Способ получения мощного лазерного излучения в терагерцовом диапазоне

(51) Н 015 3122410943 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНтР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОИ СОБСТВЕННОСТИ(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси (ВУ)(72) Авторы Петухов Владимир Олегович ГоробеЦ Вадим Анатольевич КунЦевич Борис Федорович (ВУ)(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси (ВУ)Способ получения мощного лазерного излучения в терагерцовом диапазоне, включающий размещение кюветы с активной газовой средой в оптическом резонаторе и облучение активной газовой средь 1 накачивающим импульснь 1 м лазерным излучением, отличающийся тем, что в качестве активной газовой средь 1 используют сероуглерод,находящийся в кювете при температуре 575 К и давлении 3 атм., а облучение производят СО 2-лазером, излучающим в области длин волн 11,4 мкм.Изобретение относится К области лазерной физики И может быть использовано при разработке терагерцовых лазеров.В последнее время успешно развиваются способы получения излучения терагерцового диапазона, перспективные для многих важных приложений, в том числе для дистанционного обнаружения скрытых предметов и для медицины, где безопасные для организма терагерцовые волны могут составить мощную конкуренцию рентгену. При этом изображение, полученное в терагерцовых лучах, отличается особо высоким качеством. Однако получение такого излучения - сложнейшая задача. Для обычных лазеров такие частоты излучения слишком малы, а для микроволновых радиоустройств - слишком высоки. Лишь в последние годы удалось создать относительно мощные терагерцовые источники излучения, например, на основе параметрической генерации в нелинейных кристаллах с накачкой излучением мощного СО 2-лазера 1.Наиболее близким по совокупности и значимости решаемых задач, а также по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения излучения в терагерцовом диапазоне при помощи лазеров с оптической накачкой (ШК-лазеры) 2, 3,включающий размещение кюветы с активной газовой средой в оптическом резонаторе и облучение активной газовой среды накачивающим импульсным лазерным излучением. При этом в качестве активной газовой среды используют такие простые молекулы, как СН 3 ОН 2, 502 3, а облучение производят СО 2-лазером, излучающим в области длин волн 10,6 мкм.Однако такие лазеры характеризуются невысокой ( 1 Вт) выходной мощностью вследствие низкого давления активной среды и небольшой инверсии между двумя вращательными подуровнями, принадлежащими одному колебательному состоянию. Кроме этого, отсутствует возможность реализации плавной перестройки длины волны по спектру вследствие того, что генерация осуществляется на ограниченном наборе линий, расположенных в терагерцовом диапазоне случайным образом. Причем частота излучения на каждой из линий перестраивается в пределах узкого интервала, определяемого в основном слабым столкновительным уширением линий в газе низкого давления. При этом суммарный диапазон перестройки всех известных линий составляет менее одной десятитысячной доли частотного интервала, в котором они расположены. Принципиально важно, что, в силу низкого давления активной среды, удельный энергосъем для таких систем очень низкий.Задачей настоящего изобретения является повышение выходной мощности генерируемого терагерцового излучения и реализация плавной перестройки по спектру в указанном диапазоне.Поставленная задача решается за счет того, что в качестве активной газовой среды используют сероуглерод, а облучение производят СО 2-лазером, излучающим в области длин волн 11,4 мкм. В этом случае для получения мощного излучения терагерцового диапазона используют переходы между вращательными уровнями, принадлежащими разным колебательным состояниям, что дает возможность увеличить давление активной среды до необходимого значения и варьировать его состав. При этом генерацию получают в канале ОО 1-12 О (Ж - 117 мкм) молекулы С 52. Длительность переднего и заднего фронтов импульса накачки составляет - 100 нс, а пиковая мощность - 10 МВт/см 2. При давлении активной среды 100 Торр и составе С 52 Не 1 9 пиковые мощности терагерцового излучения могут достигать значений несколько сотен кВт/см 2.