Динамика импульсных лазеров с электрооптическим управлением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

?го од

- АИР 159'/

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию Волгоградский Государственный Университет

На правах рукописи УДК 621.373.826

АНИКЕЕВ Борис Васильевич

ДИНАМИКА ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ С ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ

[01.04.ОБ — ОПТИКА]

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук

ВОЛГОГРАД, 1994 год

Работа выполнена в лаборатории квантовой электроники Н1 Волгоградского государственного университета.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических, наук, профессор П.П. Пашинин доктор физико-математических наук, профессор С.Г.Одулов доктор физико-математических наук, профессор Л.А.Мельников

Ведущая организация: Институт полупроводников АН Украины Сг. Киев)

Защита диссертации состоится ЛПР9ЛЯ 2994 г. в 1530 на заседании специализированного Совета СД.063.74.01) по оптик и радиофизике при СГУ им. Н. Г. Черншевского по адресу:

410071. Саратов. Астраханская 83, физический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ. Автореферат разослан А/АРГ4 19д4г.

Ученый секретарь специализированного Совета ^ канд. физ.-мат. наук

I

Ш

^ В. М. Аникин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа относится по содержанию к физике лазеров, в частности, к динамике генерации импульсных твердотельных лазеров с оптической накачкой и развивает модельные представления для лазеров с электрооптическим управлением.

Актуальность проведенных исследований определяется актуальностью создания нового поколения импульсных лазеров с расширением функциональных возможностей и автоматизацией управления параметрами лазерных импульсов. В настоящее время импульсные лазеры используются для широчайшего круга задач и в каждом случае требования к ним специфичны.Существующие методы формирования лазерных импульсов допускают перестройку некоторых их параметров, например,длительности. Однако, это осуществляется только в узком, определяемом динамикой лазера для соответствующего метода диапазоне значений. Современные же требования к импульсным лазерам возросли. Актуальны лазеры с перестройкой, во-первых,в более широких диапазонах значений параметров, во-вторых, автоматическим образом и, в-третьих,перечисленное должно достигаться средствами, простота которых гарантирует промышленное тиразшрование таких лазеров.

Наиболее удовлетворяют этому электрооптические методы управления,* в связи с чем и были предприняты в реферируемой работе исследования динамики генерации для пикосекундного и'микро- миллисе-кундного диапазонов. Причем изначально было установлено, что наиболее популярные в настоящее время электрооптические кристаллы

р _

БКБР при комнатной температуре начиная с энергии 4-6 Дж/см пропускаемого излучения обладают достаточно сильными фоторефрэктиЕными свойствами при комнатной температуре.Поэтому особо актуальным оказался вопрос о влиянии такой фоторефракции на свойства электрооп-

тических ячеек и, следовательно, на динамику генерации лазера.

Общеизвестно, что лазеры пикосекундного диапазона пока не приобрели достойного своего прикладного значения. Наиболее серьезные причины для этого - низкие энергетические характеристики лазеров этого диапазона и нетехнологичность их конструкций, определяемая принципами действия существующих пикосекундных лазеров.Имеются также проблемы воспроизводимости и стабильности параметров их излучения. Б этом плане неоднократно обсуждался вопрос о формировании в лазерах с периодической модуляцией добротности еолноеых образований, называемых "суперкодами". Это собственные значения решений уравнений генерации для поля в лазере, в котором на импульс одновременно действует периодическая (резонансная или квазирезонансная) модуляция добротности и узкополосное усиление. Т.е. ото сложные по частотному составу моды "горячего" резонатора с периодической' модуляцией добротности. До сих пор в эксперименте существование супермод прямого подтверждения не получило. Сейчас установлен факт генерации супермод для лазеров с кратковременной периодической модуляцией потерь (КПШ) [1] и, более того, модель супермод оказалась единственной объясняющей всю имеющуюся совокупность физических данных по режиму генерации КПМП-лазеров.Если принять вс внимание,что они являются единственными ьисокоэнергетическимилазера,'vhi пикосекундного диапазона и весьма технологичны по конструкции то исследования по супермодам этого лазера представляются также актуальными.

Целью работы является выяснение динамики лазера с обладающей линейной фоторефракцией электрооптической ячейкой в резонаторе ъ различных, охватывающих диапазон от 5.10~11с до 10~3с режимах генерации для создания методов управления длительностью Еысокоэнер-гетических импульсов в таком расширенном диапазоне длительностей.

Предметом теоретических исследований являются модели лазера с

электрооптической отрицательной обратной связью (00С) с учетом фоторефракции и интегрирования в цепях обратной связи, а также лазера в режиме генерации нестационарных супермод.

Предметом экспериментальных исследований являются лазеры с электрооптическими ячейками в резонаторе в режимах ООО и КПМП на наиболее распространенных активных средах: рубине, алюмоиттриевом гранате, алюминате иттрия и неодимовом стекле.

Т.е.:

1. Феноменологическая модель фоторефракции в Ш)Р, приводящая к уравнению фоторефрактивного процесса. Основывается на известном уравнении для эффекта при фотовольтаическом механизме.

Основной интерес связан с установлением количественных данных о фоторефракции в расчете на одну элементарную приводящую к фоторефракции ячейку в среде (например, примесный центр с электронным возбуждением).

2. Дислокационная модель фоторефракции. Основывается на изве-.стных данных по дислокациям в кристаллах и прозрачных диэлектриках.

Основной интерес сосредоточен на установлении деталей элементарного возбуждения, приводящего к трем сопровождающим фоторефракцию процессам: медленнорелаксирующему, быстрорелаксирующему и акустическому.

