Задача спектральной селекции, стабилизации и перестройки длины волны генерации лазеров является одной из главных в квантовой электронике и оптике. Для решения указанной задачи в качестве спектрально-селектирующего устройства (ССУ) весьма перспективны ИПФ, поскольку они по сравнению с другими ССУ (призмы, дифракционные решётки, интерферометры Фабри-Перо) обладают многими преимуществами, среди которых главными являются высокая энергетическая эффективность и лучевая прочность, значительные угловые поля, возможность строго контролируемым образом перемещать полосу пропускания по спектру. Специфика позволяет по-новому подходить к разработке принципиальных схем ИПФ. Основная задача обычных, ставших классическими ИПФ, предназначающихся преимущественно для астрофизических исследований, заключается в выделении одной полосы пропусккния при максимально возможном подавлении остальных интерференционных максимумов. При использовании ИПФ в лазерах последнее условие становится необязательным: вследствие порогового характера генерации для полного исключения влияния побочных максимумов требуется лишь относительное их подавление по амплитуде. Эта особенность имеет очень большое значение, так как позволяет исключить из многоступенчатого фильтра некоторые из промежуточных ступеней.
Дальнейшие экспериментальные исследования ИПФ показали, что их применение в целях селекции и перестройки длины волны наиболее эффективно в лазерах с широкими линиями усиления, таких как лазеры на красителях, центрах окраски и неодимовых стёклах.
Возможно использование ИПФ для получения лазера с изменяемым спектральным интервалом между линиями генерации. Такие лазеры необходимы для получения разностных частот методами нелинейной оптики.
Для каскадного преобразования длины волны излучения неодимового лазера (1060 нм) во вторую (530 нм), третью (353 нм) и четвёртую (265 нм) гармоники необходима воспроизводимость длины волны излучения задающего генератора от вспышки к вспышке не хуже 0,1 спектрального интервала, в пределах которого КПД преобразования в гармонику изменяется от максимального до нуля вследствие нарушения условия синхронизма. Нестабильность мощности четвёртой гармоники неодимового лазера не превышала 10 %, если воспроизводимость длины волны излучения ЗГ имеет порядок 5 нм.
Показана эффективность использования термокомпенсированного ИПФ в резонаторе неодимового лазера для стабилизации длины волны излучения. При изменении температуры окружающей среды от 20 до 40 нестабильность длины волны излучения была не более 0,0005 нм. Ширина линии излучения при этом была равна 0,001 нм. ИПФ содержал две термокомпенсированные пары кристаллов исландский шпат – KDP: Lazernyi_termokompensirovannyi_IPF.pdf
Использование частичных поляризаторов позволяет повысить селектирующую способность ИПФ. При этом можно реализовать отношение области дисперсии к полуширине полосы пропускания до 15…20 (вместо 2 с совершенными линейными поляризаторами). Повышение селектирующей способности ИПФ значительно улучшает точность и расширяет диапазон перестройки частоты генерации лазера. Роль частичных поляризаторов выполняют брюстеровские поверхности активных элементов, кювет, стеклянных пластин.
Одним из конструктивных решений ИПФ с частичными поляризаторами является стопа двупреломляющих кристаллических пластин, наклонённых под углом Брюстера.
В ещё большей степени возможности ИПФ раскрылись в лазерах на красителях. Широкая полоса усиления активной среды таких лазеров позволяет генерировать перестраиваемое по длине волны излучение в непрерывном режиме или в виде последовательности импульсов. При этом характер излучения во многом определяется источником накачки.
