Б. Б. Бойко, И. 3. Джилавдари, Г. И. Олефир, Н. С. Петров, В. А. Чернявский ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОНКИХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СЛОЕВ ВБЛИЗИ ПРЕДЕЛЬНОГО УГЛА ПОЛНОГО ОТРАЖЕНИЯ Приводятся результаты экспериментального исследования нелинейных оптиче­ ских свойств тонких поглощающих слоев. Получена зависимость отражательной спо­ собности поглощающего плоскопараллельного слоя от плотности энергии падающего излучения при различных толщинах слоя и углах падения. Показано, что вблизи пре­ дельного угла полного отражения коэффициент отражения тонких (порядка несколь­ ких микрометров) поглощающих слоев может изменяться в довольно широких пределах (практически от О до 1). Этот результат есть следствие проявления в тонком слое теп­ лового .механизма нелинейности показателя прело.мления в сочетании с интерференци­ ей. Реализован .монои.мпульсный режим работы лазера с использованием в качестве моду­ лятора добротности тонкого плоскопараллельного поглощающего слоя. Энергия моно­ импульсов при этом составляла 1—1,5 Дж при длительностях по полуширине 140—-30 нс соответственно. «Квантовая электроника», 7, № 1 (1980) УДК 535.421 В работе [1] было показано, что для управления лазерным излуче­ нием удобно использовать явление нелинейного отражения света от тонких слоев вблизи предельного угла полного внутреннего отражения (ПВО). В частности, тонкий (порядка нескольких микрометров) поглощающий слой может обеспечить изменение коэффициентов отражения (нронускання) в зависимости от энергии падающего на него излучения практически от о до 1. Это возможно вследствие проявления в таком слое теплового ме­ ханизма нелинейности показателя преломления в сочетании с интерфе­ ренцией. В настоящей работе приводятся результаты экспериментального иссле­ дования коэффициентов отражения тонких поглощающих слоев при воздей­ ствии на них лазерного излучения, а также рассматривается возможность реализации моноимпульсного режима работы лазера с использованием в качестве модулятора добротности тонкого плоскопараллельного поглощаю­ щего слоя. Плоскопараллельный слой представлял собой зазор между двумя стеклянными призмами с показателем преломления П] = 1,74, заполненный раствором хлористого кобальта (СсСП-бН^О) в этиловом спирте {По= = 1,36). Максимум поглощения этого раствора приходится на красную область спектра. Коэффициент поглещеппя К раствора на длине волны излучения рубинового лазера (7=0,694 мкм) изменялся в пределах 20—260 см~^ В синей области спектра слой оставался практически про­ зрачным. Исследовались слои толщиной /г=1,6'— 8 мкм. На рис. 1 при­ ведена зависимость коэффициента отражения такого слоя от утла Р = ао'—а (ао ■— предельный угол ПВО, а — угол падения) для углов падекпя. мень- щих предельного, в случае s-поляризаипп 12]. Схема эксперимента представлена на рис. 2. Импульс рубинового ла­ зера 1 длительностью по полуширине тяэ 20 нс с максимальной плотно­ стью энергии W '= l,l Дж/см", падающий на слой 4 почти кермалыю, на­ гревал его, что приводило к изменению показателя преломления раствора и в конечном счете коэффициента отражения слоя. Длительность и форма моиоимпульса рубинового лазера коптрслирсвались с noNxuibio фотопри- емнпка .3 и скоростного осциллографа, а энергия — калориметром 11. Плот­ ность энергии нагревающего излучения варьировалась введеппем в пучок нейтральных светофильтров 2. Изменение ксз(](1 ипнента отражения погло- 105 Б. Б. Бойко, И. 3. Джилавдари, Г. И. Олефир и др. О 0,005 0 ,0 1 0,015 0 ,1 0,025 р ,р а д Н~1 И=2 0=5 Рнс. 1. Зависимость коэффициента от­ ражения слоя для /-=0,694 мкм от угла P=aQ—а при к/?1~ 6,8 ( / ) и 2,5 (2), Л'=0 (7) и 38 см-1 (2), Пі=1,74 (7) и 1,46 ( 2 ) , «2= 1 ,36. Рис. 