3. Одномерная модель лазера с безынерционной 00С и фоторефра-ктивной ячейкой в резонаторе. Описывается стандартными уравнениями генерации лазера плюс уравнение линейной фоторефракции:

и = С т [ п - Н (кт-Г)-сЫ;

п = V/ - п ( ш + 1 ); (1 )

Г = - Г.Аф + Сф ( т - т0 ). Здесь использованы заимствованные в [2] безразмерные переменные для квадратичных величин, причем ш - число фотонов, п - инверсия, VI - накачка, б - параметр лазера, Н и й - параметры, связанные с

резонатором, Г - описывающая фоторефрактивные изменения в электро оптическом элементе переменная, ш0- порог фоторефракции, Тф и Сф время релаксации фоторефракции и ее постоянная соответственно, к коэффициент отрицательной обратной связи.

Основной интерес сосредоточен на определении стандартными дл автономной системы обыкновенных дифференциальных уравнений метода ми границы устойчивости генерации лазера.

4. Одномерная модель лазера с интегрирующей ООО и фоторефрак тивной ячейкой в резонаторе. Описывается стандартными уравнениям генерации лазера плюс уравнения фоторефракции (1) и уравнением дл сигнала в цепи обратной связи: М

М = —■=- + т , (2

1с

где М - амплитуда сигнала в цепи обратной связи, т - постоянна его интегрирования.

Основной интерес сосредоточен на нахождении стандартными дл, автономной системы обыкновенных дифференциальных уравнений метода ми параметров полосы устойчивости генерации и ее зависимость о параметров фоторефракции.

. 4. Одномерная модель лазера в режиме генерации нестационарны: супермод. Построена на основе самосогласованного уравнения для ам плитуды импульса в лазерном резонаторе, учитывающего одновременна действие элементарных процессов: сужения импульса в результат! многократной амплитудной модуляции и его расширения в результат! усиления в среде с гауссовской формой линии:

X

§пРа"(г)+1 ^--] а' (т)= ( 7 + - ~ 1 ~ §п

<д,2 I Ш1 -пСс+в) ] I тКрв)

а(г), (3

где X - усиление импульса за один обход резонатора, ^ - усилеши в максимуме линии усиления для п-й супермоды, и1 - полуширина ли нш, а - амплитуда супермоды, т] - функция модуляции, -в - отстройк;

периода модуляции от аксиального, 9 - отстройка периода следования импульсов от аксиального, 7 - коэффициент потерь.

Основной интерес заключается в установлении параметров супер-мод в условиях линейного и нелинейного этапов генерации,расстройки межмодовой и модуляционной частот и относительного превышения усилением пассивных потерь в резонаторе.

5. Хорошо изученные в базовых режимах - режиме свободной генерации,режиме гигантского импульса и режимах активной и пассивной синхронизации мод стандартные лазеры с' плоскими резонаторами на основе однородноуширенных и неоднородноуширеншх твердотельных активных сред, в которые помещены электрооптические ячейки Поккельса.

Для всех исследованных лазеров является общим их оптическая схема. Основной интерес в лазерах с отрицательной обратной связью заключен в определении взаимосвязи фоторефракции в управляющем элементе с местоположением полосы устойчивости,а также условия автоматизации моноимпульсного лазера с активной электрооптической фоторефрзктивной ячейкой в цепи обратной связи. Основной интерес в экспериментальных исследованиях по лазерам субнаносекундного диапазона сосредоточен на доказательстве возбуждения в режиме КПМП генерации супермод и доказательстве реальности воспроизведения режима в известных типах активных сред оптического диапазона.

Научная новизна:

В работах, обобщением которых является насто,<Яцая диссертация автором впервые получены следующие научные результаты:

Выполнены исследования параметров высокотемпературной фоторефракции в БКВР. Установлен многокомпонентный состав фоторефракции. Эффект состоит по крайней мере из трех взаимозависимых компонент: медленной, быстрорелаксирующей и акустической. Исследованиями установлено, что первично эффект определяется медленной компонентой. Быстрорелансирующая возникает на фоне медленной. Акустическая сво-

им происхождением обязана быстрой компоненте. Установлены времен

релаксации компонент, временные параметры процесса возбуждения фс

торефракции. Предложены две модели фоторефрактивного процесса.

Установлено, что причиной осцилляций мощности в лазере с эле

ктрооптической 00С является изменение оптических анизотропных свс

йств подвергшегося облучению кристалла, т.е. фоторефракция. Эт

проявляется с определенного порогового значения энергии пропускав

мого через кристалл лазерного импульса.

Обнаружен и проанализирован переходной процесс в охваченно

00С электрооптической ячейке. Показано отличие реальной модулирук

щей функции ячейки от обычно используемой. Найдены области параме

тров, соответствующие максимальной эффективности работы ячейки

00С. Найдены условия аппроксимации реальной модуляционной функци

ячейки линейным приближением.

Предложен способ осуществления ООО в импульсном лазере чере

необыкновенную компоненту выходящего из электрооптического затвор

1

излучения. Показана большая эффективность этой схемы по сравнени с ООО через обыкновенную компоненту.

Выполнен анализ условий устойчивости для лазера с интегрирую щей ООС в приближении линейной фоторефракции в управляющей элект рооптической ячейке. Показано, что в достаточно широком диапазон значений времени интегрирования настройка параметров на моноиыпу льсный режишгенерации имеет характер подобный резонансному.

Разработана оригинальная быстродействующая (до 2.10_8с), об ладающая высоким коэффициентом обратной связи электроника, позво ляющая формировать моноимпульсы генерации с точностью временно привязки фронта импульса генерации до ±5 мкс, а спада порядка ±

МКС.

Предложена модель нестационарных супермод для описания дина мики генерации лазера с КПМП. Факт генерации супермод этим лазеро.

подтвержден прямым численным экспериментом. Получено экспериментальное подтверждение возбуждения НС по совпадению статистики числа полос в интегральном спектре генерации с расчетной статистикой НС. Предложен метод спектроскопии нестационарных супермод по интегральному спектру генерации.

Осуществлен режим КПМП в лазерах на алюминате иттрия и неоди— мовом стекле.

