Динамика излучения в резонаторе в нелинейно-рефрактивной усиливающей средой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

- (:. _

? НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ а ИНСТИТУТ ФИЗИКИ имени Б.И.Степанова

УДК 535.24: 621.378.2

ЮРЕВИЧ ВЛАДИМИР АНТОНОВИЧ

ДИНАМИКА ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕЗОНАТОРЕ С НЕЛИНЕЙНО - РЕФРАКТИВНОЙ УСИЛИВАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

( 01.04.21 - лазерная физика )

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Минск - 1998

Работа выполнена в Могилевском отделении Института физики им. Б.И.Степанова ( с мая 1992 г. - Институте прикладной оптики) Национальной Академии наук Беларуси

Научный консультант: доктор физико-математическш

наук В.И.Лебедев

Официальные оппоненты: доктор физико-математическш

наук Н.А.Лойко (ИФ НА НБ)

доктор физико-математическш наук профессор А.С.Дементьев (Институт физики Литвы)

доктор физико-математическш наук профессор В.П.МнхайлоЕ (Международный лазерный Центр при БГПА)

Оппонирующая организация: Институт электроники HAH Беларуси

Зашита диссертации состоится . 1998 г. в /У^часов i

заседании Совета по защитам диссертаций Д 01.05.01 в ордена Трудового Красного Знамени Институте физики им.Б.И.Степанова Национальной АН Беларуси по адресу: 220602, г.Минск, пр-т Ф.Скорины, 70

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Института физик] им.Б.И.Степанова HAH Беларуси

Автореферат разослан "W" GlPiXFpfl 1998 г.

Ученый секретарь совета доктор физ.- мат. наук профессор

А.А.Афанасьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прогресс лазерной физики за последние десятилетия в значительной мере связан с широким использованием в лазерных технологиях импульсных источников когерентного излучения. Расширение сфер их применения, необходимость модернизации современных технологий требуют создания высококачественных лазерных приборов. В связи с разработкой оптических устройств обработки и передачи информации, обладающих повышенной скоростью передачи сигналов (свыше 1 Гбит/с), в ведущих лабораториях мира - British Telecom (Великобритания), ATT Bell (США), Naval Research Lab. (США), NTT (Япония) - ведутся исследования по созданию новых лазерных источников коротких импульсов (в диапазоне длительности 100 фс - 10 пс), следующих с высокими частотами повторения (1-100 ГГц ). Достижение таких параметров является необходимым условием для разработки высокоскоростных систем связи, оптических переключателей или элементов в новом поколении вычислительных устройств. Насущной задачей лазерной физики остается также разработка лазеров, излучающих одиночные короткие импульсы с высокой пиковой мощностью светового поля, для нужд лазерной локации и кинетической спектроскопии физических, химических или биологических объектов.

Продвижение в область сверхкоротких импульсов при использовании обычных электронных модуляторов осложнено трудностью реализации сверхвысоких скоростей переключения в таких устройствах. Возможность оптимизации выходных параметров в этом диапазоне требует разработки иных принципов управления импульсной генерацией, и решений таких задач оказывается более предпочтительнее достигать проведением поиска чисто оптических, пассивных методов формирования одиночных коротких импульсов или регулярных серий таких пульсаций. Эти способы могут основываться на эффектах самовоздействия лазерного поля в резонаторах, в частности, на явлениях фазовой самомодуляции излучения. Особая эффективность их практического учета проиллюстрирована на примере разработки лазерных систем с устройствами внутрирезонаторной интерферометрии [1,2]. Использование резонаторов с нелинейно -рефрактивным элементом доя аддитивной синхронизации мод (улучшения качества синхронизации мод в лазерах на активированных кристаллах) позволило надежно и сравнительно простыми средствами освоить диапазон генерации импульсов с длительностью менее 100 фс.

Управление динамическими характеристиками и спектральным составом излучения реализуется изменением параметров оптической обратной связи, осуществляемой резонатором лазера, в той степени, в которой свобода управления допускается специфическими свойствами активных элементов. Уровень обратной связи, в зависимости от конструкционных особенностей резонатора, может оказаться критичным к свойствам активной среды. В этом отношении существенно автомодуляционное уширение спектральных линий лазерного поля, определяемое нелинейной рефракцией поля в усиливающей среде. Его роль особо ощутима для условий запаздывающей внешней обратной связи в лазерном резонаторе. Динамическим явлениям, связанным с зависимостью показателя преломления среды от энергетического состояния активных частиц и развертывающимся в условиях внутрирезонаторной интерференции, до сих пор уделено относительно меньшее внимание. Значимость проблемы осуществления автомодуляционных режимов лазерного излучения за счет использования собственной рефракционной нелинейности усиливающего элемента, однако, вполне очевидна. Ход и уровень модуляции параметров контролируется тогда собственно динамикой и мощностью поля излучения, и особый интерес с прикладной точки зрения представляет выяснение условий оптимальности обратного влияния автомодуляционного упшрения спектральных линий лазерного поля на динамику интенсивности формируемого излучения. Использование проявлений этого влияния должно значительно расширить возможности управления параметрами лазерного излучения. Понимание и оценка их следствий служат цели создания надежных и более совершенных импульсных источников излучения.

Постановка задачи проведенного в настоящей работе расчетного анализа динамической роли автомодуляционного упшрения спектральных линий, обусловленного нелинейной рефракцией ( НР ) поля на частоте генерации, правомерна в русле особо актуальной ныне задачи разработки новых возможно более простых и надежных лазерных систем, допускающих управление выходным излучением на основе пассивных оптических методов. Основной предмет настоящего исследования составляют автомодуляционные механизмы формирования временной структуры светового поля импульсных лазеров на кристаллах или полупроводниках. Существование этих механизмов связано с нелинейной рефракцией в усиливающей среде. В связи со сказанным очевидна актуальность настоящей работы, посвященной расчегао-теоретическом) исследованию физических условий, при которых порождаемые

В последнее время интенсивно исследуется динамика полупроводниковых лазерных устройств с внешней обратной связью, включая инжек-ционные лазеры с внешним световолоконным резонатором. Наблюдаемое разнообразие режимов, в том числе с хаотической временной структурой, связывают с высоким уровнем HP в лазерных диодах и порождаемым ею аномальным автомодуляционным смещением спектральных линий светового поля в ходе генерации (field spectrum linewidth enhancement) [6]. Именно такие компактные источники, излучающие в режиме серии коротких импульсов при сравнительно низкой средней мощности лазерного поля оказываются перспективными для стыковки с волоконно -оптическими линиями и применения в интегральной оптике и системах оптической обработки информации.

