Приборы и техника эксперимента, 2021, № 2, стр. 83-87

ВВЕДЕНИЕ

Источники когерентного узкополосного излучения в среднем инфракрасном (и.к.) диапазоне света востребованы во многих важных приложениях, таких как обнаружение вредных примесей в атмосфере, неинвазивная медицинская диагностика и т.д. Возможность плавной непрерывной перестройки длины волны в среднем и.к.-диапазоне делает такие системы особенно привлекательными для применения в оптико-акустической спектроскопии.

Лазерная оптико-акустическая спектроскопия – один из эффективных методов, используемых для точного определения слабых концентраций летучих соединений в сложных газовых смесях, в том числе в выдыхаемом человеком воздухе.

Задача обнаружения и измерения концентрации CH₄ является актуальной в связи с его принадлежностью к парниковым газам [1]. Метод оптико-акустической спектроскопии является на сегодняшний день одним из наиболее чувствительных для проведения измерений в условиях реальной атмосферы при использовании детекторов резонансных типов [2–6]. Параметрические генераторы света (п.г.с.) являются универсальными источниками когерентного излучения с возможностью непрерывной перестройки длины волны в широком спектральном диапазоне [7]. Однако, в отличие от лазерных источников когерентного излучения, п.г.с. на основе кристаллов с регулярной доменной структурой обладают широкополосным спектром излучения [8]. Спектральная ширина излучения п.г.с. обусловлена широкополосными зеркалами резонатора и многочастотным излучением лазера накачки, что приводит к значительному уширению спектра генерации и не всегда позволяет использовать этот источник для прецизионной спектроскопии. Таким образом, использование излучения п.г.с. в высокоточных газоаналитических системах не всегда возможно.

Для уменьшения спектральной ширины линии генерации п.г.с. используются различные методы. Так, в работах [8, 9 ] в качестве селективного элемента п.г.с. применялась брегговская решетка. Другой методикой является использование узкополосного задающего генератора, при этом в качестве усилителя используется п.г.с. В качестве задающего генератора может быть выбран He–Ne-лазер с длиной волны 3.39 мкм. Применение узкополосного излучения непрерывного газового лазера позволяет существенно уменьшить ширину линии генерации п.г.с. на выбранной длине волны.

В данной работе проведено исследование параметров системы He–Ne-лазер (задающий генератор) плюс п.г.с. (усилитель) с целью использования ее в газоаналитическом оборудовании [2–6] для детектирования метана.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. В качестве источника накачки п.г.с. использовался Nd:YLF-лазер (TECH-1053 Advanced, ООО “Лазер-экспорт”) с длиной волны 1.053 мкм. Частота следования импульсов варьировалась от 0.02 до 4 кГц. Максимальная энергия в импульсе составляла 1 мДж. Спектральная ширина линии излучения лазера накачки ~1 см^–1, показатель качества пучка M² < < 1.3, половина угла расходимости ~1.8 мрад. Зависимость длительности импульсов лазера накачки от уровня энергии и частоты следования импульсов показана на рис. 2. Спектральная ширина излучения накачки показана на рис. 3.

В качестве задающего генератора использовался непрерывный He–Ne-лазер с длиной волны 3.39 мкм, специально изготовленный в ИЛФ СО РАН для данного эксперимента. Показатель качества пучка M² = 1.1, половина угла расходимости ~1.25 мрад, мощность 1 мВт.

Излучение лазера накачки фокусировалось посредством CaF₂-линзы L₂ с фокусным расстоянием 300 мм до диаметра d_x,y = 1.2 мм. Резонатор п.г.с. образован двумя плоскими дихроичными зеркалами М₇ и М₈ с высоким коэффициентом пропускания для излучения накачки и холостой волны и с высоким коэффициентом отражения для сигнальной волны. Длина резонатора составляла 60 мм. Зеркало М₇ устанавливалось на линейную подвижку и пьезокерамический актуатор для точной подстройки длины резонатора, чтобы удовлетворить условию кратности резонатора п.г.с. целому числу полуволн задающего лазера.

Излучение He–Ne-лазера также согласовывалось при помощи CaF₂-линзы L₁ с фокусным расстоянием 500 мм до диаметра d_x,y = 2.15 мм для выполнения условия:

где w_н и w_и – диаметры перетяжки для излучения лазера накачки и задающего лазера соответственно; λ_н и λ_и – длины волн накачки и задающего лазера соответственно. Выполнение данного условия необходимо для наблюдения эффекта усиления моды задающего лазера в резонаторе п.г.с.