2. Схема экспериментальной уста­ новки для исследова)шя коэффициентов отражения тонких поглощающих слоев при воздействии на них лазерного из­ лучения. щающего слоя регистрировалось при помощи луча газового лазера ЛГ-31 (Х=0,44 мкм), зондирующего слой вблизи предельного угла ПВО, фото- приемника 5 и осциллографа. Оптическая система, состоящая из телескопа 13, 7 с 30-кратным уве­ личением, диафрагмы 12, цилиндрической линзы 10 и объектива 9, форми­ ровала в плоскости диафрагмы 8 изображение интерференционной картины отражения слоя (полосы равного наклона). Диафрагма 8 представляла со­ бой щель шириной 80 мкм, что для описываемой системы соответствовало углу 1,2'. Перемещение ее в плоскости изображения позволяло измерять коэффициенты отражения слоя для различных углов падения зондирую­ щего излучения без дополнительной юстировки системы. Импульс излучения лазера ЛГ-31 формировался .модулятором 6 и имел длительность около 4 мс. Генерация рубинового лазера происхо­ дила с задержкой 2—3 мс относительно начала зондирующего импульса. Если показатель преломления слоя во время прохождения зондирующего излучения не изменялся (слой не подвергался нагреву), на экране осцилло­ графа наблюдался импульс (пьедестал), амплитуда которого однозначно определяется величиной начального коэффициента отражения слоя. Если же происходил нагрев слоя, то на фоне пьедестала наблюдался и.мпульс, полярность которого зависела от знака изменения АД начального коэффи­ циента отражения слоя, а амплитуда — от величины АД. Такая методика позволяет фиксировать па одной осциллограмме как значение начального коэффициента отражения Д слоя, так и изменение этого коэффициента АД в процессе нагрева и последующего остывания слоя. В опытах дли­ тельность фронта импульса, соответствующего АД, по уровню 0,9 соста­ вила 100 нс, т. е. была равна полной длительности импульса нагревающе­ го излучения. Время тепловой релаксации слоя =200 — 400 мкс на­ ходится в хорошем соответствии с теоретическими оценками, сделанными по формулам работы [3]. На рис. 3, а представлены результаты измерения коэффициентов отра­ жения слоя толщиной /г/Х=6,8 (Х=0,44 мкм) с коэффициентом поглощения Д=90 см“ Г Измерения проводились при различных углах падения, соот­ ветствующих минимумам начального коэффициента отражения (N — но­ мер минимума Д, отсчитываемый от предельного угла (см. рис. 1)). Как видно из рис. 3, о, изменение коэффициента отражения слоя при одной и той же поверхностной плотности энергии нагревающего излучения суиьественно зависит от номера минимума N . Это связано с тем, что полу­ ширина минимума Аб (см. рнс. 1) начального коэффициента отражения. 106 Нелинейные оптические свойства тонких поглощающих слоев определяемая формулой Аб: тя cos tto sin 2tto ( 1 ) быстро растет с N (вывод (1) аналогичен выводу выражения лля полуши­ рины многолучевых интерференииоиных полос в плоскопараллельной пластине [4]). Так, например, для указанного слоя (/i/?i=6,8) полуши­ рина минимума в случае А = 2 составляет ~ 3', а при Л^=4 — ~ 17'. Зависимость коэффициента отражения слоя от плотности энергии на­ гревающего излучения при фиксированном угле падения а легко понять, если учесть, что с изменением показателя преломления слоя картина, представленная на рис. 1, сдвигается либо влево (при А«2> 0), либо впра­ во (при Ahj^O). Величину сдвига Аа минимумов коэффициента отраже­ ния при изменении можно найти, продифферевнирсвав по п„ выражение для углов падения а, ссстветствуюших этим минимумам [4]: (2/г/Я)]Х^ П2 — «1 sin^a = N, в результате чего получаем А а = ---- пЛп„ у N N (2)h\ X J ' \ X J Расчеты, проведенные по этой формуле для Пі=1,74 и п.,= 1,36. пока­ зали, что величина Аа в довольно широком диапазоне углов практически