Достижение субпикосекундного диапазона длительностей импульсов в реальных источниках лазерного излучения означает, что время формирования светового поля импульса сравнимо или меньше характерных времен срабатывания механизмов релаксации в активированных кристаллах. Очевидно, что уровень критичности динамических характеристик взаимодействия по отношению к проявлениям автомодуляционного уширения спектра при этом повышен, и продвижение в пико- и субпикосекундную области длительностей излучаемых импульсов, соизмеримых с временами фазовой релаксации лазерных сред, представляется особенно сложной задачей без понимания и детальной оценки влияния этого эффекта на кинетику когерентных процессов при однофотонном резонансе. Задача изучения динамического взаимодействия когерентных и нелинейных эффектов в ходе генерации и усиления приобретает значимость в связи с тем, что именно нелинейно - рефрактивные пассивные модулирующие устройства стали широко использоваться для получения сверхкоротких импульсов (СКИ).

В свете всего сказанного основные задачи исследования правомерно сформулировать так:

- изучение последствий фазовой самомодуляции (ФСМ'), стимулированной квазирезонансными компонентами нелинейной поляризуемости, в случае когерентного взаимодействия, т.е. когда в процессах энергообмена существенна инерционность поляризационного отклика инвертированной среды, характеризуемая временами поперечной релаксации Тг и Tj*;

- изучение влияния неустойчивости фазовых характеристик поля в резонаторе на кинетику импульсного лазера с учетом пространственной модуляции инверсии интерференционным полем встречных волн одной частоты

(или световых волн одного направления, соответствующих соседним продольным модам);

- изучение автомодуляционных процессов в лазерах с внешней обратной связью: в любой из рассмотренных моделей учитывается внутрнрезона-торная интерференция - поле выходного излучения формируется как результат интерференции поля, усиленного в "активной" (содержащей усиливающую среду) часта резонатора, с его отстроенной но фазе репликой из "пассивной'''' части резонатора (т.е. составляющей поля, совершившей за конечное время Г проход по внешнему резонатору).

Научная новизна результатов проведенного изучения динамических процессов излучения существенно характеризуется тем, что при формулировке уравнений, описывающих поведение лазерного поля в различных кинетических моделях, использовались представления обобщенной двухуровневой схемы взаимодействия светового поля с резонансной средой. Ко времени начала выполнения настоящих исследований, были известны, в основном, результаты изучения динамических лазерных моделей, учитывающих критичность их параметров к поперечному изменению показателя преломления активной среды из-за НР [7]. Особое место в исследованиях влияния ФСМ лазерного поля в пассивных элементах на параметры выходного излучения импульсных лазеров в последнее время занимают работы, посвященные теоретическому обоснованию методов аддитивной синхронизации мод в солитошюй трактовке возникновения и развития этого режима [8].

В работе впервые проведено систематическое исследование влияния динамического автомодуляционного уишрения спектральных линий, обусловленного нелинейной рефракцией светового поля в усиливающих средах, на процессы формирования временной структуры лазерного излучения. Существенно, что рассмотрены, в основном, критичные к изменению мгновенной частоты (фазочувствительные) динамические модели лазера.

В диссертации впервые:

- предложены системы скоростных уравнений лазера с внешней обратной связью, положенные в основу расчетной модели лазера с автомодуляционным смещением частоты генерируемых мод;

- исследована кинетика лазерных систем с учетом внутрирезонаторной интерференции и для реальных параметров определена возможность возникновения регулярных режимов излучения (включая режим со структурой, соответствующей самосинхронизации мод) без использования дополнительных внешних устройств, модулирующих мощность пакачки или уровень потерь в резонаторе;

- определена роль автомодуляционных колебаний эффективного усиления в нелинейно-рефрактивной среде ( результирующего усиления поля с учетом создаваемой интерференционным полем встречных волн продольной модуляции инверсной населенности) в формировании относительно низкочастотной (релаксационной) структуры лазерного излучения;

- изучены закономерности возникновения автомодуляционной высокочастотной структуры излучения в ходе генерации в лазерном резонаторе с неустойчивой конфигурацией при учете самонаведенной линзовости в усиливающем элементе из-за нелинейной рефракции;

- сделана оценка различия нелинейных характеристик резонансного поглощения ( просветления ) слоя среды в пассивном затворе полем бегущей световой волны и интерференционным световым полем встречных волн одной из мод плоско - параллельного резонатора;

- проанализированы последствия определяемого нелинейной рефракцией влияния автомодуляционного уширения светового поля, на динамику и спектральное распределение излучения в условиях, когда характерное время его развития сравнимо или меньше времени фазовой релаксации поляризационного отклика среды;

- на основе сформулированного осцилляторного уравнения для полярного угла вектора Блоха - одной из основных характеристик кинетики когерентного взаимодействия - изучены свойства его равновесных состояний; определены особенности решений, описывающих нутационные колебания интенсивности в условиях автомодуляциошюго уширения спектра поля и смещения резонансной частоты из-за оптического эффекта Штарка;

- в рамках модели сверхтонкого слоя резонансных атомов, применявшейся в литературе при решении ряда задач нелинейной оптики, сформулированы условия наблюдения бистабилышх и гистерезисных свойств нелинейно - рефракшвных пленок на основе слоев резонансно поляризующихся сред, изучены модуляционные свойства таких пленок в режиме когерентного взаимодействия со световым полем СКИ.

Полозкения, выносимые на защиту:

Эффект самопроизвольного импульсного пропускания в резонаторах, лазеров со сложным отражателем возникает как следствие переключения добротности в ходе автомодуляционной частотной перестройки резонатора в процессе генерации и приводит к существенному уменьшению длительности излучаемых импульсов.

2 Автомодуляционные фазовые колебания лазерного поля, порождаемые нелинейной рефракцией в усиливающем элементе и стимулирующие периодическое изменение эффективного усиления или

величины потерь на излучение в резонаторах, могут быть причиной наблюдаемой регуляризации или дерегуляризации во временной релаксационной структуре интенсивности генерации лазеров на люминесцентных кристаллах.

X Явление автомодуляционного уширення спектральной линии лазерного поля в условиях внутрирезонаторной интерференции определяет высокочастотную автоколебательную структуру излучения лазеров с внешней обратной связью. В зависимости от сочетания параметров накачки, среды и резонатора излучение таких лазеров при постоянном уровне накачки может характеризоваться хаотической или регулярной динамикой интенсивности, включая режим со структурой, присущей явлению самосинхронизации мод.

Динамическое относительное фазовое рассогласование светового поля и отклика активной среды, развивающееся в условиях влияния квазирезонансных переходов на резонансную поляризуемость, определяет понижение контраста и увеличение частоты нутационных колебаний мощности излучения. Возникающее при этом различие интенсивности компонент (асимметрия) типичной для ряда эффектов когерентного взаимодействия дублетной структуры спектрального распределения светового поля зависит от величины автомодуляционного смещения несущих частот импульса.

£ Свойство оптической бистабильности и определяемый им гистерезис в отражении и пропускании тонкого слоя нелинейно - рефрак-тивной резонансной среды может обусловить временные осцилляции величины пропускания в режиме когерентного взаимодействия импульса с веществом. Следствием этой динамики является амплитудная автомодуляция проходящего сквозь активную пленку короткого лазерного импульса.