Предложен принцип лазера с широкодиапазонной перестройкой длительности от пикосекундного до миллисекундного диапазонов.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований фоторефракции в параэлектрике БКБР.

2. Феноменологическая и дислокационные модели фоторефракции в параэлектрике БКБР.

3. Теоретическая модель лазера с отрицательной интегрирующей обратной связью и с линейной фоторефракцией во внутрирезонаторном электрооптическом модуляторе потерь.

4. Результаты экспериментальных исследований условий моноимпульсной генерации лазера с интегрирующей 00С через управляющую обладающую фоторефракцией электрооптическую ячейку.

5. Теоретическая модель нестационарных супермод для линейного этапа генерации лазера с КПМП.

6. Результаты численных исследований режима генерации супермод _в лазере с КПМП.

7. Результаты экспериментальных исследований режима генерации супермод в лазере с КПМП.

Практическая значимость.

Широкое использование импульсного лазерного инструмента в технологиях машиностроения, приборостроения СЗ], микроэлектроники, химии и др. ставит перед разрабатываемыми лазерными системами но-

Еые требования в отношении стабильности, воспроизводимости генер руемых лазерами импульсов, их энергетических характеристик, степ ни автоматизации управления лазерами и, вообще, управляемости п раметрами импульсов в возможно более широких пределах, технологи ности самих лазерных устройств, их надежности при эксплуатации неблагоприятных условиях. На основе полученных в диссертации нов: данных по динамике лазеров с электрооптичес^им управлением возмо: на разработка принципиально новых автоматизированных лазерных си< тем с перестройкой режимов генерации импульсов даоульных энерп от режима КПМП до стабилизированного по мощности электрооптическс 00С режима свободной генерации. Разработанные методы обеспечива} повышенную стабильность и воспроизводимость параметров,а тагаке же сткую временную привязку импульсов к внешним процессам.

Экспериментальные данные по режиму генерации супермод в лазе ре с КПМП составляют физические основы для дальнейшей разработ! автоматизированных лазеров этого типа с широким спектром параме1] ров. .

Совокупность данных по лазерам с электрооптической 00С, резс натор которых содержит обладающие фоторефракцией элементы, состэе ляет физические основы для дальнейшего совершенствования моноимпу льсных лазеров микро-миллисекундного диапазона и создания новых V, образцов с автоматизированным управлением.

Эта же совокупность составляет физические основы нового мета да внутрирезонаторной спектроскопии фоторефрактивного эффекта. Ме тод допускает также спектроскопию нелинейнооптических свойств ши рокого класса материалов.

Полученные данные по новому виду фоторефрактивного эффекта

БКБР не исключают возможности создания нового типа регистрируйте

среды для динамической голографии.Причем среды с крайне малым вре

—6

менем релаксации - порядка 10 с.

Предложенная модель режима генерации нестационарных супермод может быть обобщена на режим непрерывной накачки. Следующие из этого обобщения выводы могут быть использованы при анализе работы лазеров со стационарной периодической модуляцией потерь и при поиске новых режимов генерации стационарных по параметрам импульсов пикосекундного диапазона.

Полученная совокупность данных по всем исследованным режимам лазера с электрооптическим управлением может быть полезна для создания экспериментальных установок, в которых можно моделировать переходы "порядок - димамический хаос", обратный переход и переход "хаос - порядок".

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих международных, всесоюзных и региональных научных конференциях, симпозиумах и семинарах:

Всесоюзной конференции "Физика и технология тонких пленок", Ивано-Франковск (1984), Международной конференции "Аморфные полупроводники - 84",Болгария, Габрово (1984), V-th International Simphosium on the Photorefractlon Medium, Topical Meeting on PRM"93, Kiev (1993), Всесоюзной конференции по голографии, Витебск (1990), Международной конференции по КиНО, С.Петербург (1991), Всесоюзном семинаре "Динамические и флуктуационные процессы в лазерах и лазерных системах", Москва, ВДНХ СССР (1989), Всесоюзном научном семинаре "Метрология лазерных измерительных систем", Волгоград, ВолГУ

(1991), I, II, III, IV Нижневолжских научных семинарах "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве", Волгоград, ВолГУ (1989-1992), Совещании "Высокочастотный разряд в волновых полях и ВЧ накачка газовых лазеров, Ташкент, ТашГУ

(1992), научных семинарах ИФ и ИЭФ АН Украины, Института монокрис-

- 12 -

таллов (Харьков), С.-П-ОУ, СГУ и других организаций.

Публикации.

Основные материалы диссертации опубликованы в 49 работах, б< лее половины опубликовано в центральных и зарубежных научных изд; ниях. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце эет< реферата.

Структура работы.

Диссертация состоит из Введения, шести Глав и Заключения (3< страниц основного текста). На 106 стр. размещены 115 рисунков таблица, список цитируемой литературы включает 263 библиографичес ких ссылки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В данной диссертации изложены результаты проведенных авторо разнообразных исследований прежде, всего экспериментального плана которые объединены общим методом воздействия на добротность резо натора. Работа состоит из 8 разделов - Введения, шести Глав и Зак лючения.

В Главе 2 сделан краткий обзор современных методов осуществ ления различных режимов генерации импульсных лазеров, соответствующих трем основным временным диапазонам - микро-миллисекундном: (п.2.1), наносекундному (п.2.1.2), пикосекундному (п.2.2) и субна-носекундному (п.2.3). Кратко охарактеризованы используемые в настоящее время модельные представления. Отмечены максимальные сейчас достигнутые параметры генерации в этих режимах.Отмечены проблемные вопросы импульсных лазеров, которые в настоящее- Еремя или плохс изучены, или не изучены вовсе, и которые в соответствии с выполненными работами по диссертации можно считать выясненными (п.2.4).

