eng
Выпуск #3/2012
В.Семашко, А.Наумов, В.Ефимов, А.Низамутдинов
Твердотельные перестраиваемые лазеры уф-диапазона для лидарных систем
Твердотельные перестраиваемые лазеры уф-диапазона для лидарных систем
Просмотры: 11391
Представлены новые твердотельные лазеры УФ-диапазона, использующие в качестве рабочих лазерных переходов межконфигурационные 4fn-15d-4fn переходы редкоземельных ионов. Акцентируется внимание на преимуществах их применения в системах мониторинга состояния окружающей среды.
Теги: lidars ultraviolet lasers variable wavelength lasers лазеры с перестраиваемой длиной волны лазеры уф-диапазона лидары
Антропогенное воздействие на окружающую среду уже сопоставимо с влиянием на нее природных, естественных факторов. В этой связи приборные количественные методы исследования характеристик среды обитания и отслеживания их изменений становятся все более востребованными.
Одним из таких методов является метод дистанционного и невозмущающего зондирования состояния окружающей среды с помощью лидаров (лазерных локаторов). Лидар, как и радиолокатор, основан на принципе облучения окружающего пространства посылками электромагнитных импульсов и регистрации характеристик откликов, поступающих от различных его областей. При этом главным отличием лазерного локатора от радара является использование в качестве источника излучения мощных импульсных лазеров с длительностями импульсов генерации от десятков наносекунд до десятков фемтосекунд и соответствующей приемной аппаратуры.
Использование лидаров оказывается эффективным при решении как климатологических задач (составления прогнозов погоды, определения микроколичеств различных веществ и состава аэрозолей на больших высотах и т.п.), так и задач экологии (выявления и квалификации источников загрязнения окружающей среды, очагов возгораний и прочих аномалий). Для лидарных измерений выбирают лазеры с длиной волны излучения либо в области прозрачности атмосферы, либо в области поглощения исследуемых примесей. В первом случае мерой процессов взаимодействия оптического излучения с веществами атмосферы являются интенсивности упругого (рэллеевского) или неупругого (комбинационного) рассеяния. А во втором – регистрируют, например, лазерно-индуцированную флюоресценцию. В лидарах, работающих одновременно на нескольких длинах волн зондирования, удается реализовать методику дифференциального поглощения излучения зондирования, которая обладает более высокой чувствительностью и селективностью.
Наиболее часто в лидарах используют неперестраиваемые по частоте твердотельные лазеры ИК- (Nd:YAG и ему подобные) и видимого (рубиновый лазер) диапазонов, оснащенные нелинейными генераторами гармоник, а также эксимерные газовые ультрафиолетовые (УФ) лазеры. Лишь немногие современные передовые исследовательские центры имеют в своем арсенале лидары с плавной перестройкой длины волны излучения зондирования. Например, лидары с использованием перестраиваемых лазеров на основе кристаллов сапфира, активированных ионами титана или оптических параметрических генераторов [1]. Однако высокая стоимость и сложность эксплуатации сдерживают распространение подобных систем.
Особый интерес представляют лидары, работающие в УФ-области спектра, поскольку именно в УФ-диапазоне локализованы полосы электронного поглощения подавляющего большинства анализируемых примесей [2,3]. Эти лидары способны измерять в любое время суток, поскольку с переходом в УФ-диапазон существенно снижается "засветка" приемной части лидара рассеянным в атмосфере излучением Солнца [4]. Более того, при использовании для зондирования УФ-излучения наблюдается значительный рост (пропорциональной четвертой степени частоты излучения) сигналов обратного рассеяния, что позволяет повысить чувствительность лидаров. При этом перестраиваемый по частоте УФ-лазер в качестве излучателя позволяет в одном приборе совмещать разные методики зондирования атмосферы (например, методику рамановского рассеяния и методику дифференциального поглощения). Кроме того, появляется возможность отстройки частоты зондирующего излучения от частоты резонансных переходов компонент атмосферы. В результате удается улучшить отношение сигнала обратного рассеяния к шумовым составляющим, обусловленным нежелательной атмосферной флюоресценцией.