Научная и практическая ценность. Уровень и высокая детализация теоретических исследований нелинейных процессов излучения в твердотельных лазерах отражены в обзорах и монографиях [5,7,9-12]. Общепризнанным считается вывод о том, что нестационарный импульсный характер излучения лазеров обусловлен как различием констант релаксации в каналах накачки и генерации, так и неустойчивостью, высокой критичностью лазера к разного рода возмущениям его основных параметров, в том числе и возникающих под действием самого излучения, формируемого в резонаторе. Современное представление о лазере как принципиально неравновесной осцилляторной физической модели в наиболее исчерпывающем варианте изложено в ¡12]. Развитие этой концепции, очевидно, нуждается в подробной трактовке возможных последствий

фазовой неустойчивости излучения, обусловленной влиянием квазирезонансных переходов на колебания рефракции поля в усиливающих средах, Во взаимодействии с другими нелинейными свойствами, характеризующими отклик среды, или в резонаторах с особой конструкцией следствия НР способны выступить принципиально дестабилизирующим фактором в лазерной системе и обусловить ряд интересных закономерностей г излучении.

На основании сказанного очевидно, что результаты их изучения имеют вполне определенную научную значимость, выявляя ряд ранее не обнаруженных свойств лазеров как существенно нелинейных объектов Получена интерпретация некоторых автомодуляционных эффектов, реальнс наблюдаемых в лазерном излучении и труднообъяснимых с позиции имевшихся представлений.

Совокупность результатов, полученных в диссертации, можно рассматривать как большое достижение в развитии актуального направления физики - нелинейной динамики оптических систем.

Ряд формулируемых в работе выводов фактически выступает в качестве обоснования возможности реального использования автомодуляционных свойств излучения - в этом состоит практический аспект значения работы. Так, расчетное моделирование генерации с учетом автомодуляционного уширения спектра позволило предсказать существенное сокращение длительности моноимпульсов, излучаемых лазерами с активной модуляцией добротности в случае использования сложного отражателя. Качественный анализ динамической модели лазера с внешней обратной связью для параметров, соответствующих полупроводниковым средам, позволил, в сущности, обосновать возможность режима самосинхронизации мод - излучения регулярной серии СКИ - при постоянной накачке и установить границы его возникновения. Такой режим был реализован в лазере с внешним световолоконным резонатором в схеме, перспективной для применения в тактовых генераторах частоты. Разрешения проблем управления параметрами действительно можно достигнуть за счет автомодуляционных свойств излучения, не прибегая к использованию управляемых внешними электрическими сигналами модуляторов излучения. Для разработки лазерных источников на основе полупроводников, используемых в миниатюрных устройствах интегральной и волоконной оптики и стабильно излучающих субпикосекундные импульсы с требуемой высокой воспроизводимостью, такой подход оказывается, вероятно, единственно возможным из-за трудностей реализации электронных устройств со сверхвысокими скоростями переключения.

Изучение свойств тонких резонансно поляризующихся слоев нелинейно - рефрактивных сред, определение условий бистабилыюсти их пропускания в ходе взаимодействии с полем лазерных импульсов, интересно для разработки транспарантов для кратковременного хранения и обработки информации, для изготовления активных модулирующих покрытий в устройствах оптической электроники. Результаты изучения взаимодействия СКИ с активными материалами могут использоваться для нелинейной спектроскопической диагностики вещества, включая и слои на основе оптических полупроводников.

Экономическая значимость проведенного исследования состоит в том, что полученные на основе расчетного моделирования результаты дают возможность более обоснованно подойти к решению проблем оптимизации излучения твердотельных лазеров и тем самым позволяют при создании реальных лазеров избежать ряда часто дорогостоящих этапов предварительного физического макетирования.

Личный вклад. Содержание диссертации отражает личный вклад автора в исследования нелинейной динамики лазерных систем, заключающийся в выборе направления, разработке конкретных расчетно-теоретических моделей описания динамики генерации, их расчетном и качественном анализе и интерпретации результатов. В большинстве статей, опубликованных в соавторстве, теоретическая часть работы принадлежит автору (за исключением двух публикаций с Н.И.Кабаевьш - соавтором этой части работ), во многих статьях автору принадлежит также постановка задачи (совместно с научным консультантом В.ИЛебедевъш). Весь объем численного моделирования, выбор алгоритмов и схем, анализ их сходимости, компьютерное программирование расчетов, результаты которых приведены в работе, за исключением нескольких указанных по ходу изложения эпизодов, также принадлежит автору.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах в бывшем СССР и странах СНГ, в том числе на 7 и 8 Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Ташкент,1974 г.; ТбилисиД976 г.), 1 Всесоюзной и 7 Международной конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1977 г.; 1993 г., два доклада), 2 Всесоюзной конференции "Применение лазеров в приборостроении..." ( Москва, МВТУ, 1979 г.), 5 Всесоюзном совещании по нерезонансному взаимодействию (Ленинград, 1981 т.), 3 Всесоюзной конференции по вычислительной опто-электронике (Ереван, 1987 г.), 1 Всесоюзной конференции и 2 Международном симпозиуме по физическим принципам обработки информации (Ленинград,

1988 г.; Гродно, 1993 г.), 2 Всесоюзном семинаре "Оптическая бистабильность''' (Минск, 1989г.), 4 Всесоюзном симпозиуме "Световое эхо" ( Самара, 1989 г.), Белорусско - Литовских семинарах "Лазеры и оптическая нелинейность" (Могилев, 1988г.; Минск, 1998г.), 1, 2, 3 и 5 Международных семинарах "Нелинейные явления в сложных системах" (Новополоцк, 1992 г.,1993 г., 1994 г., Минск, 1996 г.), Межгосударственной научно-технической конференции по квантовой электронике (Минск, БГУ, 1996 г., два доклада), 2 Российско - Белорусском семинаре "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе" (Минск, 1997 г.), Международной математической конференции "Еругинские чтения-У" (Могилев, 1998 г., два доклада) и на ряде республиканских конференций.

Результаты работы получены при выполнении плановых НИР, в основном проведенных в русле государственных научных программ Оптика 2.45, Квант 14, Электроника 11; в 1992 - 93 гг. под руководством автора выполнялась НИР "Исследование влияния когерентных оптических процессов в нелинейных средах на формирование СКИ в лазерах" (Лазер 3.11).

Основные публикации. В целом, результаты диссертации публиковались в 49 работах, в том числе в 18 изданиях тезисов докладов и 27 статьях в сборниках и журналах бывшего СССР, России и Беларуси. В диссертации собраны и систематизированы материалы исследований, опубликованные в работах [14-42].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из вводной части, пяти глав, содержащих по несколько разделов, заключения и перечня использованных источников. Диссертация содержит 178 с. текста, а также 50 рисунков на 38 с. и список литературы из 216 названий на 14 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и общей характеристике работы обоснована актуальность избранного направления исследования, сформулирована его цель и задачи, а также важнейшие из результатов, выносимые на защиту, охарактеризована их новизна и значимость.

