§ 3. Способ селекции лазерных импульсов по длительности

Способ относительного контроля изменения длительности пико- секундных импульсов и их отбора в заданных пределах основан на нелинейном оптическом эффекте генерации второй гармоники. Использование этого метода стало возможным благодаря созданию автоматизированной системы управления и сбора информации в аб­сорбционном спектрометре на базе микропроцессорной техники.

Интенсивность второй гармоники для пучка света с гауссовым профилем в поперечном сечении, если пренебречь истощением и об­ратной реакцией второй гармоники на накачку (коэффициент преоб­

разования во вторую гармонику < 3 %), будет определяться вы­ражением

■ (J^I )

I 8, / П* Лр§ / Ш \« '

^ /

Здесь р₀ — радиус пучка; / — длина кристалла; = — — 2^ — фазовая расстройка; |х₀. е₀ — магнитная и электри­ческая постоянные; со — циклическая частота электромагнит­ной волны излучения второй гармоники лазера; с1_эф — эффектив­ное значение тензора; Р^№ — мощность возбуждающего света; п — показатель преломления.

Временной профиль пикосекундного импульса, получаемого на выходе лазера с самосинхронизацией мод, можно описать функцией Гаусса:

Р{() (III.3.2)

где т — длительность импульса по полувысоте.

Учитывая, что регистрируемая фотоприемниками энергия будет определяться как

Е=Р₀ j exp(—tyT²)dt=--P₀V~nT, (Ш.3.3)

- 00

можно получить следующее соотношение:

М (е*⁰)²

1/2я£²®

где М с учетом (П 1.3.1) определяется из соотношения

М=Р²"!(Р»)². (II 1.3.4)

Таким образом, измеряя величины £^и и Е^2и>, можно контролиро­вать относительное изменение т и вводить отбор по длительности импульса в процессе эксперимента. Соотношение (III.3.4) справед­ливо в том случае, если длительность импульса основной частоты т_ш равна длительности импульса второй гармоники т_2о).

Из приведенных данных можно сделать вывод, что, используя генератор второй гармоники на кристалле дигндрофосфата калия KDP в одномодовом пучке, можно при наличии автоматизированной системы вводить отбор по длительности пикосекундного импульса.

Относительная величина флуктуации энергии зондирующего импульса определяется следующим выражением:

8 UjU_n = (2у + Р) ехр [(- *^г/2т²) (1 - 2jJ)],

где у = б Р₀ /Р₀; Р =

• бт/т; 6т и бР₀ — флуктуации длительно­сти и мощности лазер­ного импульса; t — вре­мя задержки между воз­буждающим и зондирую­щим импульсами [пред­полагают, что Ф (0 =

• б (t)\. Найденная за­висимость показывает, что наибольшее влияние параметров лазерных импульсов сказывается в момент совпадения во времени возбуждающего и зондирующего импуль­сов, а относительная ошибка измерения энер­гии зондирующего им­пульса в большей степе­ни зависит от флуктуа­ции длительности свето­вых импульсов, поэтому отбор по длительности лазерного импульса бу­дет в этом случае более эффективен.

На рис. 42 (/) представлена кинетика выцветания полосы 870 нм в реакционных центрах Rhodopseudomonas sphaeroides, отражающая переход Р₈₇„->- Pho, который протекает за время < 1 пс. Времен­ное разрешение абсорбционного спектрометра для определенной длительности импульса и величины выцветания пропорционально точности измерений. В частности, для достижения временного разрешения в 3 пс необходимо, чтобы относительная ошибка для кинетической кривой не превышала 0,01 по уровню 0,5 от макси­мальной величины изменения оптической плотности.

Рис. 42. Кинетика выцветания полосы 870 нм в реакционных центрах Rhodopseudomonas sphaeroides (1) и зависимости величин абсо­лютной ошибки измерений от временной за­держки между возбуждающим и зондирую­щим импульсами без отбора по длительности (2) и с отбором (3)

Экспериментальные исследования величины абсолютной ошибки при измерении кинетики выцветания в реакционных центрах пока­зывают (рис. 42, 2), что абсолютная ошибка достигает максимума при совпадении во времени возбуждающего и зондирующего им­пульсов, т. е. в тот период времени, когда наиболее сильно сказыва­ются флуктуации длительности световых импульсов. При увеличе­нии задержки между импульсами ошибки в основном определяются флуктуациями интенсивности возбуждающего импульса. Вели­чина ошибки в начале кинетической кривой обусловлена главным образом погрешностями измерительной системы.

Аналогичная зависимость ошибок при наличии отбора по дли­тельности импульсов показана на рис. 42 (3). Видно, что величина ошибок значительно уменьшилась на фронте кинетики выцветания, т. е. когда отклик образца на возбуждающий импульс соизмерим или меньше длительности импульса. В этом случае введение отбора по длительности эффективно повышает точность измерения кинетиче­ской кривой, а следовательно, и временное разрешение спектро­метра.