не зависит ни от толщины слоя, ни от номера минимума N. Это отсутст­ вие зависимости Аа от /г и а (или Л^ ) для слоев толшиной 1,6 — 8 мкы наблюдалось и в эксперименте. Поэтому при сравнении экспериментальных данных для слоев различной тслшины и разных углов падения удобно пользоваться величиной углового сдвига, а не величиной изменения коэф­ фициента отражения. Зависимость Аа от плотности энергии падающего излучения для слоя толщиной /г/Я=6,8 при коэффициенте поглощения /С=90 см~\ получен­ ная из экспериментальных данных (см. рис. 3, о), приведена на рис. 3, б. 107 Б. Б. Бойко, И. 3. Джилавдари, Г. И. Олефир и др. Отклонение экспериментальных результатов от рассчитанных по формуле (2) для yV=2 объясняется тем, что при измерениях hR для минимумов, полуширина которых меньше либо сравнима с угловым размером диафраг­ мы 8 (см. рис. 2; для слоя li/k=6,8 это как раз минимумы с N=1, 2), получаются заниженные результаты. Очевидно, величину углового сдвига Да можно менять, изменяя либо поверхностную плотнось энергии нагревающего излучения, либо коэффи­ циент поглощеиня слоя. Зависимость Да от коэффициента поглощения К раствора при постоянной плотности энергии падающего на слон излу­ чения (IF=0,5 Дж/см") представлена на рис. 3, е. Зависимость коэффициента отражения слоя от поглощенной энергии может быть использована для пассивной модуляции добротности резона­ тора лазера. Деііствйтелыю, помещая такой слой в резонатор под углом, близким к предельному углу ПВО для падающего на слой излучения, можно обеспечить требуемый перепад потерь в системе за счет нагрева слоя самим излучением, формируемым в резонаторе. При этом, однако, надо иметь в виду, что, поскольку оптические характеристики слоя зависят от ряда параметров (показателей преломления слоя и окружающей его среды, коэффициента поглощения слоя и его толщины), при выборе слоя возни­ кает задача оптимизации этих параметров. Для эффективной работы такого слоя в качестве модулятора добротности, с одной стороны, необходимо обес­ печить достаточное изменение Ап о, что может быть достигнуто за счет срав­ нительно большого удельного поглощения слоя {К порядка нескольких сот обратных сантиметров); с другой стороны, для того чтобы потери излу­ чения в системе были невелики, интегральное поглощение в слое должно быть мало, т. е. слои должны быть тонкими. На первый взгляд, выгодно уменьшать толщину слоя и увеличивать его коэффициент поглощения. Однако как то, так и другое возможно до определенных пределов. В частности, увеличение коэффициента поглощения может существенно ухудшить оптические характеристики слоя, так как именно вблизи предельного утла поглощение сказывается наиболее замет­ но. Например, для слоя с /г/>.=6,8 и /C=100cм“ ^ разница между коэф­ фициентами отражения при предельном угле и в первом минимуме вблизи предельного R n ^\ составляет всего 0,36, в то время как для прозрачного слоя = 1- Важно по.лчеркнуть также, что поглощающий слой не может быть сколь угодно тонким. Дело в том, что выбор толщины слоя и соответ­ ствующего угла падения обусловлен тем, что для наибольшего изменения потерь резонатора расходимость генерируемого излучения, очевидно, долж­ на быть меньше полуширины того минимума коэффициента отражения, который отвечает выбранному углу падения излучения на слой. Из (1) вид­ но, что полуширину минимума при заданных Пі Пп можно увеличить, уменьшая толщину слоя. Однако ввиду того, что сдвиг Да при этом оста­ ется практически неизменным, это будет приводить к уменьшению воз­ можных значений AR при lH=const. Поэтому увеличить полуширину ми­ нимума коэффициента отражения без существенного уменьшения величины AR при заданном Апп (и соответственно W) можно лишь выбрав и близкими друг другу, в этом случае одновременно с ростом полуширины Д6 растет и величина сдвига Да (см. (2)). Из этих соображений в опытах по модуляции добротности резонатора рубинового лазера в качестве мате­ риала призм, между которыми заключен поглощающий слой, был выбран кварц (п 1 = 1,46). Схема эксперимента изображена на рис. 4, а. Поглощающий слой 2 {liik=2,5 и /С=38см“ ^ для ?i=0,694 мкм), заключенный между основа- 108 Нелинейные оптические свойства тонких поглощающих слоев Рис. 4. Схема зкспсрименга по модуляции добротности резонатора ( а) и типичная осциллограм.