Первая глава также носит, в сущности, вводный характер и в качестве первого раздела содержит обзор исследовательских работ, посвященных измерению и оценке величины изменения вещественной части поляризуемости в области резонанса, анализу причин и следствий ФСМ и динамической неустойчивости лазерного поля в активных средах; здесь же кратко характеризуются существующие подходы к изучению

проблемы. Многоуровневость присуща большинству оптических сред. Поляризующее влияние поля переходов, соседних с резонансным и разрешенных в электродипольном приближении, на диэлектрическую проницаемость активных сред определяет зависимость показателя преломления вещества от резонансного изменения населенностей. Это влияние удобно учесть, базируясь на представлениях обобщенной двухуровневой схемы |3], в предположении различия (дефекта) поляризуемости частиц Да на уровнях основного перехода с частотой со 12. С наличием переходов, близких к резонансному в энергетической структуре активных атомов, связана возможность проявления оптического эффекта Штарка. Вклад штарковского смещения (с коэффициентом нелинейности, пропорциональным А а) ощутим, однако, при длительностях и мощностях интенсивных импульсов, излучаемых, например,при коллективном распаде поляризации.

Во втором разделе на основе представлений обобщешюй двухуровневой схемы записан один из вариантов системы полуклассических уравнений для квазистационарных нормализованных огибающих светового поля с несущей частотой ю0 и резонансного отклика слоя нелинейно - рефрактивной среды (щ = ®12) дайны Ь с учетом однородного и неоднородного уширения;

дЕ г)дЕ 1 р ч

И- (1)

д1 2 тяКИ И '

Здесь р(х,(, А) и А) - частотные компоненты поляризации и разности населенностей, определяемые элементами матрицы плотности, Т{ - время продольной релаксации, п0 - начальное значение разности населенностей, г и - временная константа, называемая временем сверхизлучения,

А = (о>-<%)гя - нормированный дефект частоты, р- 2л——Аа -

параметр нелинейности; N - плотность активных частиц, угловые скобки в уравнении для поля означают усреднение отклика активного вещества с показателем преломления ц по разбросу частот резонансного перехода ш с дисперсией, обратной константе Т*

В третьем и четвертом разделах рассмотрены особенности временной эволюции и спектральной структуры когерентных оптических эффектов. Имеющиеся к настоящему времени результаты исследования этих явлений позволяют сформировать достаточно отчетливое представление об их основных закономерностях, однако роль фазовых эффектов в этих процессах в литературе освещена явно недостаточно. Показано, что существенной стороной их проявления выступает динамическое рассогласование величин, определяющих поляризационный отклик активного вещества в рамках формализма вектора Блоха. Сформулировано уравнение для времен-ных осцилляций полярного угла вектора Блоха

0(г) = — |ке{Еехр[г(<р -Тя

(используется представление £=Еехр(1ф), р = р' ехр(ц;) при предположении, что 7| оо, Т2 со, -> оо, и0 = 1). Уравнение для при соответствующих допущениях может быть получено из (7):

ГЯУ, .1-008^(1--со»0)э

- + «zQ-'sing- 1+ ; Р—:-(2)

dt т dt V4rJ V sin2 в ) smО

(г = ,Q = (г • tR) 2 - основная частота нутации) и содержит в правой

части слагаемые, отражающие вклад фазовых составляющих. Пренебрежение последними (Да0) сводит уравнение (2) к осцилляторной модели, основанной на синус-уравнении Гордона (т.е. к одному из аналогов известной теоремы площадей). В рамках теории устойчивости проанализированы некоторые свойства равновесных состояний уравнения (2); установлено, в частности, что эффективная частота нутационных колебаний в условиях НР возрастает. Влияние инициированного НР фазового сдвига поля по отношению к поляризационному отклику на эволюцию инвертированной системы (осцилляторный режим сверхизлучения Дикке ) изучено на основе численного моделирования. Материалы исследования публиковались в [14-18].

В экспериментах А.М.Леонтовича, О.П.Варнавского и др. трудности регистрации оптической нутации при когерентном усилении импульсов связывали именно с возможностью фазовых эффектов в рубине. Расчетное моделирование усиления СКИ свидетельствовало о понижении контраста нутационной структуры и асимметрии дублетной структуры спектрального распределения интенсивности импульсов.

В пятом разделе формулируются уравнения модели лазера для материальных переменных и светового поля (с учетом их пространственной

распределенности), излучаемого активной средой в лазерном резонаторе с линейным расположетем элементов. При интенсивностях, соответствующих мощности насыщения усиления, в некогерентном приближении возможно пренебрежение штарковской составляющей уширения. Система уравнений включает компоненты, описывающие взаимодействие встречных волн, вырожденных по частоте, в продольно-периодической структуре, создаваемой интерференционным световым полем основной моды резонатора в усиливающем элементе.

Вторая глава содержит результаты расчетного моделирования режимов импульсной генерации лазеров на люминесцентных кристаллах и анализа их особенностей, проявляющихся в условиях автомодуляционного уширения спектра.

В первом разделе рассмотрены численные решения системы уравнений лазера, приведенной в пятом разделе первой главы для граничных условий с отклоняющимся аргументом. В рассматриваемом случае особым следствием нелинейной рефракции является дополнительная динамическая связь встречных волн на неоднородностях показателя преломления. Этим обусловлено изменение эффективности их результирующего усиления при нелинейном рассеянии встречных волн на решетке инверсии .

Во втором разделе влияние этого фактора на эволюцию излучения рассмотрена на основе более приближенной модели. Формулируется система скоростных уравнений генерации (для сосредоточенных параметров лазера) с учетом продольной структуры инверсии в присутствии фазовой неустойчивости, инициируемой НР. Дерегуляризация в следовании релаксационных пичков, появление согласованных сдвоенных импульсов, пульсаций сложной формы, отсутствующие в описании картины излучения с применением традиционного подхода, детерминировано возможностью фазового смещения поля генерируемых продольных мод относительно создаваемой им структуры инверсии. Неустойчивость фазы в известном смысле может рассматриваться как неустойчивость стоячей волны - интерференционное лазерное поле периодически «смещается» в менее насыщенные участки вдоль оси усиливающего элемента. Соответствующее изменение эффективного усиления от импульса к импульсу может принимать характер автоколебаний: даже при сравнительно слабой их амплитуде в условиях свободного режима структура излучения способна качественно измениться. Ряд особенностей динамического поведения лазерного поля в среде с НР анализируется в рамках теории устойчивости для одного из приближений кинетической системы.

Изменением условий фазочувствительности решетки инверсии в присутствии автомодуляционного уширения спектра может быть объяснена экспериментально наблюдаемая дерегуляризация релаксационных колебаний интенсивности лазерного поля. Существенно, что реальность эффекта амплитудно - фазовой решетки в лазере подтверждена специальным экспериментом, проведенным В.Н.Лебедевым и А.И.Ясенем [21], сравнивались временные развертки излучения лазеров на рубине и алюмо-итгриевом гранате, активированном неодимом.

