газы в качестве активных веществ, относится высокое значение необходимой энергии наносекундного импульса накачки, находящееся в пределах от 10 до 100 мДж. На практике, при существующих лазерных системах с максимальным значением средней мощности генерации порядка 10 Вт, это ограничивает частоту повторения импульсов величиной 10 Гц [А.V.Sokolov, D.R.Walker, D.D.Yavuz, G.Y.Yin, S.E.Harris "Raman generation by phased and antiphased molecular states", Phys. Rev. Lett., v.85, 562 (2000)]. Тогда как для многих важных применений многочастотных комбинационных лазеров, в частности для лазерного проекционного дисплея, необходима высокая частота повторения лазерных импульсов вплоть до 0,1 МГц.

Задача, решаемая изобретением, - повышение частоты повторения импульсов многочастотного комбинационного лазера вплоть до 0,1 МГц.

Для решения поставленной задачи предложен многочастотный комбинационный лазер с двухчастотной накачкой на жидком четыреххлористом углероде CCl ₄ в виде струи. CCl₄ имеет высокое значение комбинационного коэффициента усиления g 4 см/ГВт [А.R.Chraplyvy, Т.J.Bridges "Infrared generation by means of multiple-order stimulated Raman scattering in CCl ₄- and CBrCl₃-filled hollow silica fibers", Opt. Lett.6, 632-633 (1981)], сравнимое с комбинационным коэффициентом усиления сжатого водорода (дейтерия), при пикосекундном времени поперечной релаксации Т₂ 1 пс [D.Von der Linde "Picosecond interactions in liquids and solids", in Ultrashort Light Pulses, S.L.Shapiro, ed. (Springer-Verlag, Berlin, 1977), 203-273]. В то время как в газах T₂ лежит в области наносекундных времен. Вследствие этого становится возможным реализовать режим стационарного вынужденного комбинационного рассеяния в жидком CCl₄ при пикосекундной накачке. Такой режим наблюдается в газах при наносекундных импульсах накачки. В режиме стационарного комбинационного рассеяния для многочастотной генерации требуется минимальная мощность [L.L.Losev, A.P.Lutsenko "Ultrabroadband parametric stimulated Raman scattering in highly transient regime". Opt. Comm.135, 71-76 (1997)]. Поэтому при стационарном комбинационном рассеянии с пикосекундной накачкой в жидком CCl ₄ энергия лазерного импульса может быть существенно снижена (примерно на три порядка) по сравнению с энергией импульсов, используемых при накачке газовых сред. Поскольку максимальная частота повторения импульсов определяется максимальной средней мощностью лазера накачки и энергией отдельного импульса, то необходимым условием увеличения частоты повторения импульсов является снижение энергии импульса накачки. Таким образом, при сохранении средней мощности лазера накачки становится возможным повысить частоту повторения импульсов за счет снижения энергии отдельного импульса.

Схема предлагаемого устройства показана на чертеже.

Устройство содержит:

1 - пикосекундный лазер, 2 - кювету с жидким CCl₄, 3 - струю CCl ₄, 4 - зеркало с коэффициентом отражения 100% на длине волны лазерного излучения, 5 - зеркало с с коэффициентом отражения (20-30)% на длине волны лазерного излучения, 6 - дихроичное зеркало с коэффициентом пропускания >90% на длине волны первой стоксовой компоненты в CCl₄ и отражением >90% на длине волны лазерного излучения, 7, 8, 9, 10 - линзы.

Устройство работает следующим образом. В качестве источника накачки используется лазер 1 с длительностью импульса ˜10 пс, энергией импульса ˜100 мкДж и длиной волны генерации (450-550) нм. Таким источником может служить вторая гармоника Nd:YAG лазера, работающего в режиме сихронизации мод, или лазера на Nd:YVO ₄. Часть лазерного излучения, отраженная зеркалом 5, направляется в генератор первой стоксовой компоненты. Первая стоксова компонента излучается при фокусировке лазерного излучения линзой 7 в кювету 2, заполненную жидким CCl₄. Длина кюветы составляет (0,5-1) м. Энергетическая эффективность преобразования в такой схеме составляет ˜30% (наши измерения). Стоксово излучение коллимируется линзой 8 и стоксов световой пучок совмещается с лазерным с помощью зеркала 6, формируя таким образом двухчастотный пучок накачки. В дальнейшем двухчастотное лазерное излучение фокусируется линзой 9 в струю CCl₄. Энергии импульсов накачки на поверхности CCl₄ составляют: ˜10 мкДж - первой стоксовой компоненты и ˜70 мкДж - исходного лазерного излучения. При диаметре светового пучка на поверхности струи CCl₄ ˜100 мкм интенсивность двухчастотного излучения достигает величины 10 ¹¹ Вт/см², что в случае использования стеклянных кювет с CCl₄ привело бы к их разрушению. Величина комбинационного инкремента усиления В=gIL, где g - комбинационный коэффициент усиления, I - интенсивность входного излучения и L - толщина струи. При L=1 мм, g=4 см/ГВт, I=10¹¹ Вт/см² В=40. Нормированная расстройка = /(gI), где - волновая расстройка четырехволнового процесса генерации первой антистоксовой компоненты, составляющая для жидкого CCl ₄ 15 см^-1 (наши измерения), не превышает 0,04. При таких параметрах возбуждения многочастотного комбинационного лазера возможна генерация комбинационных компонент в количестве N, близком к предельному, равному отношению частоты лазерного излучения к частоте стоксова сдвига :N / [G.S.McDonald, G.Н.С.New, L.L.Losev, A.P.Lutsenko, M.J.Shaw "Ultrabroad-bandwidth multifrequency Raman generation". Opt. Lett., v.19, 1400 (1994)]. В жидком CCl₄ со стоксовым сдвигом =459 см^-1 при использовании лазера накачки с длиной волны 0,5 мкм ( =20000 см^-1) может быть получено ˜40 комбинационных компонент со сравнимыми интенсивностями, перекрывающих весь видимый диапазон. Причем комбинационные компоненты излучаются в виде одного светового пучка, коллимируемого линзой 10. Использование струи жидкости позволяет обеспечить смену активного объема в промежутке между лазерными импульсами, устраняя таким образом эффекты накопления, приводящие к снижению порога оптического пробоя активной среды. Таким способом также можно избежать появления оптической неоднородности активной среды, которая возникает при выделении энергии в области комбинационного преобразования и приводит к падению эффективности преобразования для последующих лазерных импульсов. При частоте повторения лазерных импульсов 100 кГц и диаметре светового пятна в области взаимодействия 100 мкм полная смена активного вещества в области взаимодействия осуществляется при скорости истечения струи 10 м/с. Данная схема позволяет реализовать режим квазинепрерывной (с частотой повторения импульсов ˜100 кГц) многочастотной генерации при средней мощности лазера 10 Вт (энергия одиночного импульса длительностью ˜10 пс порядка 100 мкДж).