Stimulated Raman scattering of chirped Ti:Sapphire laser pulses in BaWO₄ crystal.pdf Введение В настоящее время ведутся активные исследования эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) ультракоротких лазерных импульсов в различных средах [1-6], что находит свое применение в решении множества научных и прикладных задач, например, в диагностике наночастиц [2], расширении набора длин волн лазерных систем [3], генерации двухцветного излучения [4, 5] и др. Однако в случае ультракоротких лазерных импульсов (которые короче времени колебательной дефазировки среды) ВКР происходит в нестационарном режиме, и достижение высокой эффективности ограничивается двумя факторами: 1) ослабленным коэффициентом ВКР-усиления, 2) появлением других нелинейных эффектов, которые могут являться причиной подавления ВКР [6, 7]. Ранее нами было продемонстрировано эффективное ВКР фемтосекундных лазерных импульсов видимого диапазона в кристалле BaWO4 (BWO) [4, 5]. Однако при накачке кристалла BWO импульсами ближнего ИК-диапазона в тех же экспериментальных условиях реализовать эффективное ВКР-преобразование не удалось (см., например, [8]). Один из путей достижения относительно высокой эффективности ВКР для ультракоротких лазерных импульсов ближнего ИК-диапазона связан с их предварительным растягиванием до субнаносекундной длительности и последующим обратным сжатием до фемтосекундной длительности полученного преобразованного излучения в оптическом компрессоре [9]. В настоящей работе исследуется спектральное преобразование чирпированного, растянутого до 0.2 нс, импульса титан-сапфирового лазера (исходная длительность спектрально ограниченного импульса 90 фс) в ВКР-активном кристалле BWO. Для достижения существенной (~ 10%) эффективности ВКР-преобразования применялся тандем из кристаллов BWO с суммарной длиной 25 мм. Экспериментальная схема Эксперименты проводились в Центре лазерных и нелинейно-оптических технологий Физического института им. П.Н. Лебедева РАН с титан-сапфировым лазером, входящим в гибридную Ti:Sapphire/KrF лазерную систему [10]. Оптическая схема эксперимента представлена на рис. 1. Лазер излучал чирпированные импульсы длительностью ~ 200 пс (исходная длительность спектрально ограниченного импульса 90 фс) и энергией до 6 мДж. Лазерный импульс направлялся через линзу с фокусным расстоянием 1 м в два последовательно установленных кристалла BWO (тандем BWO), расположенных до фокальной плоскости лазерного луча. Линейная поляризация лазерного луча была перпендикулярна оптической оси кристалла BWO. Экспериментальные образцы кристалла BWO были выращены и изготовлены в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН; образец № 1 имел длину 15 мм, образцы № 2 - 10 мм. Спектры исходного и преобразованного лазерного излучения измерялись спектрометром ASP-150 (ООО «Авеста проект ЛТД», Россия). Центральная длина волны лазерного излучения была 0.75 мкм, ширина по полувысоте ~ 10 нм (рис. 2, а). Для увеличения эффективности ВКР была использована затравка широкополосным когерентным излучением, соответствующим спонтанному излучению титан-сапфирового усилителя (элемента титан-сапфировой лазерной системы, на рис. 1 не показан), которое распространяется вдоль оси лазерного луча. Рис. 1. Оптическая схема эксперимента Спектр этого излучения представлял собой широкий пьедестал от 0.65 до 0.85 мкм с максимумом в районе длины волны 0.75 мкм. Импульс этого излучения имел длительность ~ 10 нс (рис. 2, б) и был синхронизован с основным импульсом титан-сапфировой лазерной системы, растянутым до 0.2 нс. Рис. 2. Спектр импульса титан-сапфирового лазера (а); динамика генерации пьедестала в спектре лазерного импульса (б) Экспериментальные результаты В спектре излучения, прошедшего через тандем кристаллов BWO, детектируемая Стоксовая ВКР-компонента появилась в районе длины волны 801 нм при энергии лазерного импульса (1.2±0.1) мДж (линия 1 на рис. 3, а). При этой энергии лазерного импульса интенсивность излучения на входе в первый и второй кристаллы составляла ~ 0.15 и ~ 0.7 ГВт/см2 соответственно. Эти условия соответствуют инкременту ВКР-усиления