Третий раздел посвящен изучению динамики генерации лазеров со сложными резонаторами. Добротность сложного резонатора, отражатели которого образуются несколькими зеркальными поверхностями, особо чувствительна к стабильности частоты генерируемого излучения. В.И. Лебедевым и А.И.Ясенем экспериментально показано, что автомодуляционное сужение моноимпульсов, осуществляемое в таком резонаторе без особого конструкционного усложнения устройства, действительно эффективно и способно уменьшить длительность высвечиваемых моноимпульсов с 30 не до ~ 5 не при сокращении длительности переднего фронта импульса примерно на порядок. Проведенное расчетное моделирование позволило обосновать новый режим излучения лазера -режим самопроизвольного импульсного пропускания [22]. В отличие от известного способа импульсного открытия резонатора, предложенного А.Вейлстеке, этот режим может осуществляться самопроизвольно, без использования управляющих сигналов. В таких лазерных системах уменьшение длительности импульса выходного излучения происходит из-за интерференции лазерного поля, выходящего из основного и внешнего резонаторов. В условиях автомодуляционного смещения фазы поля в усиливающем элементе, ход динамической дефазировки обоих составляющих поля зависит от скорости изменения его мощности. Поэтому подбором параметров резонатора (отражения на зеркалах, расстройки длин резонаторов вблизи соотношения, соответствующего их фазовому сопряжению - точки синхронизма) достигается условие, при котором конструктивная интерференция происходит лишь в области пика мощности импульса, в то время как его фронта «обрезаются». Форма же высвечиваемого моноимпульса может оказаться сложной. Расчетным путем установлена область баланса факторов формирования структуры излучения, в которой фронты рассчитываемого импульса при уменьшении длительности оказываются гладкими. Следует отметить, что несколько позже аналогичный подход, базирующийся, однако, на применении внешнего резонатора с нелинейно -рефрактивным пассивным элементом, был эффективно использован для

сужения импульсов в режиме синхронизации мод (см., например, [1]). Соответственно, использовалась солитонная трактовка в объяснении структуры выходного излучения, получившая развитие в работах 12,8].

Наличие сложного резонансного отражателя характерно проявляет себя и в режиме излучения без внешнего динамического воздействия на элементы в резонаторе. На основе скоростных уравнений, учитывающих НР в усиливающем элементе, промоделирована кинетика генерации такого режима в схеме с сосредоточенными параметрами. Поведение этой модели имеет определенную аналогию с проанализированной, например, в [12], кинетикой лазера с отрицательной обратной связью. При определенном соотношении параметров может произойти регуляризация структуры осцил-ляторных решений и, судя по расчетам, лазер должен высвечивать незатухающую последовательность сдвоенных импульсов. Анализ приближения модели с привлечением элементов теории устойчивости подтвердил возможность образования предельных циклов в фазовом пространстве кинетических уравнений с учетом потерь на излучение, критичных к изменению мгновенной частоты.

Четвертый раздел включает результаты численного моделирования генерации лазеров с учетом самонаведенной лннзовости среды. Параметры расчета соответствовали рубиновому элементу с поперечно неоднородным выжиганием инверсии, помещенному в неустойчивом резонаторе, и перекрывались с параметрами лазера, использованного в экспериментальных измерениях эффекта спонтанной генерации моноимпульса, проводившихся В.И.Лебедевым и А.И.Ясенем. Результаты расчетов и эксперимента привели к одинаковым выводам. Среди особенностей динамики интенсивности - переход от пичковой генерации к высвечиванию гигантского импульса при увеличении начальной неустойчивости резонатора: возникновение автомодуляционной высокочастотной структуры в излучении (с периодом, равным или меньшим времени обхода светом резонатора); зависимость периода высокочастотных (ВЧ) пульсаций от положения усиливающего элемента в резонаторе; корреляция глубины ВЧ модуляции с амплитудой гигантского импульса, поперечными размерами пятна генерации и степенью неустойчивости резонатора; совпадение момента появления ВЧ модуляции с моментами изменения скорости нарастания мощности.

Третья глава содержит результаты изучения особенностей временной структуры лазерного ¡юля в лазерах с внешней обратной связью (ОС). В связи с конкретной практической направленностью особую актуальность приобрела задача о динамической роли аномального автомодуляционного уширения линии излучения в инжекционных полупроводниковых лазерах

(ИПЛ) с внешней ОС. В расчетах поэтому оказалось целесообразно использовать параметры ИПЛ. Частоты генерационных переходов в средах ИПЛ (например, на основе ОаАн или 1п8Ь) соответствуют спектральной области, совпадающей с краем полосы резонанса собственного поглощения. Судя по материалам [13], с этим связана сильная зависимость показателя преломления активного слоя лазерного диода от концентрации свободных носителей. Такую резонансную нелинейность относят к разряду «гигантской», поскольку соответствующие коэффициенты по меньшей мере на несколько порядков выше, чем в классических нелинейных материалах. Поэтому в усиливающих средах ИПЛ нелинейные изменения рефракции безынерционны по отношению к колебаниям инверсии (концентрации свободных носителей ) и заметно проявляются уже при мощности излучения 10*...104 Вт/см2 [13].

В первый раздел наряду с обоснованием и формулировкой расчетной модели включены результаты численного эксперимента генерации ИПЛ с постоянным уровнем тока накачки. Предположено, что один из резонаторов образован торцами (с коэффициентом отражения г0) усиливающего элемента - лазерного диода, с помощью другого - образованного волоконным отражателем длины 1 - осуществляется внешняя ОС. В отличие от расчетных моделей, использовшшых, например, в [6] и допускающих учет т.н. фактора Хенри, рассмотрена возможно более точная (распределенная) схема расчета, учитывающая также многократные отражения во внешнем резонаторе, неэквидистантность мод в системе со связанными резонаторами и, соответственно, различие в величине их потерь на излучение. В граничных условиях последовательно учтены внутрирезонаторная интерференция поля и отражение на поверхностях, образующих резонатор. Среди основных особенностей временной картины излучения, определяемых численными решениями для интенсивности, следует выделить существование квазирегулярных или регулярных пульсаций. В зависимости от соотношения расчетных параметров модели импульсы могут принимать сложную форму, и для значений в реальной области параметров ИПЛ длительность и период импульсов в регулярной серии соответствуют наносекундному диапазону. Их тонкая субструтоура, как правило, хаотична, но при определенных в работе условиях принимает вид периодической ВЧ модуляции ( в викосекундном диапазоне), характерный для синхронизации мод.

Приведенные во втором разделе расчетные соотношения позволили характеризовать мультистабилышй и шстерезисный характер зависимости излучаемой интенсивности и фазовой вариации светового поля в диоде от

уровня накачки в стационарном режиме. В рассмотрение включено также температурное изменение показателя преломления активного слоя лазерного диода. В рамках использованной модели сделана оценка закономерностей появления изломов (областей с резкой крутизной - «кип ков») на ватт - амперных характеристиках ИПЛ с внешней ОС.

