Власники патенту UA 2321929:
Винахід відноситься до комбінаційних лазерів, а саме до створення багаточастотного лазерного випромінювання. Запропоновано багаточастотний комбінаційний лазер з двочастотним накачуванням, в якому активною речовиною служить струмінь рідкого чотирихлористого вуглецю. Технічний результат полягає у отриманні - підвищенні частоти повторення імпульсів багаточастотного комбінаційного лазера до 0,1 МГц. 1 іл.
Винахід відноситься до комбінаційних лазерів і стосується генерації багаточастотного лазерного випромінювання.
Відомі комбінаційні лазери, в яких багаточастотне випромінювання - стоксові та антистоксові компоненти генеруються при фокусуванні одночастотного лазерного випромінювання в активне середовище [D.J.Brink, О.Proch "Angular distribution of high-order anti-Stokes stimuled Raman scattering in hydrogen". 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)]. До недоліків таких лазерів відноситься низька ефективність перетворення у вищі комбінаційні компоненти та висока розбіжність світлових пучків, яка значно перевищує дифракційну межу.
Відомі також багаточастотні комбінаційні лазери з двочастотним накачуванням, резонансної комбінаційного переходу. Зазвичай для накачування таких лазерів використовується лазерне випромінювання та його перша стоксова компонента, яка генерується в окремому комбінаційному лазері з такою ж активною речовиною, як і багаточастотному комбінаційному лазері. Фокусування двочастотного випромінювання накачування в активне середовище з низьким значенням дисперсії (гази – водень, дейтерій) дозволяє збільшити числокомбінаційних компонентів порівняно з одночастотним накачуванням та наблизити розбіжність їх світлових пучків до дифракційної межі [Л.Л.Лосєв, А.П.Луценко, С.М.Сазонов "Ефективна комбінаційна генерація вищих компонентів ВКР з дифракційною розбіжністю". Квантова електроніка, т.17, 960 (1990)]. Також показано, що максимальна кількість комбінаційних компонентів може досягти відношення частоти лазерного випромінювання до частоти стоксового зсуву, перекриваючи таким чином спектральний інтервал в одну октаву [Л.Л.Лосєв, А.П.Луценко "Генерація випромінювання з дискретним спектром, ширина якого дорівнює частоті накачування, в комбінаційно-параметричних лазерах. Квантова електроніка, т.20, 1054 (1993)] (прототип).
До недоліків багаточастотних комбінаційних лазерів (як з двочастотним, так і з одночастотним накачуванням), що використовують легкі гази як активні речовини, відноситься високе значення необхідної енергії наносекундного імпульсу накачування, що знаходиться в межах від 10 до 100 мДж. На практиці, при існуючих лазерних системах з максимальним значенням середньої потужності генерації порядку 10 Вт, це обмежує частоту повторення імпульсів величиною 10 Гц [A.V.Sokolov, D.R.Walker, D.D. molecular states", Phys. Rev. Lett., V.85, 562 (2000)]. Тоді як багатьох важливих застосувань багаточастотних комбінаційних лазерів, зокрема лазерного проекційного дисплея, необхідна висока частота повторення лазерних імпульсів до 0,1 МГц.
Завдання, яке вирішується винаходом, - підвищення частоти повторення імпульсів багаточастотного комбінаційного лазера аж до 0,1 МГц.
Для вирішення поставленого завдання запропоновано багаточастотний комбінаційний лазер із двочастотним накачуванням на рідкомучотирихлористий вуглецю CCl4 у вигляді струменя. CCl4 має високе значення комбінаційного коефіцієнта посилення g≈4 см/ГВт [A.R.Chraplyvy, Т.J.Bridges " . Lett.6, 632-633 (1981)], порівнянне з комбінаційним коефіцієнтом посилення стисненого водню (дейтерію), при пікосекундному часі поперечної релаксації Т2 ≈ 1 пс [D.Von der Linde Pulses, S.L. Shapiro, ed. (Springer-Verlag, Berlin, 1977), 203-273]. У той час, як у газах T2 лежить в області наносекундних часів. Внаслідок цього стає можливим реалізувати режим стаціонарного вимушеного комбінаційного розсіювання в рідкому CCl4 при пікосекундному накачуванні. Такий режим спостерігається у газах при наносекундних імпульсах накачування. У режимі стаціонарного комбінаційного розсіювання для багаточастотної генерації потрібна мінімальна потужність [L.L.Losev, A.P.Lutsenko "Ultrabroadband parametric stimulated Raman scattering in highly transient regime". Opt. Comm.135, 71-76 (1997)]. Тому при стаціонарному комбінаційному розсіюванні з пікосекундним накачуванням в рідкому CCl4 енергія лазерного імпульсу може бути істотно знижена (приблизно на три порядки) порівняно з енергією імпульсів, що використовуються при накачуванні газових середовищ. Оскільки максимальна частота повторення імпульсів визначається максимальною середньою потужністю лазера накачування та енергією окремого імпульсу, необхідною умовою збільшення частоти повторення імпульсів є зниження енергії імпульсу накачування. Таким чином, за збереження середньої потужності лазера накачування стає можливим підвищити частоту повторення імпульсів за рахунок зниження енергії окремого імпульсу.