Б Главе 3 представлены материалы исследования фоторефрактпв-ного эффекта в кристаллических элементах из БКВР при комнатной те-шературе. Он бал впервые обнаружен автором с коллегами в ходе экспериментов по электрооптическому управлению работой миллисекунд-ного лазера.Как известно, данный кристалл остается сейчас наиболее популярным материалом для создания ячеек- Поккельса вследствие относительной отработанности технологии выращивания.-Он используется и для реализации ряда нелинейно-оптических: эффектов. Обнаруженная фоторефракция столь ощутимо меняет свойства кристаллической ячейки по отношению к распространяющемуся излучению(п.3.1), что ее учет просто обязателен при анализе работы лазера в каком-либо из режимов.Дело в том,что фоторефракция сильно искажает модуляционные свойства ячеек на основе этих электрооптических кристаллов. На рис.1 в качестве примера приведены графики пропускания ячейки Поккельса для маломощного излучения Не-Не-лазера (кривая II) и работающего в режиме свободной генерации неодимового стеклянного лазе-

о

5

Ц.кВ

Рис.1.

ра (кривая I) с энергией импульса выше порога фоторефракцик (4-6; /см 2).Видно, что фоторефракцня фактически уничтожает модулирующ сеойстеэ ячейки. Повидимому, могло отдать аналогичных эффектов при использовании данного материала в нелинейно-оптических устрэ? ствах. В ГлаЕе описаны методики (п.3.5) и экспериментальные устг новки, на которых получены данные по фоторефракции (п.3.5.1,2).Ис следованы: кинетика фоторефракции (п.3.6), амплитудные и временны характеристики этой высокотемпературной фоторефракции для двух е компонент - быстрой (со временем релаксации 10~6с,п.3.7) и медлен ной (с временем релаксации 2.Ю-'с, п.3.8). Исследован сопровожда ющий фоторефракцию' акустический процесс (п.3.10). Проведен анали модобого состава акустических возбуждений в том числе и с учето типа возбуждающихся волн - сдвиговых и поверхностных.Эксперимента льно обнаружена сильная связь между ними для низших мод кристалла ческого образца. Систематизированы приводящие к фоторефракции фи зические процессы (п.3.1). Для описания ВТФР предложены феноменологическая (п.3.2) и дислокационная (п.3.3) модели. В своей совокупности эти модели хорошо согласуются с имеющимся кругом экспериментальных данных по ВТФР. В п.3.9 рассмотрены возможные метод; компенсации влияния быстрой компоненты фоторефракции на кинетик; лазера в том случае, если эффект является паразитным.

Глава 4 посвящена стабилизированным по мощности ООО лазера,^ милли-микросекундного диапазона. Практически во всех реализованные ранее в экспериментах схемах ООС-лазеров обратная связь охватывав'! только электрооптическую ячейку, а затем уже этот агрегат входит I лазер как составная его часть. Для такой системы впервые сделав анализ модулирующих свойств охваченной внешней 00С электрооптической ячейки. Определены условия ее устойчивости и возможности представления в качестве линейного амплитудного модулятора (п.4.1). Предложена для описания кинетики лазера одномерная система уравне-

ний генерации ООС-лазера, в которой свойства ВТФР в электрооптическом модуляторе линейны ( п.4.3) и учтено интегрирование в цепях электроники ООО(п.4.4) (2). Исследования этой системы показал::,что лазер с фоторефрактивной ячейкой и интегрированием в цепи ООО обладает подобной резонансной настройкой коэффициента 00С на моноим-пульсний резким при заданных средней мощности генерации и параметрах фоторефракции. Обнаружено, что острота резонанса тем больше, чем больше постоянная интегрирования. Данный результат подтвержден численным (п.4.4) и физическим (п.4.7) экспериментами. Пользуясь этим обстоятельством предложен новый метод внутрирезонаторной лазерной ООС-спектроскопии фоторефракции и других: нелинейнооптичес-ких эффектов (п.4.7).

Ранее [4] для ООС-лазеров было проведено исследование влияния временных задержек сигнала в цепи 00С на устойчивость генерации. . Но для организации стабильного квазинепрерыБного режима генерации помимо минимума задержи также необходимо повышение быстродействия схем ООО путем уменьшения постоянной интегрирования. Нашими экспериментами установлено, что быстродействие должно быть сравнимо с временем обхода волной резонатора (п.4.5).Предложена и исследована оригинальная схема управляющей электроники для ООС-лазеров (п.4.5). В этой же Главе изложены экспериментальные данные по режимам генерации и условиям ее моноимпульсного характера для нескольких являющихся классическими твердотельных активных сред с импульсной оптической накачкой (п.4.5.1-4) - рубине, алюмоиттриевом гранате, алюминате иттрия и неодимовом стекле. Полученные данные хорошо согласуются с предлозкенной аналитической моделью ООС-лазера. Продемонстрирована возможность использования акустической ветви фоторефракции для создания простой и надежной техники организации импу-льснопериодического реэшма генерации в лазерах с непрерывной и квазинепрерыЕШй накачкой (п.4.11). В качестве побочного результа-

та экспериментально продемонстрирована возможность переключеш электроники разработанного в процессе работы ООС-лззера для оргг кизации ыногоимпульсного режима с программируемым расстоянием мел ду импульсами наносекундной длительности (4.12). С помощью внутри резонаторных исследований параметров фоторефракции получены допол нительно к данным Главы 3 сведения о блиянии на кинетику лазер акустической компоненты (п.4.6), быстрой (п.4.7) и медленной (п.4 8) компонент. Опробована оригинальная схема 00С по необыкновенном лучу в электрооптическом затворе (п.4.9). Обсуждены вопросы авто матизации лазеров с электрооптической 00С (п.4.10).