В третьем разделе проанализирована возможность существования периодической ВЧ субструктуры в излучении лазеров с внешней ОС. Рассмотрена система уравнений для поля в активном элементе /?(/) и инверсии «(/):

Е(т) = -Я0Е{( - г)О(0- (1 + фъУ/гЕ^ - Т) , Ег(0 - -(1 - - ^Ег(1 - Т) ,

— = —(а - п - 2пЕ * Е) ( ЕМ) - поле во внешнем резонаторе),

21

(Т-—, а - параметр накачки, к - коэффициент усиления, г, - время с

спонтанной рекомбинации, г - отражение внешнего зеркала ). Система (3) получена из исходной расчетной модели (в первом разделе) на основе т.н. приближения точечного усиливающего элемента в резонаторе [5]. Отмечено, что стохастизация осцилляции поля и инверсии возникает в ходе серии самопроизвольных гистерезисных переключений добротности -переменной, неявно присутствующей в системе (3). В окрестности ( на временной шкапе) каждого из таких инициированных автомодуляционным уширением изменений добротности в распределении поля£'(/) на промежутке Т + т возникают неоднородности (при первоначально заданном однородном распределении на этом интервале). Результирующий профиль такого распределения после многократного прохождения светового поля по «пассивной» и «активной» частям резонатора и последующих переключений добротности может хаотизироваться. В определенной зоне параметров стохастический сценарий тонкой структуры интенсивности / = [£"(/)|2 сменяется контрастной регулярной последовательностью импульсов с периодами, равными времени обхода светом резонатора и лазерного диода.

Условия возникновения автомодуляционного режима ВЧ колебаний, чувствительного к согласованию длин обоих частей резонатора,

+ г)

2

определялись с использованием элементов теории бифуркаций. Были установлены границы устойчивости режима, подтверждена, в частности, особенность, отмеченная при расчетном моделировании - для длин внешнего резонатора, кратных удвоенной оптической длине диода 2 цЬ , низкочастотная составляющая интенсивности излучения изменяется относительно слабо, тонкая же «несущая» структура характеризуется высоким контрастом [27-29]. Область параметров системы, при которых возможна регулярная ВЧ субструктура решений, воспроизводящих структуру явления самосинхронизации мод в выходном излучении, в этом случае представлена в форме, пригодной к использованию при настройке реального лазера на соответствующий режим.

В четвертом разделе изучены закономерности появления серий регулярных импульсов, образующих относительно низкочастотную (релаксационную) структуру излучения при постоянном уровне накачки. В основу расчетов положена модель лазера с сосредоточенными (усредненными по длине составного резонатора) переменными - интенсивностью /(() и вариацией инверсии п(/):

й. Л

%

п + 1и

1-

К2 БШ2 Д <р

1 + эт А<р)

■I,

Т1

(4)

где

т]Ь +

(1 + л/^)

О-'«)/

Л

Л

" О+ъУг

/(к-с)- время жизни фотона в резонаторе.

О + ^Х'+^Н

Значения переменной Ар, определяющей изменение величины потерь на излучение зависят от взаимного смещения резонансов частей ИПЛ и описываются как А(р = \ф{1) ~ ф(< - ? )]/2 - Здесь величины ф^) определяются из

условия фазового сопряжения «активной» и «пассивной» частей резонатора:

1-го.

1 + гг

■вш^Дй + сов^)

Учет следствий эффекта динамической добротности при условии фазовых колебаний в лазерной системе дает возможность описать на

ч

основе (4) только низкочастотную огибающую в зависимости интенсивности от времени. Изменение характера релаксационных колебаний - формирование регулярных серий импульсов - предсказываемое (4) по отношению к случаю, когда не учитывается нелинейная рефракция (/Н)), происходит как следствие переключения добротности. При /9=0 временная структура ИПЛ, согласно расчетам по (.?) или (4), представляет несколько всплесков интенсивности, как и в известных результатах, быстро затухающих к равновесному состоянию. При аномальном варианте развития автомодуляционного уширения спектра перестройка резонатора, в сущности, может быть представлена «сканированием» частоты лазерного поля по ряду резонансов, соответствующему неэквидистантному набору мод составного резонатора. Форма регулярных пульсаций в рассчитываемом цуге поэтому может быть сложной, однако, воспроизводимой от импульса к импульсу.

Расчеты позволили сделать вывод, впоследствии подтвержденный данными эксперимента, о том, что получение регулярной серии излучаемых импульсов весьма вероятно, если уровень накачки соответствует области «кшга» на ватт - амперной характеристике ИПЛ, т.е. зоне параметров лазера, где возможен гистерезис в его поведении при перестройке [23,26]. Происходит, в сущности, гистерезисная <<раскачка» равновесных состояний лазерной системы и соответствующее формирование предельных циклов в ее фазовом пространстве. Заключение о связи гистерезисных свойств во взаимозависимостях основных характеристик ИПЛ и возможности возникновения периодических режимов излучения, сделанное в этих разделах главы при анализе динамического аспекта бистабилъности и мультистабилъности лазера с внешней ОС положено в основу одного из защищаемых положений. В экспериментах, осуществленных В.И.Лебедевым и В.И.Борисовым, импульсные режимы с субнано- и наносекундной длительностью осцилляций интенсивности, в том числе со сложной формой, обнаружены в лазерах с внешним световодоконным резонатором, в которых использовались лазерные диоды типа ИЛПН-Ю2 [30,31]. На экспериментальных развертках различалась периодическая высокочастотная и более сложная автомодуляционная субструктура отдельных импульсов.

Расчетное моделирование на основе (4) свидетельствовало о том, что при сближении коэффициентов отражения грани диода и внешнего зеркала для получения регулярных пульсаций необходимы все большие величины тока накачки. При этом амплитуда и скважность импульсов резко возрастают, их длительность соответственно сокращается. В пятом разделе моделируется предельный случай - для приблизительно равных коэффициентов

отражения при высоком токе накачки процесс формирования импульса 1 полупроводниковом лазере с внешним резонатором происходит в режиме когерентного взаимодействия лазерного поля с активным слоем. Прг описании его кинетики для определения возможности проявления когерентного эффекта вместо (4) использованы уравнения с автомодуляционной компонентой потерь (зависящих от А<р), учитывающие также инерционность поляризации. Судя по данным расчета, высвечиваемые СКИ (длительность от одной до нескольких долей пикосекунды) приобретают нутационную субструктуру, присущую кинетике когерентных эффектов; характерной дублетной структурой, асимметричной в условиях НР, обладают в этом случае их фурье - спектры.

В четвертой главе рассмотрен ряд аспектов многомодовой генерации в лазере с нелинейно - рефрактивным усиливающим элементом.

