Спектрохронограф для исследования временных и энергетических параметров лазеров ультракороткой длительности в спектральном диапазоне 200-1000 нм и его применение для оптимизации лазерного излучения

Одним из направлений развития лазерной техники является создание лазеров с предельно малой длительностью импульсов излучения, перестраиваемых в широком спектральном диапазоне, увеличение их мощности и энергии, а также улучшение таких характеристик, как спектральный состав, контраст по интенсивности, стабильность.

В настоящее время такие типы лазеров широко применяются в различных областях науки и техники: при исследовании сверхбыстрых процессов методом возбуждения-зондирования, в спектроскопии с временным разрешением, нелинейной оптике, для контроля элементов микроэлектроники, при создании и прецизионной обработке новых материалов.. ,.

Для оперативного контроля за параметрами излучения на всех этапах разработки лазеров, а также для оценки технических возможностей систем, использующих лазеры, необходимы адекватные методики измерения параметров лазерного излучения.

Параметры лазерныХ’источников можно разделить на две группы [1] - внешние и внутренние. К внешним параметрам относятся мощность и энергия излучения, угловаярасходимость и линейный размер пучка, длина волны излучения, когерентность, поляризация, длительность импульса. К внутренним параметрам относятся спектр мод резонатора, усиление, шумы, возможность модуляции. Возможна и другая классификация параметров и характеристик лазеров [2, 3]- Необходимо отметить, что все существующие системы классификации отличаются только различной группировкой параметров, а сами параметры остаются фактически теми же, что и в [1]. И это'>не'случайно, поскольку Именно эти параметры наиболее полно характеризуют основные свойства лазера. i /I ' '.'" '. М. ;

•., I! Ч ! ¦ '.

I. * 4 > I I i.-i-i. I <,.

В измерительных комплексах, создаваемых для исследования характеристик импульсных лазеров, как правило, производят измерение следующих параметров [4,5]:

1. полной энергии излучения;

2. формы импульса излучения или зависимости мощности от времени;

3. распределения энергии (мощности) излучения в ближней зоне (на выходном зеркале лазера) интегрально за время действия импульса и с разверткой во времени;

4. распределения энергии (мощности) излучения в дальней зоне (измерение угловойрасходимости излучения) интегрально за время действия импульса и с разверткой во времени;

5. спектра излучения лазера за все время действия импульса и с разверткой во времени.

Разработка методов измерения перечисленных характеристик лазерного излучения особенно ''актуальна при исследовании процессов, происходящих в нано-, пикои фемтосекундном диапазонах длительностей.

Для измерения параметров импульсного оптического излучения используются следующиеметоды: 'фотоэлектрический, корреляционный (нелинейный) и электронно-оптический метод.

Фотоэлектрический метод * ^ основан на использовании фотоэлектрического первичного измерительного преобразователя, осуществляющего преобразование оптического сигнала в электрический, и последующей' записи" 1 формы^{электрического} сигнала на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или жидко-кристаллического (ЖК) дисплея. Широко применяемые для регистрации оптических быстро’протекающих процессов фотоэлектрическим методом фотоэлектронные умножители (ФЭУ), фотодиоды (ФД), фототранзисторы.

ФТ), фотоэлектронные коммутаторы (ФЭК) [6−9], с использованием осциллографов в качестве регистраторов, обладают рядом достоинств: сравнительно недорогие, простые в эксплуатации, надежные и несложные в изготовлении. Основным недостатком данных приборов является их одноканальность и, как следствие, отсутствие пространственного разрешения, а также невысокое. временное разрешение (не лучше Ю" 10 с для ФЭУ [10], 3-Ю'10 с для ФД [11], Ю-10 с для ФЭК [12]). В принципе, можно увеличить число каналов с использованием большого количества фотопреобразователей и регистраторов, однако это приведет к сведении на нет всех достоинств^ данного'- метода. Фотоэлектрический метод позволяет измерять длительность5 и форму импульса оптического излучения с разрешением задаваемым каждым из элементов составляющим прибор (фотопреобразователь, усилитель, передающий тракт, отклоняющая система осциллографа).

