eng
Выпуск #3/2007
Е.Гулевич, Н.Кондратюк, А.Протасеня.
Перестраиваемые источники лазерного излучения УФ-, видимого, ближнего и среднего ИК-диапазона
Перестраиваемые источники лазерного излучения УФ-, видимого, ближнего и среднего ИК-диапазона
Просмотры: 3883
Перестраиваемые лазеры, являясь основной частью многих современных оптоэлектронных приборов, позволяют на качественно новом уровне решать задачи спектроскопии, нелинейной оптики, фотохимии, биологии, медицины и другие.
Введение
Для решения задач науки и техники в новых областях требуются лазерные источники, генерирующие излучение, перестраиваемое в определенных спектральных диапазонах. Такими областями являются:
лазерная спектроскопия и фотохимия, методы которых основаны на селективном взаимодействии лазерного излучения с веществом;
дистанционное обнаружение веществ, включая лазерное зондирование атмосферы для определения ее состава, загрязняющих примесей и измерения их концентрации;
лазерная фотобиология и медицина, где перестраиваемые лазеры используются для изучения биообъектов и биопроцессов, фотодинамической терапии и диагностики раковых заболеваний и т.д.
Новые методики требуют новых лазеров. Наряду с этим уже известные методики и приборы постоянно совершенствуются и, как правило, требуют все более мощных, совершенных и надежных лазерных источников. Вот почему разработка перестраиваемых лазерных источников с высокими эксплуатационными характеристиками остается одной из актуальных задач.
В статье дан обзор основных подходов к созданию источников, работающих в УФ-, видимом, ближнем и среднем ИК-диапазонах, а также приведены примеры некоторых удачных коммерческих разработок, выполненных в последние годы в компании "СОЛАР ЛС".
Среди источников перестраиваемого лазерного излучения основными до недавнего времени были лазеры на красителях и на активированных кристаллах (Al2O3:Ti3+, александрит, форстерит, YAG:Cr4+). Диапазон рабочих длин волн этих лазеров составлял 550–1500 нм, тогда как каждая активная среда была способна генерировать в спектральной области шириной 20–300 нм.
Сегодня разработчики и пользователи все большее внимание уделяют источникам излучения на основе параметрических генераторов света (ПГС). В ПГС удачно сочетаются широкий диапазон непрерывной перестройки и высокий КПД преобразования излучения накачки. Прогресс в области получения нелинейных кристаллов для ПГС и изготовления диэлектрических покрытий позволяет создавать надежные и простые в эксплуатации лазерные источники, перекрывающие спектральный диапазон 200–20000 нм. Этот тип источников перестраиваемого лазерного излучения и будет рассмотрен ниже.
Параметрические генераторы света видимого и ближнего ИК-диапазона
Сегодня наиболее распространены ПГС на кристаллах ВВО с накачкой 2-й и 3-й гармониками Nd:YAG-лазеров. Их и предлагают своим потребителям большинство производителей лазерной техники.
Основные достоинства этих ПГС – широкий диапазон перестройки (410–2500 нм при накачке излучением 355 нм и 680–2500 нм при накачке излучением 532 нм) и высокий (до 50%) КПД генерации. Недостатки, ограничивающие их использование, – большая расходимость генерируемого излучения (2–20 мрад) и большая спектральная ширина линии генерации (2–10 см-1). Поэтому работы по улучшению характеристик излучения таких ПГС весьма актуальны.
Исследования коллинеарных и неколлинеарных схем ПГС в компании "СОЛАР ЛС" позволили выявить следующую особенность. В ПГС с синхронизмом типа II с двухпроходной схемой накачки ширина линии генерации и расходимость пучка в плоскости синхронизма меньше, чем с однопроходной. Связано это с тем, что в ПГС с двухпроходной схемой сигнальная волна по-разному усиливается в нелинейном кристалле в прямом и обратном направлениях [1]. На рис.1
в качестве примера показаны спектры ПГС на кристалле КТР с одно- и двухпроходной схемой накачки длиной волны 532 нм [2].
Кроме этого, в ПГС с двухпроходной схемой излучение усиливается в кристалле как при движении в прямом, так и в обратном направлениях, что снижает пороговую интенсивность накачки, увеличивает коэффициент усиления, сокращает время генерации и повышает ее эффективность.
