4.4. Дисперсионные резонаторы лазеров на красителях

Возможность получения плавно перестраиваемого в широком диапазоне длин волн излучения с узкой спектральной линией является основным достоинством ЛК, которое обеспечило им бурное развитие и широкое применение. При этом важно не только получить узкополосную генерацию, но и эффективно ею управлять, в частности достаточно быстро и прецезионно перестраивать длину волны излучения в широком диапазоне. Поэтому при разработке перестраиваемых ЛК этому вопросу уделяют серьезное внимание. Для ЛК есть общее свойство — сужение линии генерации в них обычно не сопровождается снижением выходной мощности и увеличивает спектральную яркость выходного излучения. Это свойство есть следствие спектральной однородности контура усиления красителей, благодаря которой даже в узкополосной генерации принимает участие практически все возбужденные молекулы красителя. Снижение эффективности генерации при сужении линии обусловлено дополнительными потерями, вносимыми селектором длины волны.

Принято считать, что лазер является перестраиваемым, если осуществляемое в нем смещение длины волны превышает ширину спектра генерируемого излучения, а резонатор лазера является дисперсионным (селективным), если потери мод с фиксированными поперечными индексами не зависят от длины волны, т.е. от продольного индекса. В силу широкого диапазона перестройки ЛК (около 50 нм) и узкой линии генерации (менее 0,1 нм) эти лазеры наилучшим образом попадают под определение перестраиваемого лазера, а их тонкая перестройка и одновременное получение малой ширины линии излучения лазера в настоящее время производится исключительно с помощью дисперсионных резонаторов.

Резонатор называют дисперсионным, если для управления спектром лазерного излучения в нем используются различные дисперсионные элементы. В современных ЛК применяются следующие виды дисперсионных резонаторов:

• резонаторы с элементами для пространственного разделения излучения с различными длинами волн;

• резонаторы с элементами для интерферометрической дискриминации длин волн;

• резонаторы с элементами, обладающими дисперсией оптической активности;

• резонаторы с распределенной селективной обратной связью.

Особенности дисперсионных резонаторов объясняются особенностями действия их дисперсионных элементов.

4.4.1. Резонаторы с дифракционной решеткой

Первый дисперсионный резонатор с дифракционной решеткой 6ыл сконструирован Соффером и Макферлендом. Они заменили одно из широкополосных диэлектрических зеркал резонатора плоской дифракционной решеткой (610 штрихов на 1 мм) в схеме Литтрова (рис.86).

Рис. 86. Оптическая схема: 1 - зеркало с отражением

98%, 2 - лазерная кювета, 3 - врашаюшаяся дифракционная решетка.

Уравнение решетки имеет вид t(sin + sin ) = k , где t — суммарная ширина прозрачного и непрозрачного участков решетки, k — порядок спектра; - угол дифракции; — угол падения лучей на решетку. В автоколлимационном случае ( = ) оно сводится к k =2t sin . Угловая дисперсия равна d /d = k/2t cos . Предельная спектральная ширина линии генерации ЛК, которую можно получить при использовании этой схемы,составляет

(4.13)

Если расходимость пучка ЛК определяется дифракцией Л р = 1,221/О, где D внутренний диаметр кюветы, то для предельной спектральной ширины имеем

(4.14)

Для типичного случая = 5 мрад,D=2,5 мм, t= 1/1200 нм, k=1, 1=600 нм получаем = 7,8 нм и = 0,37 нм. Если внутри резонатора поместить систему линз, расширяющую световой пучок, и уменьшить расходимость в 10 раз, то ЛК, =0,78 нм, а =0,037 нм. В действительности спектральная ширина вблизи порога генерации меньше предельной ширины и зависит от существующего усиления. Экспериментальное значение спектральной ширины полосы излучения лазера на родамине 6G с решеткой, имеющей 2160 штрихов/мм, при расходимости пучка 5 мрад в опьггах Соффера и Макферленда составляло 0,06 нм, в то время как предельная ширина была равна 4,6 нм.

Для другого лазера с решеткой 600 штрихов/мм спектральная ширина полосы составляла 2 нм в первом порядке и 0,4 нм во втором, а предельная ширина была равна 16 нм и 8 нм соответственно. Таким образом, действительная ширина полосы во много раз меньше в этих случаях от 8 до 80 раз предельной ширины. Если полоса попадает в область максимального отражения решетки, то пиковая мощность уменьшается всего в 2 - 5 раз. При использовании в лазере кюветы с торцами под углом Брюстера, и, следовательно, поляризованного излучения это соотношение может быть еще более благоприятным.

Дифракционная решетка имеет недостатки, которые очень важны для ЛК:

• Потери, вносимые решеткой, значительны. В то время как эффективность решеток высокого качества может достигать 95% на длине волны блеска, большинство решеток имеет меньшую эффективность и реальной является величина 65%.

• Другое неудобство решетки связано с отражающей металлической пленкой, которая повреждается под действием импульсов высокой мощности и энергии. При использовании голографических прозрачных решеток эта проблема не возникает. Ее можно также обойти путем расширения светового пучка с помощью сильного телескопа. Особенно рекомендуется использовать расширитель пучка в случае лазеров на красителях с накачкой от азотного лазера. В таких лазерах узкий световой пучок, диаметр которого составляет доли миллиметра, облучает только малую часть заштрихованной области решетки, что сильно ухудшает спектральное разрешение. Другой путь предотвращения повреждения решетки состоит в использовании добавочного полупрозрачного зеркала перед решеткой (рис 87). Эта схема уменьшает падающую на решетку мощность до нескольких процентов от мощности, получаемой без зеркала.

Одновременно значительно снижается порог генерации, поскольку комбинация зеркало- решетка действует как резонансный отражатель с высоким коэффициентом отражения на

настроенной длине волны. Сообщалось, что в такой схеме получено уменьшение порога вдвое, а ширины полосы - в 3,3 раза по сравнению со схемой, где использовалась только решетка.