G ~ 14. Суммарный в двух кристаллах инкремент усиления рассчитывался по формуле: , (1) где g0 = 16 см/ГВт - коэффициент ВКР-усиления моды ν1 [11]; I1,2 - интенсивность на входе в 1-й и 2-й BWO-кристалл; l1,2 - длина 1-го и 2-го кристалла BWO соответственно. Низкий порог ВКР-генерации (G ~ 14) связан с наличием затравки для ВКР-преобразования, а именно широкого пьедестала у исходного спектра (рис. 2, а и 3, б). Рис. 3. Спектр Стоксовых ВКР-компонент, полученных в тандеме BWO при различных инкрементах ВКР-усиления G (а); полный спектр лазерного излучения (при энергии 6 мДж, G ~ 70), прошедшего через тандем BWO (б, в) При увеличении энергии лазерного импульса (инкремента ВКР-усиления) наблюдалось смещение положения Стоксовой ВКР-компоненты в длинноволновую область и появление дополнительных пиков. При энергии (6.0±0.3) мДж (инкремент усиления G ~ 70) спектр Стоксового излучения представлял собой широкий набор из множества пиков, простирающийся от 787 до 815 нм (линия 4 на рис. 3, а, б). Сравнительный анализ измеренного спектра со спектром спонтанного комбинационного рассеяния кристалла BWO [12] показал, что Стоксовые пики в диапазоне длин волн 801-815 нм (частотный сдвиг Δν = (950±100) см-1) соответствуют колебательной моде ν1(Ag) ≈ 925 см-1. Появление излучения в интервале длин волн 787-797 нм (частотный сдвиг Δν = (740±80) см-1) соответствует ВКР на моде ν3(Eg) ~ 795 см-1 кристалла BWO. Большая ширина Стоксовых пиков связана с большой шириной спектра исходного лазерного импульса ~ 180 см-1. Амплитуда ВКР пика на длине волны 812 нм (мода ν1(Ag)) составляла ~ 30% от амплитуды спектра прошедшего лазерного импульса, площадь ВКР-пиков (включая пики-спутники) была оценена как ~ 10% от площади всего спектра. Таким образом, использование схемы с двумя кристаллами BWO позволило достичь эффективности ВКР-преобразователя до ~ 10% по энергии (интегральной по спектральному распределению). Отметим, что, когда из схемы удалялся кристалл № 1, эффективность ВКР-преобразования многократно уменьшалась. При высоком инкременте усиления (G ~ 70) были также обнаружены спектральные линии в интервале длин волн 850-880 нм (рис. 3, в). Форма этих линий и их частотный сдвиг Δν = 1570-1970 см-1 указывают на то, что они соответствуют вторым Стоксовым ВКР-компонентам мод ν1(Ag) и ν3(Eg). Мы полагаем, что генерация этих более слабых ВКР-компонент также связана с их затравкой широкополосным излучением, а их появление приводит к снижению эффективности генерации основной сильнейшей моды ν1(Ag). В эксперименте также наблюдалось уширение основного лазерного импульса примерно в 2 раза (рис. 2, а и 3, б), что также может приводить к снижению эффективности ВКР-преобразования. Выяснение природы этого уширения требует дополнительных исследований. Заключение В данной работе исследовано ВКР-преобразование спектра чирпированного, растянутого до 0.2 нс, импульса титан-сапфирового лазера (исходная длительность спектрально ограниченного импульса 90 фс) в тандеме кристаллов BaWO4 при затравке этого процесса широкополосным излучением. Эффективность генерации Стоксовой ВКР-компоненты, соответствующей моде ν1(Ag) ≈ 925 см-1, достигала ~ 10% по энергии. При инкременте ВКР-усиления G ~ 70 наблюдались генерация Стоксовой ВКР-компоненты, соответствующей более слабой моде ν3(Eg) ≈ 795 см-1, а также генерация вторых Стоксовых компонент фононных мод ν1(Ag) и ν3(Eg). Мы полагаем, что относительно невысокая эффективность ВКР-генерации для моды ν1 кристалла BaWO4 ~ 10%, например, по сравнению с результатами работы [9], связана с применением широкополосной затравки для ВКР-преобразования. Несмотря на то, что широкополосная затравка уменьшила порог ВКР-генерации моды ν1(Ag) примерно в 1.8 раза (по сравнению со стационарным порогом ВКР-генерации 25), она привела к генерации и других, более слабых ВКР-компонент, что внесло негативный вклад в усиление основной сильнейшей моды ν1(Ag). В эксперименте наблюдалось уширение основного лазерного импульса примерно в 2 раза, что также может приводить к снижению эффективности ВКР-преобразования.

Скачать электронную версию публикации