Лазер со стационарной распределенной обратной связью

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЛАЗЕР СО СТАЦИОНАРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Эфендиев Терлан Шаид оглы Катаркевич Василий Михайлович Рубинов Анатолий Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Лазер со стационарной распределенной обратной связью, содержащий кювету, заполненную активированным красителем водно-желатиновым гелем с этанолом с записанной в геле объемной стационарной решеткой, отличающийся тем, что гель допирован наночастицами двуокиси кремния 2 с диаметром 20 нм. Изобретение относится к области лазерной физики и может быть использовано при разработке малогабаритных лазеров с узкой линией излучения, предназначенных для применения в медицине, биологии, экологии и микроэлектронике. Исследование излучения органических молекул в тонкослойных активных средах представляет большой интерес в связи с возможностью создания на их основе фотовозбуждаемых микролазеров. В настоящее время в научных центрах ведущих стран мира ши 15839 1 2012.04.30 роко проводятся работы по созданию малогабаритных лазеров на красителях с распределенной обратной связью (РОС). Известен лазер на красителях с распределенной обратной связью - РОС-лазер 1. Такой лазер представляет собой кювету с раствором красителя, в котором создается периодическая пространственная модуляция коэффициента усиления, формируемая интерференционным полем двух сходящихся в растворе красителя лазерных пучков. Динамическая пространственная решетка коэффициента усиления обеспечивает обратную связь, необходимую для возникновения процесса генерации. Такая решетка создается в растворе красителя излучением того же лазера, который используется для возбуждения генерации. Недостатком такого лазера является высокая чувствительность его выходных характеристик к ширине спектра и расходимости излучения накачки. Это обстоятельство накладывает высокие требования к степени монохроматичности излучения лазера накачки, ограничивает возможности получения узких спектральных линий в излучении РОС-лазера, снижает его спектральную стабильность. В отличие от лазера с динамической решеткой РОС-лазер со стационарной решеткой обладает известными преимуществами, так как спектральная ширина линии генерации в этом случае не зависит от ширины спектра и расходимости излучения источника накачки. Ближайшим техническим решением к предлагаемому изобретению (прототипом) является РОС-лазер на основе активированного красителем желатинового геля, в котором используется объемная стационарная решетка, записываемая в активной среде 2. РОС-лазер представляет собой кювету, заполненную активированным красителем водно-желатиновым гелем с 10 -ным содержанием этанола, в котором записана объемная стационарная решетка. В известном РОС-лазере со стационарной решеткой (прототип) для получения генерации используется водно-желатиновый гель с 10 -ной добавкой этанола, активированный красителем родамин 6 Ж. При этом для записи стационарной решетки и возбуждения генерации используется излучение второй гармоники АИГ 3-лазера (532 нм). Недостатком такого РОС-лазера является недостаточно высокая температурная стабильность длины волны генерации. Задачей изобретения является повышение температурной стабильности длины волны генерируемого излучения. Поставленная задача решается следующим образом. В РОС-лазере со стационарной решеткой на основе активированного красителем водно-желатинового геля с этанолом,согласно изобретению, гель допирован наночастицами двуокиси кремния (2) с диаметром 20 нм. Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами, где на фиг. 1 показана схема возбуждения лазера со стационарной РОС на фиг. 2 показано влияние дозы облучения Е геля при записи стационарной фазовой решетки на эффективность генерации РОС-лазера на фиг. 3 показана зависимость энергии генерации лазера со стационарной РОС от энергии возбуждения на фиг. 4 показан спектр выходного излучения активированного красителем геля с добавкой наночастиц 2 в зависимости от дозы облучения среды при записи стационарной пространственной решетки на фиг. 5 показано влияние температуры окружающей среды на спектральное положение длины волны генерации лазера со стационарной РОС в прототипе (кривая 1) и заявляемом лазере со стационарной РОС (кривая 2). Кювета РОС-лазера заполнена активной средой, приготовленной следующим образом. Готовили раствор красителя родамин 6 Ж в этиловом спирте. Концентрация красителя в растворе составляла 10-3 моль/л. Затем 2,5 части раствора красителя смешивали с 6 частями дистиллированной воды и 0,5 частями 50 -ного коллоидного раствора наночастиц 2 15839 1 2012.04.30 2 (диаметр частиц 20 нм). В полученный раствор добавляли 1 часть (по весу) желатина,который набухал в нем в течение 2 часов при комнатной температуре. Затем водноспирто-желатиновый раствор нагревали до температуры 60 С и при тщательном периодическом перемешивании выдерживали в течение 1 часа при этой температуре. Приготовленный таким образом раствор (концентрация красителя при этом составляла 2,510-4 моль/л при весовой концентрации наночастиц 2 2,5 ) заливали в кювету, в которой он студенился при комнатной температуре в течение не менее одних