Схема запропонованого пристрою показано на кресленні.
1 - пікосекундний лазер; 2 - кювету з рідким CCl4; 3 - струмінь CCl4; 6 - дихроічне дзеркало з коефіцієнтом пропускання 90% на довжині хвилі першої стоксової компоненти в CCl4 і відображенням 90% на довжині хвилі лазерного випромінювання, 7, 8, 9, 10 - лінзи.
Пристрій працює наступним чином. Як джерело накачування використовується лазер 1 з тривалістю імпульсу 10 пс, енергією імпульсу 100 мкДж і довжиною хвилі генерації (450-550) нм. Таким джерелом може бути друга гармоніка Nd:YAG лазера, працюючого як сихронізації мод, чи лазера на Nd:YVO4. Частина лазерного випромінювання, відображена дзеркалом 5, прямує в генератор першої стоксової компоненти. Перша стоксова компонента випромінюється при фокусуванні лазерного випромінювання лінзою 7 кювету 2, заповнену рідким CCl4. Довжина кювети становить (0,5-1) м. Енергетична ефективність перетворення в такій схемі становить 30% (наші вимірювання). Стоксове випромінювання колімується лінзою 8 і стіксів світловий пучок поєднується з лазерним за допомогою дзеркала 6, формуючи таким чином двочастотний пучок накачування. Надалі двочастотне лазерне випромінювання фокусується лінзою 9 струмінь CCl4. Енергії імпульсів накачування на поверхні CCl4 складають: 10 мкДж - першої стоксової компоненти і 70 мкДж - вихідного лазерного випромінювання. При діаметрі світлового пучка на поверхні струменя CCl4 100 мкм інтенсивність двочастотного випромінювання досягає величини 10 11 Вт/см 2 , що у разі використання скляних кювет із CCl4 призвело б до їх руйнування. Величина комбінаційного інкременту посиленняУ=gIL, де g - комбінаційний коефіцієнт посилення, I - інтенсивність вхідного випромінювання та L - товщина струменя. При L=1 мм, g=4 см/ГВт, I=10 11 Вт/см 2 =40. Нормований розлад γ=Δ/(gI), де Δ - хвильовий розлад чотирихвильового процесу генерації першої антистоксової компоненти, що становить для рідкого CCl4 15 см -1 (наші вимірювання), не перевищує 0,04. При таких параметрах збудження багаточастотного комбінаційного лазера можлива генерація комбінаційних компонент у кількості N, близькому до граничного, рівному відношенню частоти лазерного випромінювання ω до частоти стоксового зсуву Ω:N≈ω/ Ω [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)]. У рідкому CCl4 зі стоксовим зсувом Ω=459 см -1 при використанні лазера накачування з довжиною хвилі 0,5 мкм (ω=20000 см -1 ) може бути отримано 40 комбінаційних компонент з порівнянними інтенсивностями, що перекривають весь видимий діапазон. Причому комбінаційні компоненти випромінюються у вигляді одного світлового пучка, колимируемого лінзою 10. Використання струменя рідини дозволяє забезпечити зміну активного об'єму в проміжку між лазерними імпульсами, усуваючи таким чином ефекти накопичення, що призводять до зниження порога оптичного пробою активного середовища. У такий спосіб можна уникнути появи оптичної неоднорідності активного середовища, що виникає при виділенні енергії в області комбінаційного перетворення і призводить до падіння ефективності перетворення для подальших лазерних імпульсів. При частоті повторення лазерних імпульсів 100 кГц і діаметрі світлової плями в ділянці взаємодії 100 мкм повна зміна активної речовини в ділянці взаємодії здійснюється при швидкості закінчення струменя 10 м/с. Ця схемадозволяє реалізувати режим квазінеперервної (з частотою повторення імпульсів 100 кГц) багаточастотної генерації при середній потужності лазера 10 Вт (енергія одиночного імпульсу тривалістю 10 пс порядку 100 мкДж).
Багаточастотний комбінаційний лазер, що включає двочастотне джерело накачування, оптичну схему та активну речовину, що відрізняється тим, що активною речовиною служить струмінь рідкого чотирихлористого вуглецю.