Временное ¦ разрешение приборов, регистрирующих лазерное излучение, может быть улучшено: путем применения корреляционных (нелинейных) методов измерений. Простейший корреляционный метод основан на нелинейно-оптическом процессе генерации второй гармоники (ГВГ). Исследуемый световой я пучок разделяется в пространстве делительной пластиной на два пучка, которые проходят разные пути до их совмещения в нелинейном кристалле. Используя пучки разной поляризации, или осуществляя нелинейное взаимодействие неколлинеарных волн, можно добиться выполнения условий, когда вторая гармоника высокой интенсивности' генерируется в кристалле лишь при наложении двух импульсов. Степень' перекрытия во времени этих двух импульсов в кристалле может изменяться механо-оптически путем изменения длины одного из путей (с помощью оптической линии задержки). Эффективность «ГВГ будет максимальна при совпадении импульсов в пространстве и времени, и будет уменьшаться по мере увеличения задержки одного из них по отношению к другому.

Простейший корреляционный метод позволяет определить длительность импульса с высоким временным разрешением, определяемым только шагом линии задержки (1 мкм эквивалентно 3 фс). Однако этот метод не является прямым (длительность и форма импульса восстанавливается на основе корреляционной функции).

Применяются также усовершенствованные корреляционные методы, так называемые методы FROG (оптическое стробирование с частотным разрешением) и SPIDER (спектральная фазовая интерферометрия для реконструкции электрического поля) (русскоязычных аббревиатур не существует). Основное отличие методов FROG и SPIDER от простого корреляционного является то, что ^ эти методы позволяют определять частотный спектр, по которому восстанавливается радиочастотный спектр импульса соответствующий реальной форме огибающей импульса.

Электронно-оптический метод основан на использовании электронно-оптических преобразователей (ЭОП) с разверткой электронных изображений быстроменяющимися^{электрическими} полями. Этот метод является прямым методом многоканальной диагностики в исследовании быстропротекающих процессов. Первые работы, посвященные использованию метода электронно-оптической регистрации быстропротекающих процессов, относятся к периоду с середины 40-х до середины 50-х годов минувшего столетия, хотя первый электронно-оптический преобразователь (ЭОП), являющийся основным элементом фотохронографа, был изобретен Холстом и де Буром в 1934 г. [13]. В этот период были созданы времяанализирующие однокамерные ЭОПы для фотографирования быстропротекающих' процессоб с экспозицией кадра 10″ 6 -НО" 8 с. Далее Куртни-Пратт осуществил щелевую развертку изображения, что! позволило увеличить временное разрешение до 10*10 с iI ". • 1."¦ -с ¦ <ч I.'—.- ,.

14]. В 1953 г. в приборе ПИМ-3 впервые была осуществлена непрерывная развертка изображения с разрешением Ю'10 с [15]. Е. К. Завойский и С. Д. Фанченко в 1956 г. показали, что ЭОП открывает широкие возможности непосредственного наблюдения пикосекундных и фемтосекундных процессов [16]. Как отмечает Д. Брэдли в коллективной монографии [17]: выводы, сделанные Е. К. Завойским и С. Д. Фанченко, явились стартовой позицией для бурного развития и применения во всех передовых странах электронно-оптического приборостроения.

В период с середины 60-х до середины 70-х годов появились лазеры, способные генерировать излучение длительностью 10'12-И0'13 е., и электронно-оптическая хронография оказалась единственным методом прямого наблюдения процессов пикои субпикосекундной длительности.

Среди диагностических методов и средств, используемых в экспериментах с быстропротекающимипроцессами, высокоскоростная электронно-оптическая фотография выделяется своим рекордным быстродействием (теоретический предел временного разрешения в видимом диапазоне порядка 10″ 15 е.), большим объемом одновременно регистрируемой пространственной информации (порядка единиц мегапикселей), высокой чувствительностью (возможна регистрация в режиме счета фотоэлектронов, эмитируемых входным фотокатодом), широким спектральным’диапазоном чувствительности (от мягкого рентгеновского до ИК излучения),''возможностью быстрого (доли секунды) ввода массива данных* < зарегистрированного на экране ЭОПа изображения в компьютер для последующей обработки, анализа и визуализации на мониторе.

