Принципы перестройки длины волны

Для того чтобы управлять спектром излучения жидкостного лазера в пределах линии люминесценции активного вещества, в цепь положительной обратной связи вводят оптические селективные элементы, создающие условия для возникновения излучения только в узком спектральном интервале. Основными типами селективных элементов являются: дисперсионные призмы, дифракционные решетки, интерферометры Фабри-Перо, электро- и акустооптические элементы.

Перестройка с помощью дисперсионной призмы осуществляется путем ее установки между активным элементом и отражающим зеркалом. При падении на ее боковую поверхность широкополосного излучения за счет дисперсионных свойств призмы происходит угловое разложение луча после нее. Угловое положение призмы подбирается так, чтобы излучение на определенной длине волны, выходящее из призмы, возвращалось в нее после отражения от зеркала резонатора. В результате возбуждение поля в лазере будет происходить только в узком спектральном интервале. Перестройка лазера осуществляется простым поворотом призмы. Достоинством этого способа является простота, но ширина спектра излучения при этом оказывается достаточно большой, составляющей несколько нанометров.

В случае использования дифракционной решетки, последняя играет роль одного из зеркал резонатора. Интенсивность излучения, отраженного от этого зеркала, зависит от угла падения и длины волны. Поэтому дифракционную решетку устанавливают под таким углом к оптической оси резонатора, при котором отраженный дифракционный максимум первого порядка, соответствующий требуемой длине волны излучения, совпадает с оптической осью резонатора. На практике применяют дифракционную решетку со скошенными ступеньками, для которой при определенном угле падения, определяемом из соотношения:

, (4)

для первого порядка дифракции с тем же углом наблюдается почти полное отражение света с эффективностью 80-90%., что в принципе является достаточным для лазера на красителе. Перестройка лазера по длине волны осуществляется простым поворотом дифракционной решетки относительно оси ее вращения. При другом угловом положении дифракционной решетки отраженный в направлении падения пучок излучения будет соответствовать дифракционному максимуму для излучения с другой длиной волны. Применение дифракционной решетки позволяет уменьшать ширину спектра примерно на порядок.

Еще одним типом селективного элемента является интерферометр Фабри-Перо, имеющий два полупрозрачных зеркала. Если d - ширина зазора между зеркалами интерферометра (база), то разность между спектральными линиями, которые могут быть разрешены с его помощью, определяется формулой

, (5)

где n - показатель преломления среды между зеркалами. Перестройку длины волны осуществляют поворотом интерферометра относительно оси лазера на некоторый угол.

Перестройку длины волны излучения лазера можно произвести также введением в резонатор между отражающим зеркалом и активной средой акусто- или электрооптической ячейки, представляющей собой кристалл определенного вещества, помещенного между скрещенными поляризаторами. Когда к электрооптическому кристаллу прикладывается внешнее поле, то в нем происходит изменение состояния поляризации проходящего через него линейно поляризованного света. Коэффициент пропускания подобной ячейки определяется выражением

, (6)

где l - длина кристалла, Δn - разность показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей, зависящих от приложенного напряжения. В случае акустооптического кристалла в нем возбуждается бегущая ультразвуковая волна. Вследствие взаимодействия света с этой волной в кристалле плоскость поляризации линейно-поляризованного света повернется на 90º. Этот эффект имеет место в узком участке длин волн, положение которого определяется частотой акустических колебаний. Изменяя ее значение, можно осуществлять перестройку длины волны излучения лазера на красителе.

Конструкция

Ламповая накачка жидкостного лазера аналогична накачке твердотельных лазеров (см. рис. 4). В качестве активного элемента применяется кювета с красителем, размещенная в отражателе либо между лампами накачки, либо внутри коаксиальной лампы накачки, ввиду чего последняя конструкция получила название коаксиальной. К блоку накачки предъявляют особые требования по формированию коротких электрических импульсов большой амплитуды. Именно такие электрические импульсы обеспечивают получение коротких световых импульсов лампы для накачки активной среды.

Если кювета выполнена в отпаянном варианте, то воздействие на краситель световых импульсов от лампы накачки приводит к неоднородному объемному нагреванию активной среды, вследствие чего увеличивается угловая расходимость излучения. Для уменьшения влияния термического эффекта работу ведут при низких частотах повторения импульсов. Вариант жидкостного лазера на красителе с прокачкой позволяет увеличить частоту следования импульсов излучения лазера в отдельных конструкциях до 350 Гц.

Жидкостные лазеры на красителях могут иметь и лазерную накачку. Различают два метода накачки: продольную и поперечную (рис. 5). При продольной накачке лазерное излучение направляется вдоль оси кюветы с красителем, а при поперечной - перпендикулярно к ней. В реальных условиях применяются оба метода. В качестве источника накачки применяют лазеры на молекулярном азоте, эксимерные лазеры, лазеры на рубине, стекле и ИАГ и их гармониках, лазеры на парах меди и других металлов, т. е. лазеры, имеющие высокую импульсную мощность и энергию излучения в ультрафиолетовой и видимой частях спектра. Для накачки применяют и лазеры непрерывного излучения - аргоновый, криптоновый и другие, мощность излучения которых достаточна для превышения порога генерации красителя.

Коэффициент преобразования жидкостных лазеров на красителе с лазерной непрерывной накачкой в полезное излучение может достигать 30-35%. Диапазон перестройки этих лазеров охватывает весь видимый и ближний инфракрасный диапазоны вплоть до 1,0 мкм. При этом мощность излучения достигает 1 Вт. Расходимость излучения находится в пределах 1,5 - 2 мрад. Ширина спектра излучения непрерывных жидкостных лазеров без принятия каких-либо специальных мер составляет несколько нанометров. При специальных способах стабилизации одночастотного режима генерации ширина спектра излучения не превышает 1 МГц.