суток. Возбуждение РОС-лазера осуществлялось излучением второй гармоники АИГ 3 лазера. Излучение накачки, сфокусированное в полоску, направлялось на входную грань РОС-лазера. Генерация возбуждается на длине волны(1)2,где- показатель преломления геля,- период стационарной решетки. Из выражения (1) видно, что длина волны генерации лазера со стационарной РОС не зависит от спектрального состава накачки и определяется лишьи . Изменение температуры окружающей среды влияет на показатель преломления активной среды . Изменениеприводит к смещению длины волны генерируемого излучения, что, с одной стороны, может быть использовано для перестройки излучения лазера по спектру, а с другой - накладывает определенные ограничения на стабильность его частоты и спектральную ширину линии генерации. В случае лазера со стационарной РОС изменениеможет быть использовано для тонкой подстройки линии генерации в небольших пределах. Однако более важным является возможность повышения температурной стабильности длины волны генерируемого излучения. Введение в состав активной среды прозрачных для видимой области спектра наночастиц 2 с диаметром 20 нм не приводит к появлению дополнительных потерь на поглощение и рассеяние излучения накачки и генерации РОС-лазера, так как диаметр наночастиц более чем в 20 раз меньше типичных значений световых длин волн. Измерение энергетических характеристик излучения накачки и генерации осуществляли откалиброванными по спектральной чувствительности фотодиодами ФД-24 К с двухканальным аналого-цифровым преобразователем 20/10-2. Спектральные характеристики измеряли с помощью автоматизированного спектрографа 3804 (спектральное разрешение 0,1 нм) и интерферометра Фабри-Перо ИТ 51-30. Возбуждение генерации на основе стационарной РОС в активированном красителем геле с наночастицами 2 осуществляли излучением 2-й гармоники наносекундного АИГ 3-лазера, лазера (длительность импульсов 0,517 нс) со спектральной шириной линии 0,5610-3 нм, энергией импульсов Ен 0,7 мДж при частоте их следованиядо 50 Гц. Пучок излучения второй гармоники, предварительно расширенный десятикратным цилиндрическим телескопом, а затем сфокусированный с помощью цилиндрической линзы 1 в горизонтальную полоску, направлялся по нормали на входную поверхность кюветы 2, возбуждая генерацию в слое геля с записанной решеткой. Цифрой 3 отмечена одна из зон возбуждения. Поперечные размеры зоны возбуждения геля составляли 10,01 см. Излучение генерации формировалось в направлении, перпендикулярном штрихам решетки, и представляло собой два симметричных пучка, выводимых через торцевые окна кюветы. Образец с записанной решеткой устанавливали на юстируемый держатель,снабженный вертикальной подвижкой. Это позволяло плавно менять зону возбуждения,обеспечивая получение большего ресурса работы (в случае фиксированного значения периодарешеток, записанных в различных зонах геля) либо дискретную перестройку длины волны РОС-лазера (в случае различного значения периодауказанных выше решеток). На фиг. 2 представлена измеренная зависимость относительного КПД генерации РОСлазера /от дозы облучения геля при записи решетки при энергии возбуждения Ен 430 мкДж. Видно, что при увеличении дозы облучения КПД генерации РОС-лазера 3 15839 1 2012.04.30 возрастает, достигая своего максимального значения при Е 35-40 Дж/см 2. Пороговая энергия возбуждения в этом случае составляла Е 30 мкДж. Дальнейшее увеличение экспозиции приводило к плавному снижению эффективности генерации лазера и возрастанию порога. Результаты измерений зависимости энергии генерации РОС-лазера от энергии возбуждения (г 566 нм) представлены на фиг. 3 (при этом учитывалась энергия лишь одного из двух симметричных пучков). Из приведенной фигуры видно, что указанная зависимость носит нелинейный характер и при используемых значениях энергии возбуждения(Ен 600 мкДж) КПД генерации достигает 8 . Фиг. 4 демонстрирует влияние дозы облучения гелевого раствора красителя Е при записи стационарной фазовой решетки на спектр выходного излучения такой активной среды. Из представленной фигуры видно, что при наличии в активной среде пространственной решетки достаточной эффективности фон усиленного спонтанного излучения (УСИ) в выходном излучении РОС-лазера отсутствует. При использовании набора решеток соответствующего периода, записанных в различных зонах геля, была легко реализована дискретная перестройка длины волны генерации РОС-лазера в диапазоне 551-594 нм. Это достигалось при плавном перемещении кюветы с гелем в вертикальной плоскости относительно фиксированного пучка накачки. Минимальный шаг перестройки составлял 0,05 нм. Результаты измерений температурной зависимости длины волны генерации прототипа(кривая 1) и заявляемого РОС-лазера (кривая 2) представлены на фиг. 5. Из измеренных зависимостей следует, что температурная стабильность длины волны генерации заявляемого РОС-лазера на 20 выше аналогичной характеристики прототипа. Источники информации 1..,., . . . 21 (1972) С. 144. 2. Эфендиев Т.Ш. и др. РОС-лазер на основе активированного красителем желатинового геля. МатериалыБелорусско-литовского семинара. Лазеры и оптическая нелинейность. - Минск, 2002. - С. 150-156. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5