Способ получения узкополосного излучения с малой расходимостью в эксимерном лазере

 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при разработке и создании эксимерных лазеров с малой расходимостью и узкой шириной спектральной линии. Сущность: в способе получения узкополосного излучения с малой расходимостью в эксимерном лазере, включающем возбуждение активной среды, расположенной в оптическом резонаторе, содержащем выходное полупрозрачное зеркало, фокусирующую линзу и ВРМБ-зеркало, и формирование излучения, интенсивность которого на ВРМБ-зеркале достаточна для отражения излучения, величину интенсивности излучения на ВРМБ-зеркале выбирают из определенного соотношения. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при разработке и создании эксимерных лазеров с малой расходимостью и узкой шириной спектральной линии.

Известен способ получения излучения в эксимерном лазере [1] заключающийся в том, что узкополосный сигнал , полученный в задающем генераторе (ЗГ), инжектируется в кольцевой усилитель, где он усиливается и фокусируется на ВРМБ-зеркало. Отраженный от ВРМБ-зеркала сигнал снова возвращается в усилитель и затем выводится из лазерной системы.

Недостатком способа является сложность лазерной системы (наличие ЗГ), что усложняет его реализацию.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ формирования излучения, описанный в работе [2] Указанный способ заключается в том, что узкополосный импульс излучения, сформированный предварительно в ЗГ, инжектируется в резонатор лазера, образованный полупрозрачным выходным зеркалом, фокусирующей линзой и ВРМБ-зеркалом. Данное излучение усиливается в активной среде лазера, фокусируется на ВРМБ-зеркало, затем отражается от него, возвращаясь в активную среду, где снова усиливается и падает на выходное полупрозрачное зеркало резонатора. При этом часть излучения выходит из лазера, а часть возвращается назад в активную среду. На выходе лазера образуется цуг импульсов с длительностью каждого, соответствующей длительности импульса, инжектируемого от ЗГ. Расходимость такого излучения в 20 раз меньше, чем расходимость излучения, полученная в эксимерном лазере с плоскопараллельным резонатором.

Недостатком описанного способа получения излучения является сложность лазерной системы (наличие ЗГ), реализующей способ.

Задачей настоящего изобретения является упрощение способа получения узкополосного излучения с малой расходимостью в эксимерной лазере.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе получения узкополосного излучения с малой расходимостью в эксимерном лазере, включающем возбуждение активной среды, расположенной в оптическом резонаторе, содержащем выходное полупрозрачное зеркало, линзу и ВРМБ-зеркало, и формирование излучения, интенсивность которого на ВРМБ-зеркале достаточна для отражения излучения, согласно изобретению величину интенсивности излучения на ВРБМ-зеркале выбирают из соотношения где hν энергия кванта излучения, Дж; N* концентрация активных частиц в среде, см^-3; t спонтанное время жизни активных частиц, с; l длина волны излучения, см; d апертура активной среды, см; l₁ единичная длина в 1 см; F фокусное расстояние линзы, см; l длина активной среды, см;
g_o коэффициент усиления активной среды, см^-1;
a коэффициент ненасыщенного поглощения активной среды, см^-1.

Cущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

При работе лазера после начала возбуждения активной среды в ней возникают спонтанные шумы, которые постепенно усиливаются. Рассмотрим спонтанные шумы, родившиеся в маленьком объеме V активной среды в области оптической оси лазера вблизи фокусирующей линзы. Данный объем имеет вид прямого кругового конуса с высотой, равной единичной длине l₁, и телесным углом W при его вершине. Излучение, распространяющееся из этого объема, направлено в сторону полупрозрачного зеркала. При этом мощность излучения (при условии пренебрежения усилением из-за его малости в рассматриваемом объеме) можно выразить как
P_o= hν·N^*·Ω·V/4πτ, (2)
где hν энергия кванта излучения;
N* концентрация активных частиц в среде;
t спонтанное время жизни активных частиц.

Поскольку величину телесного угла можно определить как
Ω = d²/4l², (3)
где d диаметр активной среды;
l длина активной среды;
а объем V как
V = 1/3·π·l₁·d²·l²₁/16l², (4)
где площадь основания конуса.

Подставив в формулу (2) значения из формул (3) и (4), получим
P_o= hν·N^*/τ·d⁴·l³₁/l⁴·1,3·10^-3, (5)
После отражения лазерного излучения от полупрозрачного зеркала и второго прохода излучения через активную среду в области фокусирующей линзы мощность излучения определяется как
P = P_o·exp·2l(g_o-α), (6),
где g_o коэффициент усиления активной среды;
α коэффициент ненасыщенного поглощения активной среды.

Затем излучение фокусируется линзой, фокусное расстояние которой F, на ВРМБ-зеркало. Площадь сечения излучения в фокальной области S = πD²/4, где D
диаметр этого сечения в фокальной области.

Считая, что излучение выходит из малого единичного объема, фронт распространения волны излучения будет близким к сферическому, т.е. расходимость такого излучения будет близка к дифракционной и ее величину можно оценить как Θ = 2,44λ/d..

Тогда D = Θ·F = (2,44·λ/d)·F, a площадь сечения излучения в фокальной области S = π·F²·(2,44)²π²/4d². (7).

Интенсивность в фокальной области излучения на ВРМБ-зеркале, используя математические формулы (5),(6), (7), определим из выражения .