Эти особенности позволяют создавать ПГС с улучшенными характеристиками: предельно достижимые для данного класса ПГС характеристики излучения реализуются даже при накачке недорогими многомодовыми Nd:YAG-лазерами, а максимальная эффективность преобразования реализуется при низкой интенсивности накачки, что увеличивает ресурс ПГС. В таблице приведена спецификация основных параметров устройств, производимых компанией "СОЛАР ЛС". Внешний вид такого устройства представлен на рис.2.
Для многих применений (лазерно-индуцированная люминесценция молекул, лазерная обработка материалов и др.) требуется УФ-излучение, перестраиваемое по длине волны. В этом случае производители ПГС предлагают потребителям генераторы второй гармоники, обеспечивающие генерацию, перестраиваемую в диапазоне 210–420 нм.
Альтернативным направлением работ по получению перестраиваемого УФ-излучения является создание ПГС с накачкой излучением 4-й гармоники Nd:YAG-лазера. В компании "СОЛАР ЛС" проводились исследования в этом направлении [3]. Экспериментально было установлено, что в кристаллах ВВО под действием излучения накачки (266 нм) образуются динамические центры окраски, имеющие сильное поглощение в области 200–400 нм. Образование таких центров,
а также нелинейное поглощение излучения накачки и эффекты теплового самовоздействия [4], видимо, не позволят в ближайшем будущем создавать УФ ПГС на кристаллах ВВО с высокими эксплуатационными характеристиками.
Источники перестраиваемого лазерного излучения в ИК-диапазоне до 4 мкм
В настоящее время ПГС на кристаллах КТР и КТА с накачкой излучением Nd-лазеров позволяют получать перестраиваемое излучение в ближнем ИК-диапазоне 1,5–4 мкм.
Основными трудностями получения высокоэффективной генерации в этой области спектра являются невысокий коэффициент параметрического усиления в нелинейных кристаллах, их краевое поглощение в ИК-области, а также наличие сильных полос поглощения паров воды в атмосфере.
Для надежной работы лазерной системы необходимо, чтобы длина волны генерации попадала в окна прозрачности атмосферы (рис.3). В ПГС, накачиваемых излучением 1064 нм, длины волн излучения сигнальной (λs) и холостой (λi) волн связаны между собой соотношением
1/λi + 1/λs = 1/1,0642 [мкм].
С учетом этого можно выделить следующие спектральные диапазоны, для которых можно создать надежно работающие ПГС в окнах прозрачности атмосферы: 1,45–1,67; 1,98–2,3 и 2,93–4,10 мкм.
Для надежной работы лазерной системы нужно учитывать свойства нелинейных кристаллов и наличие их собственного краевого поглощения в ИК-области. Нелинейные свойства кристаллов КТА и КТР близки. Но в отличие от КТР, кристалл КТА имеет более широкую полосу пропускания в ближнем ИК-диапазоне.
В компании "СОЛАР ЛС" в последние годы проводились работы по получению высокоэффективной параметрической генерации на кристаллах КТР и КТА. Результатом этих работ явилось создание коммерческой модели ИК-ПГС на указанных кристаллах (рис.4). Так, модель на кристалле КТР обеспечивает диапазон перестройки 1,98–2,3 мкм, энергию выхода до 50 мДж и эффективность преобразования излучения накачки – 25%.
Модель на кристалле КТА дает возможность получить перестраиваемую генерацию в окнах прозрачности атмосферы 1,45–1,67 и 2,93–4,10 мкм с эффективностью до 30%.
Источники перестраиваемого лазерного излучения в ИК-диапазоне до 20 мкм
Как было отмечено ранее, для целого ряда применений требуются лазерные источники перестраиваемого ИК-излучения, работающие в спектральном диапазоне 5–20 мкм. Поэтому сегодня многие исследовательские центры проводят работы по созданию высокоэффективных, мощных и компактных твердотельных источников лазерного излучения для указанного диапазона.
Такие системы можно создавать на основе генераторов разностной частоты (ГРЧ), либо ПГС с накачкой Er- и Ho-лазерами. Однако эти источники накачки пока достаточно уникальны и не всегда могут быть использованы, учитывая их высокую стоимость и не очень высокие эксплуатационные характеристики.