Б Главе 5 предложена к исследована основанная на самосогласова нном уравнении для поля в резонаторе лазера на линейном этапе генерации (3) модель. Оно приводит к уравнению Шредингера для этоп этапа генерации КШП-лазера „ d2

guH — 1(1) - q(i)f (т) = -Е Г(J), (4)

решением которого е рамках БКБ-ирибликения является:

t

rn(t) = С pn(t)4= cos { Xpn(t') at'- 1C/4 }, (5)

1/ТС „Г pn(t)dt = n + 1/2, n = 0,1,2... (6)

Zn1

В (4) аналогом полной энергии будет

3

En=¡gn+1; (7)

потенциальной

АлЗ х

q (t,e,i3) « -3---+ 7 + - , (3)

n 4gnrj (т+9) 2тц'т+в) Г|(т+Э)'

причем

pn(t) = I ^ - qn(t)>/gn]V2 , Pn(xn1) = pn(xn2) = 0. (9) Собственные значения уравнения (4) í и являются по определению

супермодами (п.5.1). Был проведен анализ одномерной аналитической модели генерации на линейном этапе ее развития при глубокой резонансной (п.5.ЗУ и нерезонансной (п.5.4) модуляции потерь резонатора. Попутно для сравнения проведен относительно простой анализ условий формирования супермод в режиме стационарной накачки (пп.5.2, 4). Установлено, что модель нестационарных супермод удачно подходит для описания физики процесса генерации лазера с кратковременной периодической модуляцией потерь (КПМП) для наносекундного и пикосекундного диапазонов. Впервые этот лазер был опробован для рубина и тогда же были исследованы основные его характеристики [51. В данной диссертации в отличие от проведенных ранее исследований автор использует КПМП как пока единственно доступный инструмент для изучения режима генерации супермод в лазере на твердотельной активной среде (см. Главу 7). Условия для возбуждения супермод не только низших порядков, но и доходящих по номеру до 15 определены впервые в нестационарном режиме генерации лазера при 100%-ной резонансной или квазирезонансной модуляции потерь (п.5.6). Показано, что вообще режим генерации лазера с КПМП является режимом генерации нестационарных супермод(НС), и поэтому его теория основывается на динамике супермод нестационарного лазера. Исследованы режимы генерации НС при различных: добротности резонатора, усиления активной среды и расстроГшах частоты модуляции относительно межмодовой. Определены условия селекции нулевой супермоды (п.5.6). Обсужден предельный переход к режиму активной синхронизации мод (п.5.7), причем установлено, что он соответствует двум ситуациям. В первой из них суммарный импульс состоит из множества одновременно генерирующих НС и, перекрываясь, они образуют бесструктурный импульс. Формирование профиля этого импульса соответствует режиму активной синхронизации френелевских мод. Второй сценарий синхронизации мод реализуется, когда усиление является величиной, меньшей порога ге-

нерации максимально добротной нулевой НС. Тогда в пределе длительной модуляции при стационарной накачке формируется импульсная последовательность, которая также может описываться моделью активно! синхронизации мод. В этой же- Главе рассмотрен возникающий при активной синхронизации мод эффект 00С (п.5.8) и обсуждено влияние спонтанного шума на резким'генерации супермод (п.5.9).

Вышеупомянутая аналитическая модель НС была эффективно проверена в численном эксперименте в режиме КШ/Л.Результаты его изложены в Главе 6. Эксперимент проведен с разработанной на осноЕе также одномерного разностного уравнения для линейного этапа генерацш численной моделью с учетом узкополосного усиления и непрерывно поступающего б резонатор спонтанного шума (п.6.2). В модели учтень все воздействующие на импульс генерации процессы, использованные для построения аналитической модели в Главе 5. Обнаружено хорошее соответствие результатов данным ГлаЕЫ 5,что подтверждает факт возбуждения НС при КПМП. На рис.2 показаны профили импульсов излучения, которые в работе были идентифицированы как нестационарные су-

• 1000 (Thtssonds)

I ! i I ! ЬГЛЧ

!

/

/

-ю5 (TKov ¡tends)

м 1 - "7П

14 1 J

I1

I \

1б0 180 200 220 240 2eq 280 300 320 340 360 380 400 jga 200 220 240 26g 280 300 320 340 3£0 330 400

1D0 xt/T

Рис.2.

периоды. На рис.2а после 21 прохода импульса по резонатору сформирована НС 5-го порядка, а на рис.26 после 70 проходов - нулевая. Представляя богатые возможности по моделированию процесса генера-

ции КПШ-лазера в-различных режимах численный эксперимент впервые дал сведения по таким уникальным свойствам КШП-лазерэв, как бысс-кая воспроизводимость профиля импульсов (п.6.6), точность их временной привязки к внешнему управляющему электрическому сигналу (п.6.7) и широкий диапазон возможных накачек (усиления)(п.6.3). Проанализировано влияние добротности резонатора (п.6.5) и расстройки частоты модуляции потерь относительно межмодового интервала (п.6.4) на процесс развития супермод. Создана численная модель нелинейного этапа генерации КПШ-лазера (п.6.9). Создан объединенный комплекс программ для моделирования всего процесса генерации,включая линейный и нелинейный этапы. Было обнаружено, что на нелинейном этапе происходит своеобразная "селекция" низших типов НС. Для отселектировзнных НС характерно перераспределение энергии между максимумами интенсивности в пользу передних выбросов. На основе полученных данных определены условия формирования предельно коротких для КПШ-лазера импульсов пикосекундного диапазона (п.6.10). Причем несмотря на кратковременность модуляции и процесса генерации импульсов предел длительности почти достигает известного "соотношения неопределенности". Обсуждены вопросы автоматизации КПМП-лазеров (п.6.11).