К сожалению, традиционно используемые нелинейно-оптические способы получения перестраиваемого УФ-излучения наделяют лидары УФ-диапазона рядом проблем. Так, нелинейное преобразование излучения лазеров видимого и ИК-диапазонов влечет за собой усложнение конструкции лазерных излучателей, удорожание владения, а главное – снижает надежность прибора в целом. Существенной является также трудность достижения долговременной стабильности выходных спектральных и энергетических характеристик таких излучателей. И, наконец, в таких приборах отсутствует возможность наращивания выходной мощности зондирующего излучения без кардинальной перестройки всей архитектуры лазерной системы лидара.
Казанский федеральный университет и компания "Ультрафиолетовые решения" разработали надежные и эффективные импульсные твердотельные перестраиваемые лазеры УФ-диапазона, реализующие альтернативный способ генерирования перестраиваемого лазерного излучения непосредственно в УФ- и ВУФ-диапазонах [5]. Этот способ заключается в использовании в качестве рабочих лазерных переходов межконфигурационных 4fn-15d-4fn переходов редкоземельных ионов (РЗИ) в кристаллах. Главные преимущества лазеров такого типа – простота оптической схемы и возможность формирования пространственных, спектральных, временных и прочих характеристик лазерного излучения непосредственно в УФ-диапазоне спектра.
Эти твердотельные УФ-лазеры относятся к лазерам, накачиваемым лазерным же излучением, например излучением гармоник Nd:YAG лазеров или излучением эксимерных лазеров (KrF и XeCl). Они позволяют генерировать перестраиваемое по частоте излучение в области 280–317 нм (лазер на основе кристалла Ce3+:LiCaAlF6 (Ce:LiCAF)) или в области 305–335 нм (лазер на кристалле Ce3+:LiLuF4 (Ce:LLF)). Типичный дифференциальный КПД преобразования излучения накачки в лазерное УФ-излучение в максимуме кривой перестройки составляет ~20%. При этом энергия импульса лазерного излучения генератора достигает 10 мДж. Длительность импульсов и ширина полосы лазерного излучения может варьироваться в зависимости от типа источника накачки и от конструкции лазера в диапазонах от десятка наносекунд до сотен пикосекунд и от нескольких нанометров до десятых долей ангстрема. Типичные характеристики УФ твердотельных лазеров компании "Ультрафиолетовые решения" приведены на рисунке и в таблице.
Кроме этого, использование твердотельных УФ-активных сред, разработанных в Казанском университете, позволяет решить проблему усиления импульсов УФ когерентного излучения вплоть до фемтосекундного диапазона длительностей. Во-первых, это позволяет наращивать энергетические характеристики описываемых в нашей статье УФ-лазеров. Во-вторых, твердотельные УФ активные среды можно использовать для усиления мощности излучения зондирования в существующих УФ-лидарах, например, использующих лазеры на Ti3+:Al2O3 с преобразователями гармоник. И главное, дооснастив существующие лидары, имеющие в составе мощные эксимерные лазеры или лазеры на Nd:YAG, лазерными излучателями на основе кристаллов Ce:LiCAF или Ce:LLF, исследователи смогут расширить свои аналитические возможности.
Таким образом, создание твердотельных перестраиваемых УФ-лазеров открывает широкие перспективы для реализации различных лидарных методик исследования состояния окружающей среды в УФ-диапазоне спектра. При этом явно просматриваются другие, не менее перспективные, применения УФ-твердотельных лазеров: трассовые анализирующие системы и системы внутрирезонаторной УФ-лазерной спектроскопии, позволяющие обнаружить крайне низкие концентрации анализируемых веществ.
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию твердотельных лазеров УФ-диапазона, проводимые компанией "Ультрафиолетовые решения", поддержаны Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Москва) и Инвестиционно-венчурным фондом Республики Татарстан (Казань).
Литература
Андрущак Е.А., Иваненко О.И., Орлов Д.А. и др. Лидарный передвижной информационно-измерительный комплекс для мониторинга атмосферных загрязнений. – Наукоемкие технологии, №2, т.1. – М.: 2000.
Strong К., Jones R.L. Remote measurements of vertical profiles of atmospheric constituents with a UV-visible ranging spectrometer. – Appl. Opt., 1995, v.34, №27, p.6223–6235.