Альтернативой для накачки ПГС среднего ИК-диапазона являются решения, использующие Nd:YAG-лазер как источник накачки. В состав таких систем входят ПГС, накачиваемые Nd:YAG-лазерами, которые, в свою очередь, используются для накачки ГРЧ или ПГС среднего ИК-диапазона. Эти системы хорошо изучены, их можно легко реализовать в компактном (для мобильных применений) и в стационарном (для обеспечения высоких энергий выхода) исполнении.
Рассмотрим более подробно возможности создания лазерных источников, генерирующих в диапазоне 5–20 мкм на базе Nd:YAG лазеров.
Генераторы разностной частоты
Описанные выше ПГС на кристаллах КТР и КТА можно использовать в качестве накачки для ГРЧ среднего ИК-диапазона. Так, в компании "СОЛАР ЛС" разработан ГРЧ на кристалле CdSe, который при накачке излучением ПГС на кристаллах КТР генерирует излучение с непрерывно перестраиваемой длиной волны в диапазоне 10–17 мкм (рис.5,6).
Двухкаскадные ПГС
Альтернативой ГРЧ является создание двухкаскадных схем ПГС. В этих схемах есть возможность изменять длину волны накачки и оптимизировать условия генерации узкополосного излучения в заданном диапазоне длин волн с учетом окон прозрачности атмосферы.
Рассмотрим две схемы построения подобных ПГС, используемые сегодня в компании "СОЛАР ЛС".
Для накачки ПГС на кристалле ZnGeP2 можно применять ПГС на кристалле КТР, генерирующий одновременно две длины волны: сигнальную λs=2,05 мкм и холостую λi=2,213 мкм [5]. Их можно пространственно разделить и использовать для накачки двух ПГС на кристаллах ZnGeP2 (рис.7).
Практический интерес представляет также схема ПГС на кристалле CdSe с некритичным 90-градусным синхронизмом [6],
в которой при накачке излучением, перестраиваемым в области 2,9–3,5 мкм, можно получить перестраиваемую генерацию в области 4,5–4,9 и 8,1–12 мкм (рис.8).
Представленные материалы исследований, проведенных компанией "СОЛАР ЛС" при создании промышленных образцов приборов, показывают перспективность создания источников перестраиваемого излучения на базе ПГС с накачкой Nd:YAG-лазерами.
Накопленный специалистами "СОЛАР ЛС" опыт разработки и производства перестраиваемых лазеров и лазеров накачки дает возможность поставки систем с перестройкой длины волны во всем диапазоне длин волн 210–20000 нм. Эти системы могут быть доработаны с учетом требований заказчиков для решения их прикладных задач.
Компания "СОЛАР ЛС" приглашает к сотрудничеству научные коллективы и компании для совместного проведения работ по созданию новых перспективных источников лазерного излучения.
Литература
1. N.Kondratyuk, O.Manko, A.Shagov. Features of the angle-tuned phase-matched OPO with pump beam reflected. – Laser Optics, 2003; Solid-state Lasers and Nonlinear Frequency Conversion: Proc. of SPIE. – V.Ustugov, Ed. Washington: SPIE, 2004, Vol.5478, p.189–193.
2. Н.Кондратюк, О.Манько, А.Шагов. Уменьшение ширины линии генерации при возврате излучения накачки в ПГС на кристалле КТР. – В кн.: Межд. конф. "Лазерная физика и применения лазеров". – Минск, 14–16 мая, Институт физики им. Б.И.Степанова НАН Беларуси, 2003, с.1–46.
3. Кондратюк Н.В. и др. Перестраиваемый в области 300–2340 нм параметрический генератор света на кристалле ВВО с накачкой 4-ой гармоникой Nd:YAG лазера. –
Квантовая электроника, 2000, т.30, №3, с.253–254.
4. N.Kondratyuk, A.Shagov. Nonlinear absorption at 266 nm in BBO crystal and its influence on frequency conversion. –ICONO 2001; Nonlinear Optical Phenomena and Nonlinear Dynamics of Optical Systems: Proc. of SPIE. – Washington: SPIE, 2002, Vol.4751, p.110–115.