В Главе 7 изложены результаты экспериментов по условиям формирования НС. Впервые предложены и продемонстрированы экспериментальные КПМП-лазеры на традиционных твердотельных активных средах: розовом синтетическом рубине (п.7.2.1) с резонаторами различной добротности, алюминате иттрия с Ш3+(п.7.2.2) и неодимовом стекле (п.7.3). Управляющая режимом генерации электроника установок построена на той же элементной базе, что и для ООС-лазеров (п.7.2). На основе данных численных экспериментов получены зависимости параметров импульсов генерации от времени модуляции потерь и расстройки (п.7.4), по воспроизводимости параметров генерации в различных ре-

кгмах генерации и формирования импульсного цуга из спонтанного шума (п.7.5), по точности временной привязки импульсоЕ к процессам е системе электронного управления КПМП-лазером (п.7.6). Данные эксперименты были поставлены б согласии с численными экспериментам!!. Сравнение результатов обнаружило хорошее их соответствие, что делает реальной основанную кз численном прогнозировании параметров генерации автоматизацию КЕКП-лазеров. Представлены результаты экспериментов по определению влияния величины добротности резонатора лазера и расстройки модуляционной и мекмодовой частот на основные характеристики импульсов генерации(п.7.8). Сделаны эксперименты по определению влияния временной задержи в электрооптическом затворе на резким генерации импульсов (п.7.7). Его результаты сравнены с численным экспериментом. Б отличие от аналогичных, полученных для лазера с синхронизацией мод данных обнаружено, что в режиме КПМГ задержка не приводит к укорочению импульсов, а, наоборот, ухудшает их параметры.

Впервые бал выполнен эксперимент по определению состава НС £ излучении КПМП-лазера. Его идея базируется на обнаруженном ранее автором эффекте регуляризации структуры интегрального,спектра генерации в режиме КПМП [6]. Численно параметры этой структуры соответствуют Еремэнным параметрам НС. Для доказательства факта генерации последних проведено сравнение даваемой численной модель» статистики их состава в результирующем импульсе генерации со статистикой состава регулярных полос в интегральном спектре (п.7.8). Согласно результатам этого эксперимента обе статистики'для различных режимов удовлетворительно совпадают, что, собственно, и доказывает происхождение регулярной модуляции интегрального спектр; генерации КПМП-лазера за счет возбуждения НС, и, соответственно факт генерации НС КПМП-лазером.

В Заключении систематизированы полученные в ходе выполнены

диссертационной работы новые данные по физике лазеров с синхронизацией мод, в том числе в режиме супермод (п.8Л), по фоторефракции в кристаллах группы КБР (п.3.2) и по динамике ООС-лазеров (п.З. 3). В порядке обсуждения результатов высказаны рекомендации по техническому воплощению предложенных и развитых в работе 00С и КПМП-лазеров (п.8.4), представлены основные выводы настоящей работы (п.8.5).

Основными из них являются:

1. Впервые обнаружен фоторефрактивный эффект в кристаллах ЦКБР при комнатной температуре. Проведено экспериментальное иссле-

1 I

дование его свойств. Установлено, что этот тип фоторефракции проявляет себя в трех компонентах: медленнорелаксирующей, быстрорелак-сирующей и акустической.

2. Предложены феноменологическая и дислокационная модели фоторефракции, которые оказались в согласии с данными соответствующих экспериментов.

3. На основе полученных количественных данных по фоторефракции выполнен анализ устойчивости микро-миллисекундных лазеров с отрицательной обратной связью через фоторефрактивную ячейку в резонаторе. Анализ базируется на стандартных методах теории возмущений и стандартных макроскопических уравнениях генерации лазера,что определяет его достоверность.

4. Для анализа динамики генерации лазеров субнаносекундного диапазона впервые разработана численная модель, достаточно строго следующая из хорошо известной квазиклассической системы уравнений генерации лазеров с однородноуширенной активной средой. Она дополнена адекватно описывающими спонтанное излучение активной среды стохастическими начальными условиями, причем это излучение в соответствии с реальностью сопровождает весь линейный этап генерации лазера. Т.о. представилась возможность заменить в большинстве слу-

чаев дорогостоящий и трудоемкий физический эксперимент численным Сам анализ режима КПЖГ-лазера проведен на основе также строго еле дующего из квазиклассической системы уравнений лазерной генераци одномерного разностного уравнения для линейного ее этапа.

5. Для анализа результатов численных и физических исследова ний субнаносекундного КПМП-лазера предложена его аналитическая мо дель, основанная на разностном уравнении для линейного этапа генерации в условиях узкополосного усиления.Эта модель приводит к систематизации полученных данных на языке специфичных волновых образований - "нестационарных супермод".

6. Впервые на основании результатов исследований различные создаваемых .электрооптической модуляцией добротности режимов генерации импульсного лазера в диапазоне от единиц миллисекунд до десятков пикосекунд предложен принцип лазера с широкодиапазонной перестройкой длительности импульсов. Продемонстрировано, что разработанная в процессе исследований экспериментальная техника допускает также ряд нестандартных" режимов генерации: нрограммируемук многоимпульсную генерацию в режиме типа гигантского импульса и им-пульсно-периодическую генерацию в режиме квазистационарной или стационарной накачки.

Данная работа была начата в рамках комплексной программы, утвержденной совместным Постановлением СМ СССР и ЦК КПСС .№137-47 01 27 января 1986 г. Далее работа продолжалась в рамках общесоюзных программ "Лазеры" и "Лазеры-2", Республиканских программ ГКНВШ РФ "Наукоемкие технологии" (Постановление .№28 от 15.04.91г.), "Университеты России" (подпрограмма "Физика лазеров"),"Лазеры в народном хозяйстве и научных исследованиях".

Список использованных источников: 11. Б.В.Аникеев, А.И.Хижняк.Импульсный лазер с кратковременной

периодической модуляцией потерь.В сб."Квантовая электроника", Киев: Наукова думка, 33, 3-15 (1985). JI2. С.П.Анисимов, Я.А.Имас, Г.С.Ромэное, Ю.В.Ходыко. Действие излучения большой мощности на металлы. М.,Наука, 111с. (1970).