В настоящее время электронно-оптической метод используется для регистрации не только интегрального по спектру импульсного излучения, но' и для регистрации динамики развития отдельных спектральных составляющих излучения. Тем не менее, несмотря на несомненную необходимость, не существует промышленных приборов, позволяющих осуществлять одновременно регистрацию временной, спектральный и пространственный компонент коротких импульсов. Такой прибор будем называть спектрохронографом. Поэтому в экспериментальном оборудовании, применяется вариант из комбинаций фотохронографов и спектральных приборов (монохроматрры, полихроматоры, спектрометры).

Такой вариант совмещения стандартных приборов обладает рядом недостатков. Стандартные спектральные приборы имеют временную дисперсию (разность временного хода спектральных составляющих) в спектральном диапазоне измерений от 200 до 1000 нм значительно превышающую десятюьпикосекунд. Тем самым временное разрешение используемых вместе с ними фотохронографов существенно уменьшается. Другим недостатком является «необходимость проецирования разложенного по спектру изображения на ограниченную в размерах область фотокатода, либо необходимость сканирования спектров. Если в первом случае при проецировании появляются значительные потери в чувствительности, то во втором — отсутствует возможность регистрации всех спектральных составляющих.

В связи с этим ¦ совокупность работ по созданию измерительной техники, применяемой Hi для^{исследования} характеристик лазеров ультракороткой импульсной генерации, параметров излучения лазерно-возбужденного отклика исследуемой * среды с использованием спектрохронографа, представляет несомненный интерес.

Цель работы. Целью диссертационной работы является создание спектрохронографа для исследования временных и энергетических.

12 параметров лазерного излучения ультракороткой длительности (10* с) в спектральном диапазоне 200 -1000 нм и его применение для оптимизации лазерного излучения.: п сл i .¦¦•" .•> !К ' >-i-: II! — r.i.

Основные задачи исследования.

1. Разработка фотохронографической части спектрохронографа с высоким временным разрешением (~ 1 пс) и большим динамическим диапазоном чувствительности (~ 500), методов определения основных динамических характеристик фотохронографа (нестабильности запуска, нелинейности и диапазонов развертки).

2. Анализ технических, функциональных характеристик полихроматора и электронно-оптических преобразователей, а также аппаратных реализаций на их основе с целью выявления возможностей элементной базы, оценка ее возможностей для измерения спектрально-динамических параметров импульсного лазерного (и других источников) излучения и определение аппаратной структуры спектрохронографа.

3. Разработка неселективного в широком спектральном диапазоне полихроматора и методов исследования его характеристик.

4. Разработка алгоритма и написание рабочих программ для спектрохронографа и высокоскоростного фотохронографа.

5. Исследование с помощью спектрохронографа характеристик пикосекундных лазеров с пассивной, активной и пассивно-активной¦ синхронизацией мод и обратной электрооптической связью. ,.

6. Оптимизация с использованием спектрохронографа юстировки схемы «чирпирования», режимов работы тераватной лазерной установки с многокаскадным усилением.

7. Измерение с помощью спектрохронографа энергетического и спектрального ¦ контраста>'лазерного излучения при каскадном преобразования гармоник. !> 11 v.

Научная новизна.

1. Разработаны методики исследования временных характеристик высокоскоростной хронографической части спектрохронографа, а именно: нестабильности запуска (джиттера), скорости и нелинейности развертки.

2. Разработана методика исследования спектральных характеристик диспергирующей части (полихроматора) спектрохронографа.

3. Проведен расчет временной переходной характеристики полихроматора.

4. Разработаны методики оптимизации юстировки схемы «чирпирования», режимов работы импульсных твердотельных лазеров (пикосекундных и наносекундных).

5. Разработаны программы для автоматизированной обработки и хранения рабочей информации.