Исследовалась работа лазера на красителе родамин 6Ж с многоэлементным ИПФ брюстеровского типа. Накачка лазера осуществлялась поляризованным излучением второй гармоники моноимпульсного лазера на неодимовом стекле. Толщины кристаллических пластин ИПФ были выбраны таким образом, чтобы расстояние между соседними максимумами пропускания ИПФ было порядка ширины линии генерации лазера без селектора в резонаторе. В данном случае дисперсия фильтра была равна 11 нм, а полуширина максимума пропускания составила величину 0,68 нм на длине волны 569 нм. Материал двупреломляющих пластин – кристаллический кварц. Пластины вырезаны параллельно кристаллооптической оси z. Толщины пластин находились в отношении 1:2:4:8. Толщина самой тонкой пластины 2,909 мм. Для увеличения степени поляризации излучения между двупреломляющих пластин, а также на входе и выходе ИПФ введены по две стеклянные пластины, установленные тоже под углом Брюстера. Наблюдалось существенное сужение спектра генерации лазера с 12 нм без селектора до 0,22 нм при использовании ИПФ. Была получена плавная перестройка длины волны генерации лазера в пределах 14 нм путём согласованного поворота всех пластин вокруг нормали к их поверхностям. При этом ширина линии генерации не изменялась. Энергия генерации лазера без ИПФ составила 0,5 Дж, а с ИПФ – 0,25 Дж. При использовании для селекции частот ИПФ наблюдалось увеличение площади области с высокой пространственной когерентностью приблизительно в 5 раз, по сравнению с использованием в качестве селектора дифракционной решётки. Это очень важно с точки зрения использования лазера в цветной голографии.
Управление спектральным составом излучения генерации лазера с помощью внутрирезонаторных спектрально-селективных устройств без существенной потери энергии является актуальной задачей. Приведены результаты исследования возможности концентрации энергии излучения генерации жидкостных лазеров на основе красителей с импульсной ламповой накачкой в достаточно узких спектральных линиях без существенных энергетических потерь. Был изготовлен пятиэлементный ИПФ из пластин кристаллического кварца и исландского шпата, наклонённых под углом Брюстера к оси резонатора лазера. Толщины пластин были выбраны такими, чтобы интервал между соседними максимумами пропускания ИПФ несколько превышал ширину линии усиления красителя и был равен 48 нм, а полуширина максимума пропускания составляла 0,375 нм при длине волны 581 нм. Пластины вырезаны параллельно оптической оси кристалла. Отношение дисперсий последовательных элементов ИПФ составляло 1:2:4:8:64. Толщина самой тонкой кварцевой пластины была равна 0,727 мм, а шпатовой – 2,474 мм. Спектральная область излучения генерации без ИПФ была равна 10 нм с центром в области 590 нм. Введение в резонатор лазера ИПФ сопровождалось понижением энергии излучения генерации со 100 до 60 мДж и сужением спектральной области излучения до 0,005 нм. Это излучение было использовано для записи голограмм во встречных пучках при глубине голографируемой сцены 3,5 см, что соответствует длине когерентности 7 см. Была получена плавная перестройка длины волны генерации лазера в пределах 575…612 нм путём синхронного поворота двулучепреломляющих пластин вокруг нормали к их поверхностям. Угол между плоскостью падения излучения на кристаллические пластины и плоскостью, содержащей оптическую ось и нормаль к поверхности пластины, изменялся от 39 до 51 Коэффициент перестройки полосы пропускания ИПФ составил 3 нм/град. Результаты исследований показали, что получено сужение ширины спектра генерации (по минимальной оценке) в 2000 раз и при понижении энергии генерации менее чем в 2 раза.
Описан селектирующий элемент на основе ИПФ для лазера ЛЖИ – 402. Фильтр позволил сузить спектр лазерного излучения от 10 до 0,015 нм и плавно перестраивать его в пределах 20 нм. Параметры первой части ИПФ: материал – кристаллический кварц, число пластин – 4, толщина пластин – 2 мм. Ширина спектра лазерного излучения при этом составила 0,2 нм. Параметры второй части ИПФ: материал – исландский шпат, число пластин – 2, толщина пластин – 1,44 мм. Ширина спектра лазерного излучения при этом 0,015 нм. При одинаковой ширине спектра потери, вносимые ИПФ, примерно в 5…10 раз меньше, чем вносимые эталоном Фабри – Перо.