ЛЗ. Я.И.Ханин. Динамика квантовых генераторов. М. Сов. радио. 496с. (1975).

JI4. Е.В.Григорьева. Формирование сложных режимов генерации лазеров с нелинейными элементами. Кандидатская диссертация (1990).

Л5. Б.В. Аникеев. О динамике активной фазировки мод в импульсном лазере с периодической модуляцией потерь. Письма в ЖЭТФ, 19, 1, 34-38 (1974). Л6. Б.В.Аникеев, В.М. Андреянов, В.А.Фенчак. Модуляция интегрального спектра в рубиновом лазере с активной фазировкой спектра, в сб. "Квантовая электроника", Киев, Наукова дум-• ка,•19, с.61-65 (1930).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Б.В.Аникеев, А.И.Иеэнов,В.В.Крутяков.О влиянии фоторефрак-тивного эффекта в DKDP на динамические характеристики электрооптического затвора. В сб."Диагностические применения лазеров и волоконной оптики, Саратов, СГУ, 6-20 (1989).

2. Б.В.Аникеев, В.Д.Захарченко, В.В.Крутяков, А.Ю.Поспелов. Электронный блок для обратной связи е импульсных лазерах. ПТЭ, 5, с.206-208 (1989).

3. Б.В.Аникеев,В.В.Крутяков.О динамических свойствах электрооптического затвора на DKDP в микросекундном диапазоне, Квантовая электроника, 17, 10, с. 1371-1374 (1990).

4. Б.В.Аникеев, В.В.Крутиков. Лазер микросекундного диапазона на неодимовом стекле с управляемой длительностью моноимпульса, Украинский Физический Журнал, 35, 2,с.209-213 (1990)

5. В.В.Крутиков, О.А.Гуркин, И.Н.Кононова,Б.В.Аникеев. Исследование фоторефрактивного эффекта в DKDP с помощью стохастического лазерного излучения. В сб. "Нелинейная оптика и спектроскопия", Саратов, СГУ, в.5, ч.1, 3-15, (1991). .

6. B.V.Anikeev, O.A.Gurkin, M.B.Belonenko. On the dislocation mechanism oi erxitation of high-temperature photorefrac-.tion in DKDP. Solid, state lasers and new laser materials. Proceedings of SPIE, 1839, 324-336 (1991).

7. Б.В.Аникеев, О.А.Гуркин, И.Н.Кононова. Новые данные по фоторефракции в DKDP. В сб."Квантовая электроника",Киев, Наумова Думка, вып.43, 74-91 (1992).

8. О.А.Гуркин, Б.В.Аникеев. О гистерезисных свойствах высокотемпературной фоторефракции в DKDP. Известия РАН.сер.физ., 56, 12,-65-69 (1992).

9. B.V.Anikeev. Possibilities oi Dynamical Intracavity Spectroscopy in a Laser with External Feedback. Laser Phislcs, 3, ЖЗ, 578-582 (1993).

10. Б.В.Аникеев.Условия нейтрализации паразитной фоторефракции в лазере с отрицательной обратной связью. Квантовая электроника, 20, 6, 670-675 (1993).

11. Б.В.Аникеев, И.А.Панкратов. Нейтрализация паразитной фоторефракции в лазере с электрооптической отрицательной обратной связью. Квантовая электроника, 21, 1, 53-56(1994).

12. B.V.Anikeev.I.A.Pankratov. Possibilities of Dynamical Intracavity Spectroscopy in a Laser with External Feedback (Experiment). Laser Physics, 4, 2, 420-425 (1994).

13. Б.В.Аникеев,Д.В.Синько. Непрерывный YAG:Nd3+-J?33ep с акус-

тооптической модуляцией добротности.Квантовая электроника, 20, 12, 1199-1202(1993).

14. Б.В.Аникеев.М.Б.Белоненко. Переходной процесс в электрооптической ячейке с отрицательной обратной связью, Квантовая электроника, 20, 1, 14-19 (1993).

15. Б.В.Аникеев, Затрудина Р.Ш.. Численная модель КПМП-лазера с учетом узкополосного усиления. В сб. "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики", Саратов, СГУ, с.21-26 (1989).

16. Б.В.Аникеев. Супермоды нестационарного лазера. Квантовая электроника, 20, 11, 1227-1234 (1993).

17. V.N.Khramov, R.Sh.Zatrudlna, B.V.Anlkeev. Reprodusibillty of Parameters of Pulses Produced by Lasers with Short-Term Periodic Modulation of Losses. Laser Physics, 3, 3, 559-565 (1993).

18 .B.V.Anlkeev,R.Sh.Zatrudlna,V.N.Khramov.Spectroscopy of Supermodes In STPML-Laser.Laser Physics, 3,2, 346-352(1993).

19. В.Н.Храмов, P.П.Затрудина, Б.В.Аникеев. Исследование точности временной привязки суСнаносекундных импульсов КПМП-лазера. Квантовая электроника, 20, Ш, 788-794 (1993).

20. Р.Ш.Затрудина, В.Н.Храмов, Б.В.Аникеев. Влияние задержи распространения света в затворе на параметры импульсов генерации КПМП-лазера. В сб. "Нелинейная оптика и спектроскопия", ч.2, Саратов, СГУ, 53-58 (1991).

21. И.Э.Качер, Б.В.Аникеев, Н.И.Довгошей, И.М.Миголинец, Н.Я. Золотун, В.В.Онопко. Влияние условий создания переходного слоя на его оптические характеристики. УФЖ, 31, №1, 37-40 (1986).

22. Б.В.Саркисов, Н.М.Миляева, В.А.Шкода-Ульянов, Б.В.Аникеев. Восстановление Моб+ под действием лазерного и электронного

- 26 -

облучения. УХЖ, XLII, Ю, 936-933 (1976).