Предлагаемый способ поясняется фигурой, на которой приведена схема нижних колебательных уровней молекул С 52, СО 2 и нижние уровни СО и 02. На фигуре цифрой 1 обозначены возможные лазерные переходы, а цифрой 2 - каналы важнейших процессов колебательной релаксации и У-У-обмена.Из фигуры видно, что Молекулы сероуглерода Имеют сильное поглощение в колебательно-вращательной полосе 100-001 (область длин волн 11,4 мкм). Как раз в этой области спектра находятся колебательно-вращательнь 1 е линии горячей полосы 0111-1110 молекулы СО 2, на которых в настоящее время получена эффективная генерация. Кроме того,в этот спектральный диапазон попадают И линии генерации изотопической разновидности Молекулы углекислого газа СО 2 (001-100, 0111-1110), на которых в настоящее время также получена эффективная генерация.Для реализации предлагаемого способа достаточно выполнить следующую последовательность действий. Активную среду терагерцового лазера (сероуглерод) предварительно нагревают до температуры кипения 38 С и напускают в нагреваемую с помощью электрической спирали кювету, способную выдержать давление 3 атм. В кювете поддерживают температуру Т 575 К и давление Р 3 атм. Излучение накачки на одной из линий,совпадающей с линией поглощения С 52, например Р(23) полосы 0111-1110 СО 2, отстоит менее чем на половину щирины контура поглощения линии Р(54) полосы 100-001 С 52. Мощное, насыщающее отдельный колебательно-вращательный переход С 52, излучение накачки в силу быстрой вращательной релаксации переводит около половины частиц, находящихся на уровне 100 С 52 на уровень 001, который является верхним уровнем терагерцового лазера. Нижний уровень 120 при температуре Т 575 К заселен незначительно. Генерация терагерцового излучения возникает на колебательно-вращательнь 1 х переходах полосы 001-120 в диапазоне длин волн 50-200 мкм. Проведенные расчеты показывают, что при Т 575 К и Р 3 атм отдельные колебательно-вращательнь 1 е линии молекулы С 52 полностью перекрываются из-за столкновительного уширения, и спектр генерации в диапазоне 50-200 мкм становится плавно перестраиваемым. Из расчетов следует,что, если сероуглерод находится в кювете при значениях Т 575 К и Р 3 атм, а мощность излучения лазера накачки порядка 10 МВт/см 2, то в активной среде реализуется коэффициент усиления примерно 1 м 1, достаточный для получения эффективной генерации в терагерцовом диапазоне.Повышение удельного энергосъема в описанном способе по сравнению с прототипом(ШК лазерами) на много порядков достигается, во-первых, за счет того, что генерация происходит не на чисто вращательных переходах, а на колебательно-вращательнь 1 х, что из-за быстрой вращательной релаксации обеспечивает участие в генерации всей совокупности вращательных подуровней верхнего колебательного состояния. Во-вторых, использование активной газовой среды при высоком давлении приводит к больщому повыщению количества активных молекул на несколько порядков (- 4). При этом принципиально важно, что по сравнению с известными ШК лазерами осуществляется плавная перестройка по спектру в Широком терагерцовом диапазоне.Оценки показывают, что при оптимизации состава активной среды и резонатора терагерцового лазера квантовый КПД может приближаться к 1. Это означает, что при преобразовании 11 мкм излучения СО 2-лазера в терагерцовое излучение реализуется условие квант на квант. Отсюда, с учетом соотнощения длин волн накачки и генерируемого терагерцового излучения оптический КПД системы будет приближаться к 10 . Тогда, для имеющейся потенциальной возможности создать лазер накачки с импульсами со 100 МВт пиковой мощности, можно получить импульсы в терагерцовом диапазоне с интенсивностью до 10 МВт. Известно, что в лазерах с оптической накачкой преобразованный импульс намного короче импульса накачки за счет сильной вращательной релаксации. При наносекундных импульсах накачки возможно получение пикосекундных терагерцовых импульсов. Понятно, что в случае необходимости для каких-либо приложений иметь гораздо более длинные импульсы, получение их не вызовет проблем.Национальный Центр Интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.