Browell E.V. Applications of lasers in remote sensing. – In: BHT Chai /SA Payne, eds. OS A Proceedings on Advanced Solid-State Lasers. – Washington, DC: Optical Society of America, 1995, v. 24, p.2–4.
Lean J. Contribution of Ultraviolet Irradiance Variations to Changes in the Sun’s Total Irradiance. – Science, 1989, v.244, №4901, p.197–200.
www.uvsol.net
Одним из таких методов является метод дистанционного и невозмущающего зондирования состояния окружающей среды с помощью лидаров (лазерных локаторов). Лидар, как и радиолокатор, основан на принципе облучения окружающего пространства посылками электромагнитных импульсов и регистрации характеристик откликов, поступающих от различных его областей. При этом главным отличием лазерного локатора от радара является использование в качестве источника излучения мощных импульсных лазеров с длительностями импульсов генерации от десятков наносекунд до десятков фемтосекунд и соответствующей приемной аппаратуры.
Использование лидаров оказывается эффективным при решении как климатологических задач (составления прогнозов погоды, определения микроколичеств различных веществ и состава аэрозолей на больших высотах и т.п.), так и задач экологии (выявления и квалификации источников загрязнения окружающей среды, очагов возгораний и прочих аномалий). Для лидарных измерений выбирают лазеры с длиной волны излучения либо в области прозрачности атмосферы, либо в области поглощения исследуемых примесей. В первом случае мерой процессов взаимодействия оптического излучения с веществами атмосферы являются интенсивности упругого (рэллеевского) или неупругого (комбинационного) рассеяния. А во втором – регистрируют, например, лазерно-индуцированную флюоресценцию. В лидарах, работающих одновременно на нескольких длинах волн зондирования, удается реализовать методику дифференциального поглощения излучения зондирования, которая обладает более высокой чувствительностью и селективностью.
Наиболее часто в лидарах используют неперестраиваемые по частоте твердотельные лазеры ИК- (Nd:YAG и ему подобные) и видимого (рубиновый лазер) диапазонов, оснащенные нелинейными генераторами гармоник, а также эксимерные газовые ультрафиолетовые (УФ) лазеры. Лишь немногие современные передовые исследовательские центры имеют в своем арсенале лидары с плавной перестройкой длины волны излучения зондирования. Например, лидары с использованием перестраиваемых лазеров на основе кристаллов сапфира, активированных ионами титана или оптических параметрических генераторов [1]. Однако высокая стоимость и сложность эксплуатации сдерживают распространение подобных систем.
Особый интерес представляют лидары, работающие в УФ-области спектра, поскольку именно в УФ-диапазоне локализованы полосы электронного поглощения подавляющего большинства анализируемых примесей [2,3]. Эти лидары способны измерять в любое время суток, поскольку с переходом в УФ-диапазон существенно снижается "засветка" приемной части лидара рассеянным в атмосфере излучением Солнца [4]. Более того, при использовании для зондирования УФ-излучения наблюдается значительный рост (пропорциональной четвертой степени частоты излучения) сигналов обратного рассеяния, что позволяет повысить чувствительность лидаров. При этом перестраиваемый по частоте УФ-лазер в качестве излучателя позволяет в одном приборе совмещать разные методики зондирования атмосферы (например, методику рамановского рассеяния и методику дифференциального поглощения). Кроме того, появляется возможность отстройки частоты зондирующего излучения от частоты резонансных переходов компонент атмосферы. В результате удается улучшить отношение сигнала обратного рассеяния к шумовым составляющим, обусловленным нежелательной атмосферной флюоресценцией.
К сожалению, традиционно используемые нелинейно-оптические способы получения перестраиваемого УФ-излучения наделяют лидары УФ-диапазона рядом проблем. Так, нелинейное преобразование излучения лазеров видимого и ИК-диапазонов влечет за собой усложнение конструкции лазерных излучателей, удорожание владения, а главное – снижает надежность прибора в целом. Существенной является также трудность достижения долговременной стабильности выходных спектральных и энергетических характеристик таких излучателей. И, наконец, в таких приборах отсутствует возможность наращивания выходной мощности зондирующего излучения без кардинальной перестройки всей архитектуры лазерной системы лидара.
