Лазер на красителях

3. Узкополосный импульсный лазер на красителях с

электродинамическими приводами поворота дисперсионных элементов

Исследование изотопических сдвигов оптических линий атомов с короткоживущими ядрами на лазерно-ядерном комплексе, созданном сотрудниками Ленинградского института ядерной физики и Института спектроскопии АН СССР, потребовало разработки узкополосного (dn~1 пм) импульсного лазера на красителях, который обеспечивал бы с высокой степенью воспроизводимости сравнительно быструю и плавную перестройку длину волны излучения и легко сопрягался с ЭВМ. Методы получения узкополосного плавно перестраиваемого излучения достаточно хорошо разработаны — обычно это механическая перестройка (поворот) дифракционной решетки лазера, производимая синхронно и одновременно с перестройкой вставляемых внутрь резонатора эталона Фабри — Перо или фильтра Лио, либо перестройка оптической длины такого резонатора за счет изменения давления газа. Последний способ обеспечивает синхронность перестройки всех дисперсионных элементов резонатора лазера в сравнительно большом диапазоне длин волн (несколько нанометров) и высокую (0,2%) линейность сканирования, но неприемлем из-за низкой скорости сканирования.

При перестройке внутрирезонаторного эталона Фабри-Перо изменением его зазора связь приводов решетки эталона вследствие линейности характеристик преобразования обоих дисперсионных элементов достигается установкой одного коэффициента пропорциональности, обеспечивающего одинаковые приращения по длине волны в зависимости от управляющего сигнала. Однако создание привода с линейной и стабильной характеристикой преобразования для такого эталона является весьма сложной задачей. В большинстве случаев для этой цели используются пьезокерамические материалы, которым присущи такие свойства, как гистерезис и достаточно большая температурная нестабильность. Эти недостатки можно компенсировать только с помощью сложных технических решений, где эффект достигается введением отрицательной обратной связи по перемещению, а измерение перемещения осуществляется датчиком емкостного типа.

Перечисленные трудности привели нас к выбору другого способа перестройки эталона (с помощью его поворота), который мог быть реализован с использованием хорошо зарекомендовавшего себя электродинамического привода (ЭДП), управляющего поворотом дифракционной решетки лазера. Единственный недостаток такого способа — нелинейность зависимости перестройки длины волны от угла поворота — был устранен введением небольшого дополнительного функционального блока, осуществляющего нелинейную связь до управляющим напряжениям приводов решетки и эталона (рис. 3.1).

Зависимости длины волны l от углов поворота j и q дифракционной решетки 1 и эталона Фабри — Перо 2 соответственно даются известными формулами: и, где d — постоянная решетки, t — зазор эталона и. Исключив длину волны из этих зависимостей, находим связь углов и: , или. Эта нелинейная зависимость может быть аппроксимирована полиномом второй степени

где Up и Uэ — напряжения управления ЭДП решетки (ЭДПР) и эталона (ЭДПЭ) соответственно; — коэффициенты, устанавливаемые при настройке ЭДП. Для согласования размеров пучка на дифракционной решетке и эталоне служил призменный телескоп. 6.

Для обеспечения плавной линейной перестройки длины волны лазера на вход регулирующего устройства (РУ) 3 ЭДПР подается вырабатываемое программным генератором (ПГ) 4 линейное пилообразное напряжение, при этом в функциональном блоке (ФБ) 5, через который то же напряжение поступает на РУ 6 ЭДПЭ, формируется обратная по отношению к (3.1) зависимость

В серийном импульсном лазере на красителях ЛЖИ-504 с накачкой импульсно-периодическим лазером на парах меди «Криостат-1» вместо перестраиваемого вручную синусного механизма поворота дифракционной решетки использовался ЭДП. Этот лазер широко использовался в установках по лазерной ступенчатой резонансной фотоионизации атомов, и был принят за базовую модель. Такой же привод использовался для управления поворотом внутрирезонаторного плоского эталона Фабри-Перо, для чего сердечники дифференциального индуктивного датчика положения и линейного микродвигателя магнитоэлектрического типа жестко крепились к приводному рычагу кольца. В этом кольце закреплялся внутренний эталон из комплекта ЛЖИ-504 или серийный кварцевый интерферометр ИФП-2 с воздушным зазором 2 мм. Ширина линии излучения, выдаваемая лазером, составляла 0,04 см -1 .