В первом разделе изучены последствия динамического перераспределения энергии между соседними продольными модами в комбинационной амплитудно-фазовой решетке для условий автомодуляционного фазового смещения поля в средах ИПЛ. В связи с определенной подвижностью активных центров влияние продольной структуры инверсии, создаваемой полем встречных волн, вырожденных по частоте, на динамику ИПЛ сильно ослаблено. Комбинационная решетка создается в усиливающей среде за счет межмодовых биений инверсии и лишь незначительно сглаживается диффузией активных центров. Асимметричное дополнительное усиление модовых компонент лазерного поля определено рассеянием поля более «сильной» резонансной компоненты в комбинационной продольной структуре инверсии. Подобная специфика усиливающих сред на основе полупроводников, в которых возможна динамическая компенсация дефицита усиления «слабых» мод в длинноволновой области модовой отстройки от центра линии усиления лазерного диода, отмечена, например, в [13]. В расчетах использовалась двух- и трехмодовая модель - учет двух «слабых» модовых компонент поля, симметричных относительно резонансной, более естественен при изучении следствий вынужденной асимметрии. Определен диапазон параметров, при которых нелинейное рассеяние поля генерации в продольной структуре оптических свойств активного слоя диода оказывается фактором регулярных колебаний излучения.

Во втором разделе проанализирован механизм одного из методов получения интенсивных импульсов с возможно более узким спектром в лазерах с активной модуляцией добротности резонатора. Импульсное излучение формируется на основе создаваемого в дополнительном резонаторе сравнительно узкополосного «затравочного» светового поля свобод-

ной генерации. Межмодовая конкуренция при относительно более «сильном» поле резонансной моды в усиливающем элементе может привести к подавлению симметричных соседних «слабых» мод. Расчетное моделирование процесса сужения спектра генерации с параметрами, соответствующими лазерам на люминесцентных кристаллах, привязано к ситуации, реализованной в экспериментах А.А.Ковалева и Б.Н.Тюшкевича с лазерами на рубине, где действительно наблюдалась автостабилизация частотного режима, приводящая к ограничению спектра излучаемых моноимпульсов.

В третьем разделе рассчитана относительная интенсивность неэквидистантных продольных мод лазера с внешним отражателем в стационарном режиме с учетом инициированного НР смещения спектра. Сформулированные выражения позволили сделать приближенную аналитическую оценку соотношения выходной мощности каждой из мод при предположении, что взаимодействие мод в нелинейной среде диода может осуществляться только за счет совместного насыщения их суммарной мощностью инверсии в активном слое. В распределении интенсивности отмечена асимметрия, возникающая при общем коротковолновом сдвиге спектра продольных мод.

В пятую главу включены результаты изучения особенностей просветления лазерными импульсами слоев резонансно поглощающих сред с нелинейной рефракцией.

В первом разделе проведен сравнительный анализ характеристик просветления поглощающей среды фототропного затвора в лазерном резонатора, световыми полями бегущей и стоячей волны. Имеющиеся в литературе данные указывали на особенности режима насыщения резонансного поглощения среды интерференционным полем резонаторных мод, но для нужд экспериментов, специально поставленных В.И.Лебедевым и В.И.Борисовым, потребовался ряд расчетных оценок эффекта. Судя по расчетным результатам, в стационарном режиме при обычно используемых величинах начальной плотности затвора и коэффициентах отражения зеркал резонатора уменьшение величины поглощения (изменение крутизны нелинейной характеристики) может достигать 15 - 18% по отношению к просветлению бегущей волной. В очень плотных фильтрах должна наблюдаться бистабильность пропускания. В среде с НР эффективность влияния структуры разности населенностей на уровень поглощения снижается.

Во втором разделе рассмотрены особенности пропускания резонансно поглощающих слоем вещества, разделяющего среды с линейными диэлектрическими проницаемостями е1 и гг. Для оценки изменений, вызываемых влиянием квазирезонансных переходов на поляризу-

емость, в зависимостях оптических характеристик пленок от уровня внешнего возбуждения использована модель сверхтонкого слоя резонансных атомов. Модель слоя среды с толщиной Ь, значительно меньшей длины волны, нередко применяется в некоторых задачах нелинейной динамики, в частности, при учете когерентного характера взаимодействия поля лазерного импульса с системой, образуемой ансамблем активных частиц.

Определены условия беззеркальной оптической бистабильности, проявляющихся в таких системах, сделана оценка изменения порога ее возможного проявления в слое с НР по отношению к традиционно рассматриваемому случаю только резонансной поляризуемости. Отмечено, что взаимодействие обоих составляющих фазового эффекта - автомодуляционного уширения спектра и смещения резонансной частоты из-за оптического эффекта Штарка - приводит к резкой асимметрии и гистерезисному ходу дисперсионной зависимости пропускания слоя при мощностях возбуждения, соответствующих бистабильности характеристики.

В третьем разделе анализируются динамические эффекты в ходе прохождения СКИ сквозь тонкий нелинейный слой. Использована, в частности, такая расчетная модель:

.__(О

7О(0=77- .

где = Е(?) + г Р - нормализованное эффективное поле.

В алгебраическом соотношении для поля в рамках локального поля Лоренца учтено также диполь - дипольное взаимодействие (локальная поправка, определяемая действием полей ближней зоны излучения диполей, окружающих отдельный атом). Расчетный анализ эволюции поля воздействующего импульса, описываемого е0(г), позволяет предсказать возможность временных осцилляции величины отношения |е (/)| До (0- Предсказываемая расчетом модуляция не связана с нутационными осцил-ляциями величин поля и поляризации, а определена гистерезисньш характером пропускания слоя. В модели (5) это свойство отражено биста-бильностью связи значений интенсивности, соответствующих равновесным состояниям (5), с величиной интенсивности /0 [38-40]. Определение области параметров (5), при которых способны возникать колебания,

проводилось с использованием элементов теории нелинейных колебаний в предположении о воздействии светового поля СКИ прямоугольной формы. Отмечено, что при падении на тонкий слой таких импульсов имеет место пороговая качественная трансформация режима пропускания пленки от практически полного отражения при малых амплитудах /0 до просветления при больших /0. Новым и существенно отличающимся от известных в литературе результатов представляется вывод о том, что в определенной области значений /0, соответствующей области бистабильности пропускания, проходящие лазерные импульсы на заднем фронте должны приобретать периодическую модуляцию интенсивности. На основе численного моделирования сделана также оценка возможности проявления модуляционных свойств таких пленок в случае воздействия импульса с экспоненциальными фронтами. Бистабильность и оптический гистерезис возможны в определенной области параметров. Обеспечивающий их механизм порожден динамической конкуренцией между составляющими взаимного автомодуляционпого фазового смещения поля и резонансной поляризации. Результатом такой особенности взаимодействия может быть возникновение амплитудной модуляции у проходящих сквозь нелинейную пленку оптических импульсов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В лазерах с плоскими резонаторами следствием автомодуляционного уширения спектра поля излучения является изменение условий фазо-чувствительности индуцируемой полем встречных волн продольной структуры инверсной населенности. Это выражается в существовании квазипериодической дефазировки решетки инверсии в усиливающем элементе и создающего ее интерференционного лазерного поля. Эффектом может быть объяснена регистрируемая в наблюдениях дерегуляризация временной релаксационной структуры излучения, а также возникновение сдвоенных пульсаций или увеличение асимметрии импульсов, излучаемых в режиме активной модуляции добротности.