Излучение задающего He–Ne-лазера направлялось в резонатор п.г.с. с помощью металлических зеркал М₂–М₄ через дихроичное зеркало М₅ (HR@ 1053–1064 нм, HT@ 1140–1630 нм, HT@ 3000–14000 нм). Для визуализации оптического тракта He–Ne-лазера использовался диодный лазер с длиной волны λ = 520 нм. При помощи сферического зеркала М₆ (F = 500 мм) излучение Nd:YLF-лазера фокусировалось до диаметра d_x,y = = 0.72 мм, а He–Ne-лазера – до d_x,y = 1.29 мм, что обеспечивало согласование мод в резонаторе п.г.с. задающего лазера и излучения п.г.с.

Для наблюдения эффекта усиления моды необходимо точное совпадение частоты одной из волн п.г.с. с излучением задающего лазера. Для выполнения этого условия использовалась веерная структура кристалла ниобата лития (fan-out PPLN). Размер кристалла PPLN составлял 50(Д) × 20(Ш) × 3(В) мм, период структуры при комнатной температуре находился в диапазоне Λ = 27.45–32.42 мкм. Для поддержания постоянной температуры кристалл PPLN размещался в термостате. Посредством прецизионной моторизованной подвижки осуществлялось перемещение кристалла PPLN относительно оси резонатора, чем обеспечивалась перестройка длины волны в диапазоне 2.8–4.5 мкм. Зависимость перестройки длины волны от координаты приведена на рис. 4.

Оптимальная длина холостой волны рассчитывалась по выражению

и составила 1527.5 нм.

Требуемая длина волны была измерена с помощью спектроанализатора фирмы Angstrom WS6 IR-II с точностью 10^–6, спектр излучения сигнальной волны показан на рис. 5. Полная ширина спектральной линии сигнальной волны на уровне половинной амплитуды составила 2.241 нм.

После инжекции излучения He–Ne-лазера в резонатор п.г.с. полная ширина спектральной линии сигнальной волны на уровне половинной амплитуды составила 0.481 нм (рис. 6).

В ходе дальнейших экспериментов в схему перед зеркалом М₇ была добавлена линза L₃ с фокусным расстоянием 200 мм для изменения параметра фокусировки и увеличения мощности п.г.с. Полная ширина спектральной линии сигнальной волны на уровне половинной амплитуды составила 3.284 нм, а после инжекции излучения задающего лазера в п.г.с. – 1.116 нм (рис. 7).

Также были исследованы энергетические характеристики и измерен порог генерации п.г.с. при частоте следования импульсов 1 кГц. Эффективность преобразования энергии накачки в энергию п.г.с. при частоте 1 кГц без задающего генератора составила ~11.3%, а квантовая эффективность ~36.4%. Эффективность с инжекцией излучения задающего генератора возросла до ~16.1%, а квантовая эффективность – до ~51.8%. Зависимость выходной энергии п.г.с. в обоих режимах работы представлена на рис. 8. Таким образом, при инжекции излучения задающего лазера порог генерации был снижен со 120 до 78 мкДж.

ВЫВОДЫ

Исследованы характеристики компактной системы: задающий узкополосный Не–Ne-лазер плюс усилитель, в качестве которого использован параметрический генератор света на основе веерной структуры кристалла PPLN в области 3.39 мкм (длина холостой волны) c накачкой Nd:YLF-лазером. Применение задающего He–Ne-лазера позволило снизить порог генерации п.г.с. в 1.53 раза: от 120 мкДж (29.5 мДж/см²) до 78 мкДж (19 мДж/см²). При оптимальном согласовании мод He–Ne-лазера в резонаторе п.г.с. ширина спектральной линии сигнальной волны уменьшилась в 4.65 раза и составила 0.481 нм. При использовании задающего He–Ne-лазера в калибровочной смеси 1000 ppm СH₄ в сухом азоте наблюдалось увеличение сигнала фотоакустического детектора, подробно описанного в работе [10], в 1.7 раза.

Предложенная система может быть использована в качестве источника излучения в среднем и.к.-диапазоне для оптико-акустического газоаналитического оборудования, а также в качестве источника излучения для лидаров дистанционного и локального действия.

Применение перестраиваемого узкополосного задающего лазера в данной системе позволит создавать компактные универсальные широкоперестраиваемые узкополосные источники излучения для гражданского и специального назначения.