Известно, что коэффициент отражения от ВРМБ-зеркала увеличивается с уменьшением спектральной ширины падающего излучения [3]
При реализации заявляемого способа нами было обнаружено, что спектр излучения молекулы ХеСl на вершине спектрального контура имеет узкие "выбросы" аналогично наблюдаемым в работе [4] при более низких давлениях, которые авторы объясняют резонансом вращательно-колебательных полос электронного перехода В-Х. В условиях пороговой интенсивности на ВРМБ-зеркале происходит отражение только на этих узких "выбросах". Таким образом, отраженный сигнал состоит из одной или нескольких (в зависимости от условий эксперимента) узких линий с шириной ≈0,05 0,07 .

В результате предлагаемый способ позволяет формировать из спонтанных шумов узкополосное и высоконаправленное излучение без каких-либо дополнительных пространственных и спектральных селекторов.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема эксимерного лазера, реализующего заявляемый способ; на фиг.2 показана осциллограмма импульса выходного излучения; на фиг.3 приведена полученная экспериментально интерферограмма излучения для одного импульса пучка А.

Лазер содержит активный объем 1, расположенный в оптическом резонаторе, содержащем выходное полупрозрачное зеркало 2, фокусирующую линзу 3 и ВРМБ-зеркало 4.

После возбуждения активной среды 1 лазера в ней возникают спонтанные шумы, которые постепенно усиливаются. Максимальная интенсивность излучения на ВРМБ-зеркале будет обусловлена излучением, которое стартует из спонтанных шумов в области оптической оси лазера вблизи фокусирующей линзы 3, усиливается на первом проходе через активную среду 1, отражается от зеркала 2, затем усиливается на втором проходе через активную среду 1 и фокусируется линзой 3.

Интенсивность излучения на ВРБМ-зеркале при этом подобрана таким образом (вблизи пороговых значений отражения), что отражение наблюдается только на узкой линии (на "выбросе" спектрального контура). Отраженное излучение возвращается в активную среду 1, где усиливается, часть его выходит через полупрозрачное зеркало 2, а часть возвращается в активную среду 1, сжимаясь к приосевой области, фокусируется на ВРМБ-зеркало, после чего отражается от него и повторяет снова уже описанный выше порядок распространения. В результате на выходе лазера формируются два потока излучения: один сходящийся А, другой расходящийся В. Оба потока излучений имеют высокую направленность и узкую спектральную линию.

Пример конкретного выполнения. Заявляемый способ получения узкополосного излучения с малой расходимостью был реализован в ХеСl-лазере. Длительность импульса составляла ≈100 нс, энергия в импульсе была ≈50 мДж. Длина активной среды 1 была равна 70 см, диаметр пучка излучения 1 см. Параметр (g_o-α) = 0,12 см^-1, концентрация активных частиц N*=2·10¹⁵ см^-3, энергия кванта излучения 4 эВ, длина волны излучения λ=0,3 мкм. В качестве ВРМБ-зеркала был использован гептан. Фокусное расстояние F линзы 3 было равно 10 см. Величина интенсивности излучения в фокусе линзы 3 на ВРМБ-зеркале 4, определенная экспериментально, составила 2,7·10⁸ Вт/см². Эта же величина интенсивности излучения, рассчитанная по формуле (1), получилась равной 2,2·10⁸ Вт/см².

На выходе лазера наблюдался импульс излучения, представленный на фиг.2, с энергией 10 мДж. Это излучение состояло из двух пучков А и В. Каждый пучок во времени состоял из отдельных импульсов. Расстояние между импульсами для пучка А и пучка В было ≈20 нс, т.е. равнялось двойному обходу резонатора. Расходимость каждого пучка была такова, что 30% энергии лежало в дифракционном угле, равном 7·10^-5 рад. Каждый импульс имел ширину спектральной линии 0,3 см^-1, что можно наблюдать на приведенной на фиг.3, полученной экспериментально интероферограмме излучения для одного импульса пучка А (база воздушного эталона Фабри-Перо Т=3 мм). Причем частота каждого последующего импульса в каждом пучке была сдвинута на величину 0,24 см^-1, что соответствует частотному сдвигу ВРМБ.

Из изложенного следует, что предлагаемый способ получения излучения в эксимерном лазере позволяет формировать узкополосное излучение (Δν ~ 0,3 см^-1) с высокой направленностью без дополнительных пространственных и спектральных селекторов, что упрощает его реализацию.

Формула изобретения

Способ получения узкополосного излучения с малой расходимостью в эксимерном лазере, включающий возбуждение активной среды, расположенной в оптическом резонаторе, содержащем выходное полупрозрачное зеркало, фокусирующую линзу и зеркало с вынужденным рассеянием Мандельштама-Брилюэна (ВРМБ зеркало), и формирование излучения, интенсивность которого на ВРМБ зеркале достаточна для отражения излучения, отличающийся тем, что величину интенсивности излучения на ВРМБ зеркале выбирают из соотношения

где hν энергия кванта излучения, Дж;
N^* концентрация активных частиц в среде, см^-3;
t спонтанное время жизни активных частиц, с;
l длина волны излучения, см;
d апертура активной среды, см;
l₁ единичная длина в 1 см;
F фокусное расстояние линзы, см;
l длина активной среды, см;
g₀ коэффициент усиления активной среды, см^-1;
a коэффициент ненасыщенного поглощения активной среды, см^-1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3