Казанский федеральный университет и компания "Ультрафиолетовые решения" разработали надежные и эффективные импульсные твердотельные перестраиваемые лазеры УФ-диапазона, реализующие альтернативный способ генерирования перестраиваемого лазерного излучения непосредственно в УФ- и ВУФ-диапазонах [5]. Этот способ заключается в использовании в качестве рабочих лазерных переходов межконфигурационных 4fn-15d-4fn переходов редкоземельных ионов (РЗИ) в кристаллах. Главные преимущества лазеров такого типа – простота оптической схемы и возможность формирования пространственных, спектральных, временных и прочих характеристик лазерного излучения непосредственно в УФ-диапазоне спектра.
Эти твердотельные УФ-лазеры относятся к лазерам, накачиваемым лазерным же излучением, например излучением гармоник Nd:YAG лазеров или излучением эксимерных лазеров (KrF и XeCl). Они позволяют генерировать перестраиваемое по частоте излучение в области 280–317 нм (лазер на основе кристалла Ce3+:LiCaAlF6 (Ce:LiCAF)) или в области 305–335 нм (лазер на кристалле Ce3+:LiLuF4 (Ce:LLF)). Типичный дифференциальный КПД преобразования излучения накачки в лазерное УФ-излучение в максимуме кривой перестройки составляет ~20%. При этом энергия импульса лазерного излучения генератора достигает 10 мДж. Длительность импульсов и ширина полосы лазерного излучения может варьироваться в зависимости от типа источника накачки и от конструкции лазера в диапазонах от десятка наносекунд до сотен пикосекунд и от нескольких нанометров до десятых долей ангстрема. Типичные характеристики УФ твердотельных лазеров компании "Ультрафиолетовые решения" приведены на рисунке и в таблице.
Кроме этого, использование твердотельных УФ-активных сред, разработанных в Казанском университете, позволяет решить проблему усиления импульсов УФ когерентного излучения вплоть до фемтосекундного диапазона длительностей. Во-первых, это позволяет наращивать энергетические характеристики описываемых в нашей статье УФ-лазеров. Во-вторых, твердотельные УФ активные среды можно использовать для усиления мощности излучения зондирования в существующих УФ-лидарах, например, использующих лазеры на Ti3+:Al2O3 с преобразователями гармоник. И главное, дооснастив существующие лидары, имеющие в составе мощные эксимерные лазеры или лазеры на Nd:YAG, лазерными излучателями на основе кристаллов Ce:LiCAF или Ce:LLF, исследователи смогут расширить свои аналитические возможности.
Таким образом, создание твердотельных перестраиваемых УФ-лазеров открывает широкие перспективы для реализации различных лидарных методик исследования состояния окружающей среды в УФ-диапазоне спектра. При этом явно просматриваются другие, не менее перспективные, применения УФ-твердотельных лазеров: трассовые анализирующие системы и системы внутрирезонаторной УФ-лазерной спектроскопии, позволяющие обнаружить крайне низкие концентрации анализируемых веществ.
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию твердотельных лазеров УФ-диапазона, проводимые компанией "Ультрафиолетовые решения", поддержаны Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Москва) и Инвестиционно-венчурным фондом Республики Татарстан (Казань).
Литература
Андрущак Е.А., Иваненко О.И., Орлов Д.А. и др. Лидарный передвижной информационно-измерительный комплекс для мониторинга атмосферных загрязнений. – Наукоемкие технологии, №2, т.1. – М.: 2000.
Strong К., Jones R.L. Remote measurements of vertical profiles of atmospheric constituents with a UV-visible ranging spectrometer. – Appl. Opt., 1995, v.34, №27, p.6223–6235.
Browell E.V. Applications of lasers in remote sensing. – In: BHT Chai /SA Payne, eds. OS A Proceedings on Advanced Solid-State Lasers. – Washington, DC: Optical Society of America, 1995, v. 24, p.2–4.
Lean J. Contribution of Ultraviolet Irradiance Variations to Changes in the Sun’s Total Irradiance. – Science, 1989, v.244, №4901, p.197–200.
www.uvsol.net
Отзывы читателей
