Одноструйный субпикосекундный лазер на красителе в режиме самонастройки

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.

Таким способом получены УКИ длительностью 150 фс при использовании комбинированной смеси красителей родамин 6Ж Р6Ж, родамин 4С-перхлорат Р4С-П и ДОДКИ. В настоящей работе оптимизация спектральных характеристик красителей исследована с учетом применения мягкого и жесткого НП параметры насыщения которых отличаются почти на порядок, а также их смесей.

Корректировка контура чистого усиления осуществлялась выходными зеркалами НЛК с заранее подобранными спектральными кривыми пропускания. НЛК имел традиционный V-образный трехзеркальный резонатор с компенсацией астигматизма скорость струи 10 мс, толщина 0,1 мм, радиусы кривизны зеркал коллимирующего 8 см, конечного и зеркала накачки 5 см, выходное зеркало плоское, длина резонатора 1,5 м. Согласование длины резонатора с частотой следования импульсов накачки грубо производилось перемещателем типа поршень в цилиндре, точно-мембранным пьезокорректором КП-1. Лазером накачки служил аргоновый лазер с синхронизованными модами мощностью 0,5 Вт на всех сине-зеленых линиях.

Акустооптический модулятор, синхронизирующий моды лазера накачки, питался от синтезатора частот со стабильностью частоты не хуже 10-8. Длительность импульсов накачки, оцененная по сигналу с фотодиода ЛФД-2, не превышала 300 пс. Длительность импульсов НЛК оценивалась по ширине автокорреляционной функции АКФ, получаемой традиционным способом с неколлинеарным удвоением в кристалле КОР бесфоновая АКФ. Запись спектральных огибающих производилась с помощью монохроматора МДР-2. Генерирующим красителем для мягкого НП ДОДКИ был выбран Р6Ж. Оптимальная концентрация составляла 4 10-3 мольл.

В режиме самонастройки т. е. без селектора при концентрации НП 210-5 мольл происходила одновременная генерация на двух длинах волн 1614 нм и 2570 нм. При этом на 1 генерировались импульсы длительностью t0,5 пс, а на 2 синхронизация отсутствовала. При увеличении концентрации НП генерация на 1 подавлялась.

Стабильный режим генерации УКИ на 1 достигался применением специального выходного зеркала с резким увеличением пропускания для длин волн менее 600 нм и пропусканием около 3 на 614 нм. С таким выходным зеркалом лазер генерировал на 1614 нм, т. е. в области, где ДОДКИ хорошо насыщается.

Дальнейшее увеличение концентрации НП укорачивало импульс, но уменьшало среднюю мощность НЛК. Импульсы длительностью 120 фс были получены при концентрации ДОДКИ 610-5 мольл. При этом выходная мощность НЛК составила 10 мВт. Зона допустимого рассогласования длины резонатора НЛК и частоты следования импульсов накачки составляла 20 мкм. На рисунке, а приведены АКФ такого режима генерации и спектральная огибающая импульсов ширина огибающей на полувысоте 3,6 нм. Соотношение t0,35 свидетельствует о спектральной ограниченности импульсов.

Однако отношение полуширины АКФ на 14 и 12 высоты, равное 2,5, говорит о существенном отклонении формы импульса от гауссовой или лорентцевой. Рис. 2.1. Автокорреляционная функция и спектральная огибающая импульсов для смесей Р6ЖДОДКИ а, Р4С-ПМЗ б и Р6Ж, Р4С- ПКФ, 5103-у в Режим самонастройки с жестким НП исследовался с парой Р4С-П малахитовый зеленый МЗ. В отличие от ДОДКИ МЗ легко доступен и исключительно стоек, как и другие трифенилметановые красители.

Существует также возможность использования МЗ в качестве НП для Р6Ж. Кривая усиления Р4С-П смещена относительно Р6Ж в красную область и лучше согласуется с кривой поглощения МЗ. В наших экспериментах с этой парой толщина струи составляла 0,2 мм, мощность накачки 4 Вт. В режиме самонастройки по мере увеличения концентрации МЗ происходило скатывание длины волны генерации в красную область спектра, т. е. в сторону от максимума поглощения МЗ. Замена широкополосного выходного зеркала на специальное, имеющее резко увеличенное пропускание для длин волн более 660 нм и пропускание 10 на 660 нм, устраняло скатывание спектра в красную область и позволило увеличить концентрацию МЗ до 1,310-4 мольл.

При этом лазер генерировал импульсы длительностью 130 фс со средней мощностью 20 мВт на 660 нм. Критичность согласования длины резонатора НЛК и частоты следования импульсов накачки составляла 3 мкм. АКФ и спектральная огибающая этого режима приведены на рис. 2.1.б. Соотношение t0,4, как в случае с ДОДКИ, свидетельствует о спектральной ограниченности импульсов. Отношение ширины АКФ на 14 и 12 высоты, равное 1,8, говорит о близости формы импульсов к классическим кривым типа гауссовой и лорентцевской.

Следует обратить внимание на то, что в обоих случаях спектр генерации несимметричен и затянут в сторону, где пропускание выходного зеркала увеличивалось для ДОДКИ в коротковолновую, для МЗ в длинноволновую.

Длительности импульсов, полученные как в первом, так и во втором случаях, приблизительно одинаковы. Наиболее короткие импульсы 80 фс были достигнуты нами при использовании смеси жесткого трифенилметанового НП кристаллический фиолетовый КФ и мягкого полиметинового 5103-у, рис. 2.1.в. Выходное зеркало с пропусканием 5 в данном случае не ограничивало спектр генерации, он задавался суммарным контуром усиления и поглощения смеси из двух генерирующих красителей Р6Ж 210-3 мольл и Р4С-П 0,210-3 мольл, и двух поглощающих красителей КФ 310-4 мольл и 5103-у 4 10 4 мольл.

При этом средняя мощность накачки составляла 1,3 Вт, а длительность импульсов накачки была вдвое больше, чем в двух предыдущих случаях. Выходная мощность НЛК составляла 25 мВт на длине волны самонастройки 600 нм. Стабильность была недостаточно высокой, что обусловливалось, по-видимому, недостаточной глубиной, модуляции малым отношением поперечных сечений поглотителя и усилителя. Ширина АКФ по полувысоте плавала от 140 до 180 фс. Соотношение t 2 указывает на возможное наличие чирпа.

Более высокое S достигается в двухструйной схеме НЛК. Именно в такой схеме возможно получить стабильный режим генерации УКИ длительностью 69 фс. Получаются импульсы длительностью 70 фс в одноструйном лазере с пленочным селектором с накачкой импульсами 2-й гармоники YAGNd-лазера. Однако импульсы накачки в нашем случае почти на порядок длиннее и накачка многолинейна.

Следует отметить, что приведенное исследование демонстрирует возможность перестройки длины волны генерации лазера в режиме самонастройки путем изменения концентрации насыщающихся поглотителей. 3.