6. Проведены измерения энергетического контраста и спектрального контраста для нескольких длин волн лазерного, излучения.

7. Предложена конструкция и разработан прибор для исследования спектрально-динамических и пространственно-динамических параметров лазерного излучения. ••<" !:

Поскольку разрабатываемый прибор доведен до промышленной разработки, получил торговый знак, то в дальнейшем для обозначения приборами его составных частей будут использоваться утвержденные названия: спектрохронограф «СХ-1А», фотохронограф «Взгляд 2А-2», полихроматор «Спектр-1 А».. 1, i.

Практическая ценность работы.

1. С помощью хронографической части «Взгляд 2А-2» спектрохронографа «СХ-1А», аттестованной в качестве рабочего средства измерений временных и пространственных. характеристик импульсного излучения, исследованы процессы генерации лазерной системы с электрооптической i. u >1 ¦ •.,.. • отрицательной обратной связью, лазера с кратковременной резонансной модуляцией потерь в пикои наносекундных областях длительностей, пикосекундных лазеров, работающих в комбинированном активно-пассивном режиме синхронизации мод, разработаны рекомендации по оптимизации режимов работы лазеров.

2. Применение разработанных методов измерений временных и пространственных характеристик импульсного излучения, а также хронографической части «Взгляд 2А-2» спектрохронографа «СХ-1А», позволило получить рабочую информацию о динамике лазерной генерации пикосекундных лазеров, форме, амплитуде и тонкой структуре ультракоротких лазерных импульсов.

3. С использованием высокоскоростной хронографической части «Взгляд 2А-2» спектрохронографа «СХ-1А», в экспериментах на тераватной пикосекундной лазерной установке (Тимп=1-Ю пс, А,=1054 нм, Римп=10 ТВт) проведенных в РФЯЦ-ВНИИТФ, а также во ФГУП ВНИИОФИ на пикосекундной лазерной установке (тимп =25−30 пс, ?ц=1064, А, 2=532 нм), произведены измерения контраста излучения с длительностью импульсов.

1−30) -10″ с, исследованы режимы оптимизации юстировки схемы «чирпирования», с помощью кадровой регистрации получены сведения о начальной стадии энергетических превращений высокоэнергетических материалов, позволяющих. оценить -, модель физико-химических превращений этих материалов. ¦

4. С помощью разработанного, метода определена нестабильность (джиттер) срабатывания разверток спектрохронографа.

5. С использованием спектрохронографа проведены исследования по изучению предвзрывных! явлений в азидах тяжелых металлов, результаты которых позволили уточнить, феноменологическую модель взрывных процессов., .

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Спектрохронографический метод определения энергетического контраста излучения лазера с каскадным преобразованием гармоник ультракороткой длительности с временным сканированием излучения в межимпульсном интервале.

2. Метод повышения. точнодти &bdquo-.определения контраста лазерного излучения с применением в электронно-оптическом тракте однокамерных усилителей с повышенным динамическим диапазоном.

3. Метод определения скорости и нелинейности развертки спектрохронографа с использованием оптического дуплета и программной обработки, повышающей-'точность • измерения длительности импульсов исследуемых лазеров ультракороткой длительности.

4. Метод определения нестабильности срабатывания (джиттер) развертки спектрохронографа и источника лазерного излучения, основанный на двухканальной регистрации излучения с помощью 2-х идентичных, ' * фотохронографических частей. ч).

5. Оптимизированные параметры лазерной, установки «Сокол-П» при настройке с помощью спектрохронографа: длительность импульса уменьшилась с 1,3 пс до 0,97 пс.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 142 страницах,* в т. ч. 41 рисунок, 12 таблиц. v «••'-•.

Список литературы

содержит 96 наименований. В приложении даны акты внедрения результатов диссертационной работы в трех организациях.

Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и приложения. «.

Вывод:

На основании приведенных в четвертой главе экспериментальных результатов показано, что наиболее корректным методом измерения энергетических параметров лазерного излучения является спектрохронографический (электронно-оптический) метод. По сравнению с традиционными комплексными методиками, электронно-оптический метод измерения позволяет объединить все измерительные блоки в одном устройстве (спектрохронографе). что в значительной степени снижает временные затраты на проведение измерений.

