Лазеры на рубине для голографии предполагают энергию импульса высококогерентного излучения на длине волны 694 нМ более 2 Дж. Для достижения таких энергий требуются 3 квантовых усилителя с диаметром кристалла 20 мм и большого количества высоковольтных конденсаторов. Это, в свою очередь приводит к большим значениям весогабаритных характеристик прибора. С целью уменьшения габаритов прибора было предложено в схеме усиления использовать двухпроходную схему усиления с обращением волнового фронта.
Процесс оптического усиления основан на том же физическом принципе, что и генерация лазерного излучения в резонаторе. Импульсное воздействие лампы накачки на активный элемент приводит к тому, что атомы активного элемента переходят в возбуждённое состояние и испускают фотоны. Пока атом не перешёл из возбуждённого состояния, влетающий в него фотон выбивает два фотона, при этом когерентность, длина волны, поляризация, фаза хода у этих фотонов будут одинаковыми. Если при этом процессе в активный элемент вводится лазерное излучение, то оно тоже будет выбивать фотоны уже со своими характеристиками. Таким образом, входное излучение будет усилено.
После первого усиления, излучение попадает на ВРМБ ячейку основная функция которой – обращение волнового фронта. Обращение волнового фронта – это процесс, в результате которого фаза выходящего из ячейки волнового фронта становится точно в противофазе к излучению входящего волнового фронта.
Данный способ усиления лазерного импульса имеет важное преимущество - фазовые искажения, вызванные неоднородностью среды компенсируются и на выходе усилителя появляется импульс с высокой пространственной когерентностью.
Летом 1992 года сотрудник ГОИ им. Вавилова Александр Чураев попросил меня провести серию экспериментов по изучению явления обращения волнового фронта в различных оптически активных средах:
- бензол
- толуол
- сероуглерод
- ацетон
- циклогексан
- метанол
- D2O(тяжелая вода)
Для проведения исследований он привез полуметровую кювету (смотри оптическую схему эксперимента) и набор оптически активных жидкостей.
Особую роль в эксперименте по обращению волнового фронта мы отвели излучению лазера на рубине с длиной волны 694 нМ. Я собрал экспериментальную установку и провел серию измерений по разработанному плану. Результаты измерений приведены в таблице.
Результаты исследования ОВФ.
Удалось измерить максимальную энергию усиленного импульса излучения 694 нМ. Она составила >3 Дж.
При максимальной энергии накачки оптического квантового усилителя произошло разрушение кристалла рубина квантового усилителя. Разрушение наблюдалось в виде цепочки микро пустот вдоль оси распространения излучения диаметром около 1 мм. Александр Чураев был очень рад результатам, полученным в процессе проведенных исследований, и попросил отдать ему кристалл рубина с разрушениями. Взамен он привез другой качественный кристалл. До сих пор жалею, что не оставил себе пример разрушения кристалла квантового усилителя мощным импульсом света. Сегодня я мог бы с помощью цифрового микроскопа изучить характер разрушений и по их характеру восстановить энергию усиленного импульса.
В результате проведенного сравнения эффективности ОВФ различных нелинейных сред установлено, что на длине волны l = 1,052 мкм (кристалл - ILiF4) такие нелинейные среды как:
- бензол
- толуол
- сероуглерод
- ацетон
- циклогексан
- метанол
ведут себя в процессе ОВФ практически одинаково. Коэффициент отражения ОВФ "зеркала" на длине волны l = 1,052 мкм у четыреххлористого углерода достигал 95%, а у остальных этот параметр не превышал 90%.
Однако, для длины волны рубинового лазера 694 нМ эти среды давали коэффициент отражения не более 30%. Появилась идея в качестве оптически активной среды для ОВФ использовать тяжелую воду.
В последствии эксперимент был повторен более успешно. В схему экспериментальной установки был добавлен 3-х кратный телескоп для увеличения площади сечения пучка до 6 мм. При энергии импульса задающего генератора 10 мДж усиленный за два прохода через кристалл импульс длительностью 50 нсек. имел энергию 1,3 Дж. Коэффициент отражения задающего импульса при ОВФ составил - 83%.
Примечание:
ОВФ - обращение волнового фронта.