ма моноимпульса (б). нияхш двух кварцевых призм, помещался в резонатор рубинового лазера 3, образованного диэлектрическим зеркалом 1 с коэффициентом отражения 0,99 и плосконараллельной пластиной 4 из стекла К8. Излучение, гене­ рируемое в резонаторе, падало на боковые грани призм под углом Брюсте­ ра. Угол падения излучения на слой соответствовал первому минимуму коэффициента отражения для длины волны излучения Не — Ne-лазера (/.=0,633 мкм), с помощью которого проводилась юстировка всей схемы. Энергия генерации измерялась калориметром 6, временной ход регистри­ ровался с помощью фотоэлемента ФК-09 7 и скоростного осциллографа. Из­ лучение на ФК-09 отводилось пластиной 5. Типичная осциллограмма моноимпульса, генерируемого в такой схе­ ме, представлена на рнс. 4, б. При этом энергия моноимпульсов составля­ ла около 1.5 Дж при длительности по полуширине порядка 30 нс (руби­ новый элемент РЛ 8x120 мм). Изменяя угол падения излучения на слой поворотом призм, можно плавно ггзменять величину начальных потерь резонатора и таким образом управлять энергией и длительностью генерации. Так, при уменьшении угла падения излучения на слой примерно на 2° относительно исходного энергия генерации плавно уменьшалась до 1 Дж, а длительность воз­ растала до 140 нс. Таким образом, тонкие поглощающие слон можно использовать в каче­ стве нелинейных оптических элементов для эффективного управления па­ раметрами лазерного излучения. В частности, реализованные на их основе пассивные модуляторы добротности выгодно отличаются от часто приме­ няемых фототроппых затворов повышенной фотослой костью. Кроме того, на этом принципе сравнительно просто могут быть созданы пассивные за­ творы па любую область спектра. 1. Б. Б. Б о й к о , И. 3. Д ж I I л а в д а р и, Г. И. О л е ф и р, Н. С. П е т р о в . Тезисы ;ц)к.'1. на IX Всссоюз. коиф. по когерентной н нелинейной оптике. Ч. 1. — М., 1978, с. 171. 2. Б. Б. Б о й к о , И. 3. Д ж и л а в д а р и , Н. С. П е т р о в . В кн.: Квантовая электро­ ника и лазерная спектроскопия. — Минск: Наука и техника, 1974, с, 449. 3. ,Л. В. Л ы к о в. Теория теплопроводности. — М.: Высшая школа, 1967. 4. S\ . Б о р и, Э. В о л ь ф. Основы оптики. — М.: Наука, 1973. Институт физики твердого те.ча и по.чупроводннков ЛП БССР, Поступила в редакцию 15 мая 1979 г. В. В. В о i к о, I. Z. D z h i 1 а V с1 а г І, G. I. О 1 е і 1 г, X. S. Р е t - г о V, V. .У. С h е г п у а V S к i i . А Study of Nonlinear Optical Properties of Thin Absorbing Layers in the Vicinity of the Critical Angle of Total Reflection. Results are given of an experimental study into nonlinear optical properties of thin absorbing layers. Л dependence is obtained of the reflectivity of the absorbing plane- parallel layer on the incident radiant energy density for different layer thicknesses and incidence angles. It is sho'.vn that the reflection factor of the thin (in the order of a few microns) absorbing layers may vary within a fairly wide range (practically from 0 to 1) in the vicinity of the critical angle of total reflection. This result is due to the thermal mechanism of the refractive index nonlinearity in combination with the interference. 109