5. E.Cheng, S.Palese, M.Injeyan. Conversion to mid IR using KTP and ZnGeP2 OPOs. – OSA TOPS, 1999, Vol.26, p.514-517.
6. Y.Isyanova et al. Multi-wavelength 1.5–10 µm tunable tandem OPO. – OSA TOPS, 1999, Vol.26, p.548–553.
Введение
Для решения задач науки и техники в новых областях требуются лазерные источники, генерирующие излучение, перестраиваемое в определенных спектральных диапазонах. Такими областями являются:
лазерная спектроскопия и фотохимия, методы которых основаны на селективном взаимодействии лазерного излучения с веществом;
дистанционное обнаружение веществ, включая лазерное зондирование атмосферы для определения ее состава, загрязняющих примесей и измерения их концентрации;
лазерная фотобиология и медицина, где перестраиваемые лазеры используются для изучения биообъектов и биопроцессов, фотодинамической терапии и диагностики раковых заболеваний и т.д.
Новые методики требуют новых лазеров. Наряду с этим уже известные методики и приборы постоянно совершенствуются и, как правило, требуют все более мощных, совершенных и надежных лазерных источников. Вот почему разработка перестраиваемых лазерных источников с высокими эксплуатационными характеристиками остается одной из актуальных задач.
В статье дан обзор основных подходов к созданию источников, работающих в УФ-, видимом, ближнем и среднем ИК-диапазонах, а также приведены примеры некоторых удачных коммерческих разработок, выполненных в последние годы в компании "СОЛАР ЛС".
Среди источников перестраиваемого лазерного излучения основными до недавнего времени были лазеры на красителях и на активированных кристаллах (Al2O3:Ti3+, александрит, форстерит, YAG:Cr4+). Диапазон рабочих длин волн этих лазеров составлял 550–1500 нм, тогда как каждая активная среда была способна генерировать в спектральной области шириной 20–300 нм.
Сегодня разработчики и пользователи все большее внимание уделяют источникам излучения на основе параметрических генераторов света (ПГС). В ПГС удачно сочетаются широкий диапазон непрерывной перестройки и высокий КПД преобразования излучения накачки. Прогресс в области получения нелинейных кристаллов для ПГС и изготовления диэлектрических покрытий позволяет создавать надежные и простые в эксплуатации лазерные источники, перекрывающие спектральный диапазон 200–20000 нм. Этот тип источников перестраиваемого лазерного излучения и будет рассмотрен ниже.
Параметрические генераторы света видимого и ближнего ИК-диапазона
Сегодня наиболее распространены ПГС на кристаллах ВВО с накачкой 2-й и 3-й гармониками Nd:YAG-лазеров. Их и предлагают своим потребителям большинство производителей лазерной техники.
Основные достоинства этих ПГС – широкий диапазон перестройки (410–2500 нм при накачке излучением 355 нм и 680–2500 нм при накачке излучением 532 нм) и высокий (до 50%) КПД генерации. Недостатки, ограничивающие их использование, – большая расходимость генерируемого излучения (2–20 мрад) и большая спектральная ширина линии генерации (2–10 см-1). Поэтому работы по улучшению характеристик излучения таких ПГС весьма актуальны.
Исследования коллинеарных и неколлинеарных схем ПГС в компании "СОЛАР ЛС" позволили выявить следующую особенность. В ПГС с синхронизмом типа II с двухпроходной схемой накачки ширина линии генерации и расходимость пучка в плоскости синхронизма меньше, чем с однопроходной. Связано это с тем, что в ПГС с двухпроходной схемой сигнальная волна по-разному усиливается в нелинейном кристалле в прямом и обратном направлениях [1]. На рис.1
в качестве примера показаны спектры ПГС на кристалле КТР с одно- и двухпроходной схемой накачки длиной волны 532 нм [2].
Кроме этого, в ПГС с двухпроходной схемой излучение усиливается в кристалле как при движении в прямом, так и в обратном направлениях, что снижает пороговую интенсивность накачки, увеличивает коэффициент усиления, сокращает время генерации и повышает ее эффективность.
Эти особенности позволяют создавать ПГС с улучшенными характеристиками: предельно достижимые для данного класса ПГС характеристики излучения реализуются даже при накачке недорогими многомодовыми Nd:YAG-лазерами, а максимальная эффективность преобразования реализуется при низкой интенсивности накачки, что увеличивает ресурс ПГС. В таблице приведена спецификация основных параметров устройств, производимых компанией "СОЛАР ЛС". Внешний вид такого устройства представлен на рис.2.