23. B.V.Anikeev, O.A.Gurkin, D.V.Sin'kc. On the Correlation between Acoustic and Dislocation Subsisted. in the Crystal DKDP at the High-Temperature Photorefraction. Rep. at V-th Int. Sirrroh. on the Photorefraction Medium, Topical Meeting on PRM"93, Kiev, 514-517 (1993).

24. Б.В.Аникеев, В.В.Яцышен, В.А.Сытин, А.И.Иванов, В.В.Крутя-ков, М.В.Белодедов. Научный отчет по х/д №10-84, 127с.,Во-лГУ, Волгоград (1987).

25. Н.И.Довгошей, В.П.Свитлинец, И.Э.Качер, Б.В.Аникеев, В.П. Иваницкий. Особенности получения аморфных пленок соединений типа Cd4GeS(Se)6 и CdGaS(Se)4 и кристаллизационные явления в них. Тез. Международной конференции "Аморфные полупроводники - 84", т.4, 103-105, Болтария,Габрово (1984).

26. Б.В.Аникеев, О.А.Гуркин, В.В.Крутяков. Наблюдение электрооптической фоторефракции в DKDP при комнатной температуре. Тезисы YI Всесоюзной конференции по голографии. Витебск, 119 (1990).

27. О.А.Гуркин,Б.В.Аникеев. Фоторефрактивные свойства DKDP при комнатной температуре.Тезисы XIY Международной конференции по КиНО,С.Петербург, 3, 169-170 (1991).

28. Б.В.Аникеев, В.В.Крутяков, М.Н.Кононова. Механизм флуктуация мощности генерации лазера на неодимовом стекле с электрооптической отрицательной обратной сеязью.Доклад на Всесоюзном семинаре "Динамические и флуктуационные процессы в лазерах и лазерных системах", М., ВДНХ СССР (1989).

29. И.Э.Качер, Б.В.Аникеев, В.В.Онопко. Адгезионная прочность слоев, полученных методом лазерной технологии и дискретного термического напыления. Тез.Всесоюзной конференции "Физика и технология тонких пленок",147,Ивано-Франковск(1984)

30. О.А.Гуркин, С.В.Мельников, М.В.Насыпаева, В.В.Крутиков, Б.В.Аникеев. Об амплитудных характеристиках динамического фоторефрактивного эффекта в DKDP. Тезисы II Нижневолжского научного семинара "Диагностические применения лазеров...", 36(1989).

31. Б.В.Аникеев, О.А.Гуркин, И.Н.Кононова. О временных параметрах фоторефракции в DKDP. Тезисы III Нижневолжского научного семинара "Диагностические применения лазеров..",69-70 (1990).

»

32. И.Н.Кононова, Б.В.Аникеев. Условия подавления технических возмущений электрооптической 00С при фоторефракции.Тез.III Нижневолжского научного семинара "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики...",. Волгоград, ВолГУ, 6-8 (1990).

33. В.В.Крутяков.Б.В.Аникеев.Способ компенсации влияния ФРЭ на генерацию лазера с электрооптической 00С. Тез.докладов на III Нижневолжском научном семинаре "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики...", Волгоград, ВолГУ, 73-74 (1990).

34. С.Ю.Васильев, Б.В.Аникеев. Акустоэлектрооптический модулятор для лазеров.Тез. III Нижневолжского научного семинара "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики", Волгоград, ВолГУ, 16-17 (1990).

35. В.В.Крутиков, И.Н.Кононова, Б.В.Аникеев. Об использовании лазера с 00С для внутрирезонаторной спектроскопии ФРЭ в DKDP. Тез. докладов на II Нижневолжском научном семинаре

"Диагностические применения лазеров и волоконной оптики..", Волгоград, ВолГУ, 15, (1989).

36. Б.В.Аникеев, И.Н.Кононова. Переходной процесс в электрооптической ячейке с 00С. Тез. III-го Нижневолжского семинара

"Диагностические применения лазеров и волоконной оптики.." ВолГУ, Волгоград, б (1990).

37. О.А.Гуркин, И.Н.Кононова,Б.В.Аникеев. Флуктуации в импульсных лазерах с отрицательной обратной связью (ООО). Тез. докладов Всесоюзн. семинара "Метрология лазерных измерительных систем". Часть 2, Волгоград, с.40 (1991).

38. С.Ю.Васильев, А.М.Чмутин, Б.В.Аникеев. Модернизация лазеров серии ЛГИ для импульсно-периодического режима. Тез. 111-го Низкиеволжского семинара "Диагностические применения лазеров и еолоконной оптики...", ВолГУ, Волгоград,*18(1990).

39. В.В.Крутяков,С.Ю.Васильев, Б.В.Аникеев. YAG:Nd3+ лазер парных гигантских импульсов с точной временной привязкой. Тез. 11-го Нижневолжского семинара "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики ...", ВолГУ, Волгоград, 7 (1989).

40. Б.В.Аникеев., В.Н.Храмов, Р.Ш.Затрудина. Тезисы докладов II Нижневолжского научного семинара "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики..."- Волгоград, с. 14 (1989).

41. Б.В.Аникеев, Р.Ш.Затрудина, В.Н.Храмов. Разработка лазеров с кратковременной периодической модуляцией потерь, в сб. анн. отчетов под. ред. проф. В.А.Фомичева, разд.З, с.100 (1991 ).

42. В.Н.Храмов, Б.В.Аникеев. Зависимость от расстройки временных характеристик УКИ в КШП-лазере с Еысокодобротным резонатором. Тезисы докладов III Нижневолжского научного семинара "Диагностические применения лазеров и еолоконной оптики..", Волгоград, 13 (1990).

43. В.Н.Храмов, Р.Ш.Затрудина.Н.В.Тропина, Б.В.Аникеев. О предельной длительности ультракороткого импульса КПМП-лазера.