К наиболее значимым преимуществам метода можно отнести использование механизма регистрации энергетических параметров рабочего импульса и фона одновременно, а также отсутствие в электронно-оптическом тракте спектрохронографа микроканальной пластины, использование которой значительно уменьшает динамический диапазон. Данные преимущества позволили обеспечить временное разрешение 1 пс и большой динамический диапазон (500).

На основании приведенных в четвертой главе экспериментальных результатов, полученных с помощью спектрохронографа на лазерной установке «Сокол-П», показано, что после проведённых настроек задающего генератора и выбора режима работы регенеративного усилителя в стартовом комплексе увеличилась стабильность лазерной установки по следующим параметрам: длительность и энергия импульса, количество пропусков. Получены значения длительности сжатого в компрессоре (на дифракционной решетке) импульса 0,97 пс, что на 0,3 пс короче, чем в задающем генераторе.

Заключение

.

При выполнении диссертационной работы обшим итогом является решение важной научно-технической задачи по созданию спектрохронографа «СХ-1 А» с высоким временным разрешением (~1 пс) в широком спектральном диапазоне с большим амплитудным динамическим диапазоном (~500), проведение с его помощью исследований по улучшению излучательных свойств пикосекундных лазеров, а также различных быстропротекающих физико-химических превращений сопровождающихся излучением.

Были получены следующие результаты:

1. Рассмотрены и проанализированы методы измерения временных и энергетических параметров лазеров с пикосекундной длительностью импульса, а также режимы работы лазеоов. w, А ж. *.

2. Разработана и исследована оптическая и электронная схемы спектрохронографа со спектрально-временным разрешением (2 нм) и большим динамическим диапазоном (500).

3. Разработаны и исследованы методы измерений следующих технических характеристик фотохронографической части спектрохронографа:

— нелинейность и скорость разверток с последующей компьютерной корректировкой;

— нестабильность запуска (джиттер) развертки.

4. Проведено определение составляющих погрешности спектрохронографа Показано, что размер единицы длительности импульса оптического излучения воспроизводится с СКО о=0,5% и НСП 0=3,7%.

5. Проведены исследования по измерению контраста излучения пикосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод и обратной отрицательной оптической связью.

6. Проведен сравнительный анализ существующих методов определения контраста лазерного излучения. Сделан вывод о целесообразности использования спектрохронографа в качестве средства измерения контраста и измерения мгновенной мощности лазерного излучения пикои фемгосекундной длительности.

7. Проведены эксперименты по определению долговременной стабильности фототропных затворов в пикосекундных лазерах с пассивной синхронизацией мод. В результате установлено, что для предотвращения разрушения фототропного затвора целесообразно использование генерации цугов пикосекундных импульсов в резонаторе с малой добротностью с фототропным затвором и последующим усилением.

8. Проведены исследования по измерению длительности «чирпа» в задающем генераторе лазерной установки пикосекундных импульсов «Сокол-П» во ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ. В результате достигнута оптимальная настройка оптических элементов «чирпирования» для последующих усиления и рекомпрессии.

9. Проведены эксперименты по определению спектрально-временных параметров процессов физико-химического разложения высокоэнергетических материалов во ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ и КемГУ.

Результаты, полученные с использованием спектрохронографа «СХ-1» подтверждаются актами внедрения во ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ. Волгоградском и Кемеровском государственных университетах. По теме диссертации было опубликовано 7 статей в ведущих отечественных журналах. Полученные в диссертации оезультаты позволили оазшботать и.

V л. л. * А * освоить выпуск спектпохооногоаАов типа «СХ-1». л л * л.

Данный спектрохронограф можно рекомендовать прежде всего для исследований и настройки лазеров с импульсами ультракороткой длительности, лазерной спектроскопии, нелинейно-оптических исследований. Кроме того, спектрохронограф можно применять для исследований однократных быстропротекающих процессов.