Для многих применений (лазерно-индуцированная люминесценция молекул, лазерная обработка материалов и др.) требуется УФ-излучение, перестраиваемое по длине волны. В этом случае производители ПГС предлагают потребителям генераторы второй гармоники, обеспечивающие генерацию, перестраиваемую в диапазоне 210–420 нм.
Альтернативным направлением работ по получению перестраиваемого УФ-излучения является создание ПГС с накачкой излучением 4-й гармоники Nd:YAG-лазера. В компании "СОЛАР ЛС" проводились исследования в этом направлении [3]. Экспериментально было установлено, что в кристаллах ВВО под действием излучения накачки (266 нм) образуются динамические центры окраски, имеющие сильное поглощение в области 200–400 нм. Образование таких центров,
а также нелинейное поглощение излучения накачки и эффекты теплового самовоздействия [4], видимо, не позволят в ближайшем будущем создавать УФ ПГС на кристаллах ВВО с высокими эксплуатационными характеристиками.
Источники перестраиваемого лазерного излучения в ИК-диапазоне до 4 мкм
В настоящее время ПГС на кристаллах КТР и КТА с накачкой излучением Nd-лазеров позволяют получать перестраиваемое излучение в ближнем ИК-диапазоне 1,5–4 мкм.
Основными трудностями получения высокоэффективной генерации в этой области спектра являются невысокий коэффициент параметрического усиления в нелинейных кристаллах, их краевое поглощение в ИК-области, а также наличие сильных полос поглощения паров воды в атмосфере.
Для надежной работы лазерной системы необходимо, чтобы длина волны генерации попадала в окна прозрачности атмосферы (рис.3). В ПГС, накачиваемых излучением 1064 нм, длины волн излучения сигнальной (λs) и холостой (λi) волн связаны между собой соотношением
1/λi + 1/λs = 1/1,0642 [мкм].
С учетом этого можно выделить следующие спектральные диапазоны, для которых можно создать надежно работающие ПГС в окнах прозрачности атмосферы: 1,45–1,67; 1,98–2,3 и 2,93–4,10 мкм.
Для надежной работы лазерной системы нужно учитывать свойства нелинейных кристаллов и наличие их собственного краевого поглощения в ИК-области. Нелинейные свойства кристаллов КТА и КТР близки. Но в отличие от КТР, кристалл КТА имеет более широкую полосу пропускания в ближнем ИК-диапазоне.
В компании "СОЛАР ЛС" в последние годы проводились работы по получению высокоэффективной параметрической генерации на кристаллах КТР и КТА. Результатом этих работ явилось создание коммерческой модели ИК-ПГС на указанных кристаллах (рис.4). Так, модель на кристалле КТР обеспечивает диапазон перестройки 1,98–2,3 мкм, энергию выхода до 50 мДж и эффективность преобразования излучения накачки – 25%.
Модель на кристалле КТА дает возможность получить перестраиваемую генерацию в окнах прозрачности атмосферы 1,45–1,67 и 2,93–4,10 мкм с эффективностью до 30%.
Источники перестраиваемого лазерного излучения в ИК-диапазоне до 20 мкм
Как было отмечено ранее, для целого ряда применений требуются лазерные источники перестраиваемого ИК-излучения, работающие в спектральном диапазоне 5–20 мкм. Поэтому сегодня многие исследовательские центры проводят работы по созданию высокоэффективных, мощных и компактных твердотельных источников лазерного излучения для указанного диапазона.
Такие системы можно создавать на основе генераторов разностной частоты (ГРЧ), либо ПГС с накачкой Er- и Ho-лазерами. Однако эти источники накачки пока достаточно уникальны и не всегда могут быть использованы, учитывая их высокую стоимость и не очень высокие эксплуатационные характеристики.
Альтернативой для накачки ПГС среднего ИК-диапазона являются решения, использующие Nd:YAG-лазер как источник накачки. В состав таких систем входят ПГС, накачиваемые Nd:YAG-лазерами, которые, в свою очередь, используются для накачки ГРЧ или ПГС среднего ИК-диапазона. Эти системы хорошо изучены, их можно легко реализовать в компактном (для мобильных применений) и в стационарном (для обеспечения высоких энергий выхода) исполнении.