Автоматические регулирующие устройства РУ ЭДПР и РУ ЭДПЭ, вырабатывали управляющий сигнал, который подавался на обмотки микродвигателей для поворота элементов. Этими же устройствами обрабатывались сигналы с датчиков положения. Регулирующие устройства были выполнены в стандарте КАМАК размером ЗМ и обладали абсолютным сходством.

Модуль КАМАК также размером ЗМ был собран из программного генератора и ФБ. На выходе ПГ формируется напряжение Uy пилообразной формы, которое имеет максимальную амплитуду 5 В и шагом уменьшения 0,5 В. Длительность повышения напряжения лежит в пределах от 18 с до 30 мин, при том, что шаг изменения составляет 1/99 от максимального значения. На лицевой панели модуля расположено цифровое табло, которое служит для отображения выбранных диапазонов амплитуды (0—9) и длительности (0—99) управляющего напряжения.

На рис. 3.2 изображен функциональная схема, которая включает в себя инвертор, сумматор аналоговых сигналов 1 и аналоговый умножитель I. Аналоговый умножитель двухквадрантного типа построен на основе широтно-импульсного преобразователя. Он состоит из таких комплектующих: генератора треугольного напряжения 3, ключей 2 и 5, компаратора 4, усилителя 6 и источника опорного напряжения 7. Стабилизация широтно-импульсного модулятора II обеспечивается цепью 6—5—7. Модулятор реализован на элементах 4 и 3. Уравнение (3.1) решается посредством реализации инверсии схемы, включенной в его обратную связь, которая обеспечивается с помощью усилителя 8.

Используя переменные резисторы R1 и R2 устанавливаем соответствующие коэффициенты k1 и k2, которые обеспечивают оптимальную функциональную связь между Up и Uэ в зависимости от начального положения эталона. Эта связь осуществляется по минимуму отклонения максимума пропускания эталона от частоты, заданной положением дифракционной решетки.

Изучение характеристик лазера проводилось с помощью внешнего конфокального эталона Фабри — Перо, стабилизированного по температуре, который имел резкость, равную 30 и область свободной дисперсии, равную 0,125 см-1.

При длине волны до 2 см-1 нелинейность характеристики составляет 0,5−2% в диапазоне автоматического непрерывного сканирования длины и зависит от начального положения внутрирезонаторного эталона. Наибольший диапазон синхронного сканирования решетки и эталона (без срыва синхронизации) составляет 3 см-1. На интервале работы 4 ч способность к воспроизведению длины волны такого лазера целиком определяется характеристиками внутрирезонаторного эталона, и имеет величину 5•10-3 см-1. Плавная синхронная перестройка элементов при скорости сканирования длины волны в диапазоне от 0,1 до 0,001 см-1/с осуществлялась с помощью электронных устройств ЭДП.

Данный узкополосный лазер на красителях на базе ЭДП поворота дисперсионных элементов с управлением от ЭВМ успешно использовался на практике. Примером такого использования может служить ряд ядерно-оптических экспериментов на установках ЛИЯФ и ИСАН.

Заключение

В наши дни исследования по нелинейной оптике продолжаются. Кроме того, ведутся работы над созданием совершенно новых типов лазеров. Одним из главных направлений исследований является получение когерентной генерации длинноволнового рентгеновского излучения (l=10-9¸10-10 м). Однако на пути создания рентгеновских лазеров есть два серьезных препятствия.

Во-первых, возникают определенные трудности накачки таких лазеров. Они связаны с очень коротким временем существования рентгеновских переходов (t"10-15 с). Требуется мощность накачки около ватта на атом, чтобы поддерживать инверсную заселенность. Уже существуют системы накачки, которые используют пикосекундные импульсы на выходе системы. Система такого типа может генерировать импульсную выходную мощность излучения в пределах 1012 Вт. В неё входит задающий генератор, а также усиливающие каскады. Нужно упомянуть также и о системах на эксимерах, которые накачиваются электронным пучком.

Другая проблема заключается в отсутствии отражателей, которые подходили бы для резонаторов в области длинноволнового рентгеновского излучения. Для создания обратной связи невозможно применить обычные лазерные резонаторы, поскольку рентгеновское излучение поглощает любое твердым телом. Вряд ли будет реализован резонатор с замкнутой траекторией луча, в котором происходит отклонение излучения с помощью нескольких скользящих отражений от кристаллов. Поэтому маловероятно, что генераторы будут выступать в качестве источников когерентного рентгеновского излучения. Более вероятно, что они будут усилителями.