Рассмотрим более подробно возможности создания лазерных источников, генерирующих в диапазоне 5–20 мкм на базе Nd:YAG лазеров.
Генераторы разностной частоты
Описанные выше ПГС на кристаллах КТР и КТА можно использовать в качестве накачки для ГРЧ среднего ИК-диапазона. Так, в компании "СОЛАР ЛС" разработан ГРЧ на кристалле CdSe, который при накачке излучением ПГС на кристаллах КТР генерирует излучение с непрерывно перестраиваемой длиной волны в диапазоне 10–17 мкм (рис.5,6).
Двухкаскадные ПГС
Альтернативой ГРЧ является создание двухкаскадных схем ПГС. В этих схемах есть возможность изменять длину волны накачки и оптимизировать условия генерации узкополосного излучения в заданном диапазоне длин волн с учетом окон прозрачности атмосферы.
Рассмотрим две схемы построения подобных ПГС, используемые сегодня в компании "СОЛАР ЛС".
Для накачки ПГС на кристалле ZnGeP2 можно применять ПГС на кристалле КТР, генерирующий одновременно две длины волны: сигнальную λs=2,05 мкм и холостую λi=2,213 мкм [5]. Их можно пространственно разделить и использовать для накачки двух ПГС на кристаллах ZnGeP2 (рис.7).
Практический интерес представляет также схема ПГС на кристалле CdSe с некритичным 90-градусным синхронизмом [6],
в которой при накачке излучением, перестраиваемым в области 2,9–3,5 мкм, можно получить перестраиваемую генерацию в области 4,5–4,9 и 8,1–12 мкм (рис.8).
Представленные материалы исследований, проведенных компанией "СОЛАР ЛС" при создании промышленных образцов приборов, показывают перспективность создания источников перестраиваемого излучения на базе ПГС с накачкой Nd:YAG-лазерами.
Накопленный специалистами "СОЛАР ЛС" опыт разработки и производства перестраиваемых лазеров и лазеров накачки дает возможность поставки систем с перестройкой длины волны во всем диапазоне длин волн 210–20000 нм. Эти системы могут быть доработаны с учетом требований заказчиков для решения их прикладных задач.
Компания "СОЛАР ЛС" приглашает к сотрудничеству научные коллективы и компании для совместного проведения работ по созданию новых перспективных источников лазерного излучения.
Литература
1. N.Kondratyuk, O.Manko, A.Shagov. Features of the angle-tuned phase-matched OPO with pump beam reflected. – Laser Optics, 2003; Solid-state Lasers and Nonlinear Frequency Conversion: Proc. of SPIE. – V.Ustugov, Ed. Washington: SPIE, 2004, Vol.5478, p.189–193.
2. Н.Кондратюк, О.Манько, А.Шагов. Уменьшение ширины линии генерации при возврате излучения накачки в ПГС на кристалле КТР. – В кн.: Межд. конф. "Лазерная физика и применения лазеров". – Минск, 14–16 мая, Институт физики им. Б.И.Степанова НАН Беларуси, 2003, с.1–46.
3. Кондратюк Н.В. и др. Перестраиваемый в области 300–2340 нм параметрический генератор света на кристалле ВВО с накачкой 4-ой гармоникой Nd:YAG лазера. –
Квантовая электроника, 2000, т.30, №3, с.253–254.
4. N.Kondratyuk, A.Shagov. Nonlinear absorption at 266 nm in BBO crystal and its influence on frequency conversion. –ICONO 2001; Nonlinear Optical Phenomena and Nonlinear Dynamics of Optical Systems: Proc. of SPIE. – Washington: SPIE, 2002, Vol.4751, p.110–115.
5. E.Cheng, S.Palese, M.Injeyan. Conversion to mid IR using KTP and ZnGeP2 OPOs. – OSA TOPS, 1999, Vol.26, p.514-517.
6. Y.Isyanova et al. Multi-wavelength 1.5–10 µm tunable tandem OPO. – OSA TOPS, 1999, Vol.26, p.548–553.
Отзывы читателей