2. Режим самопроизвольного открытия резонатора, достигаемый за счет применения сложного выходного отражателя в условиях автомодуляционного уширения спектральной линии поля, позволяет эффективно уменьшать длительность моноимпульсов, формируемых в резонаторах типа Майкельсона или Фокса- Смита. Возможность эффекта дополнительного сужения импульсов, излучаемых лазерами с модулированной доброт-

ностъю, подтверждена экспериментом. В режиме свободной генерации автомодуляционная динамика добротности сложного резонатора, возникающая как следствие взаимосвязи амплитудных и фазовых осцилляции поля, способна обусловить развитие незатухающих колебаний интенсивности.

3. Инициированное самонаведенной линзовостыо в усиливающем элементе с поперечной неоднородностью инверсии переключение добротности, осуществляемое без модулирующих устройств только за счет изменения конфигурации неустойчивых или разъюстированных резонаторов, вызывает появление высокочастотной (с периодом обхода светом резонатора) модуляции импульса. Возникновение тонкой структуры интенсивности спонтанно генерируемого моноимпульса наблюдалось в эксперименте.

4. Режим регулярных осцилляций интенсивности излучения лазеров с внешней обратной связью может быть следствием автомодуляционного уширения спектра лазерного поля. Автоколебательная структура в излучении должна проявляться как результат динамической добротности в условиях внутрирезонаторной интерференции при постоянном уровне накачки (без применения модулирующих устройств, управляемых внешним сигналом). Регуляризация релаксационной структуры излучения возможна, если уровень тока накачки соответствует области гистерезиса ватт -амперной характеристики лазера. Мультистабильные и гистерезисные свойства зависимости интенсивности выходного излучения от уровня накачки являются результатом нелинейной рефракции поля в усиливающем слое лазерного диода. Существование относительно низкочастотных самопульсаций излучения с длительностью в субнаносекундном диапазоне с периодом порядка наносекунд в инжекционных лазерах на основе СтаАь с внешней обратной связью, подтверждено экспериментально.

5. Тонкая структура серии автомодуляционных осцилляций интенсивности излучения лазера с внешним резонатором, развивающихся как следствие ряда гистерезисных самопереключений добротности, имеет в общем случае признаки динамического хаоса. При определенном соотношении параметров высокочастотная субструктура лазерного поля принимает регулярный и контрастный характер (в пикосекундном диапазоне пульсаций - для лазеров на основе полупроводников), присущий явлению синхронизации мод. Сформулированы условия осуществления режима самосинхронизации мод в выходном излучении лазеров.

6. В условиях нелинейной рефракции комбинационная структура инверсии, создаваемая полем соседних продольных мод резонатора, в ходе генерации инициирует вынужденную асимметрию в частотной зависимости усиления. Для параметров динамической модели лазера, соответствующих

полупроводниковым средам, оказывается возможным компенсация дефицита усиления длинноволновой модовой компоненты лазерного поля за счет рассеяния энергии резонансной (более «сильной») моды в комбинационной решетке инверсии. Предсказано, что в излучении каждой из мод при этом относительном увеличении усиления должны возникать автоколебания интенсивности, контраст которых зависит от начального соотношения мощностей резонансной и боковых мод. В результате подавления мод с меньшей интенсивностью более «сильной» резонансной составляющей светового поля в ходе их конкуренции может быть достигнуто ограничение модового спектра излучаемого моноимпульса, приводящее к автостабилизации частотного режима излучения лазера с активной модуляцией добротности.

7. С фазовым эффектом, обусловленным автомодуляционным уширением лазерного поля и оптическим эффектом Штарка, связано изменение параметров равновесных состояний полярного угла вектора Блоха (соответствующих когерентным то-импульсам). Анализ осцилляторного уравнения, выражающего, в сущности, один из аналогов теоремы площадей, записанной в рамках обобщенной двухуровневой схемы, показал, что результатом этого изменения является повышение частоты и понижение контраста нутационных колебаний интенсивности излучения, усиливаемого в нелинейно - рефрактивной среде. Расчетное моделирование когерентного усиления импульса позволило также предсказать асимметрию (перераспределение интенсивности) в штарковской дублетной структуре фурье - спектров излучения.

8. Проведен анализ особенностей взаимодействия поля лазерного импульса с тонкой пленкой поляризуемой нелинейно - рефрактивной среды. Пропускание слоя резонансных атомов в этом случае должно обнаруживать бистабильность без использования дополнительных отражающих поверхностей, сделана расчетная оценка изменения условий наблюдения гистерезиса (уменьшение пороговой мощности возбуждающего поля) по отношению к случаю, когда среда слоя характеризуется только нелинейностью абсорбции. Обоснована возможность осцилляций коэффициента пропускания с периодом, кратным времени сверхизлучения, способных проявиться, например, в амплитудной модуляции сверхкоротких импульсов, когерентно взаимодействующих с веществом пленки.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Liu L.Y., Huxley J.M., Ippen E.P., Haus H.A. Self-starting additive pulse mode-locking of Nd-YAG laser // Opt. Letts - 1990. V. 15, N 9,- P.553-555. Speace D.E., Kean P.N., Sibbett W. 60-fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti.sapphire laser // Opt. Letts - 1991.- V.16, N 1.-P.42-45.

2. Калашников B.JI., Калоша В.П., Михайлов В.П., Полойко И.Г., Демчук М.И. Особенности пассивной синхронизации мод в непрерывных широкополосных твердотельных лазерах (ТТЛ) //Квантовая электроника - 1993. Т.20,№2,- С.153-158.

3. Апанассвич П.А. Основы теории взаимодействия света с веществом. Минск: Навука i тэхшка, 1977,- 696 с.

4. Бутылкин В.С., Каплан А.Е., Хронопуло Ю.Г., Якубович С.Д. Резонансные взаимодействия излучения с веществом.М.ЯЫука,1911.- 452 с.

5. Лойко Н.А., Самсон А.М. Нелинейная динамика лазерных систем с запаздыванием //Квантовая электроника -1994,Т.21,№8.-С.713-728.

6. Petermann К. External optical feedback phenomena in semiconductor lasers // ШЕЕ J. Sel.Topics in Quant.Electron.- 1995.V. 1,7/2,- P.480 - 489. Masoller C. Comparison of the effects of nonlinear gain and weak optical feedback on self-pulsation semiconductor lasers // IEEE J. Quant. Electron.-1997. V.QE-33,iV5.- P.804-814.

7. Хашш Я.И. Динамика квантовых генераторов.М:Соъ.радио,1975 - 496с.

8. Калашников B.JL, Калоша В.П., Михайлов В.П., Полойко И.Г. Общий подход к анализу механизма синхронизации мод для непрерывных ТТЛ с нелинейным интерферометром Фабри-Перо // Оптика и спектроскопия - 1996. Т.80, №1,- С.146-152.

-"-Новый принцип формирования УКИ в ТТЛ с ФСМ и насыщением усиления //Квантовая электроника-1996. Т. 23, №3,- С.243 - 246.

9. Пнлипович В.А.,Ковалев А.А. ОКГ с просветляющимися затворами. Минск: Навука i тэхшка, 1975.- 216 с.

10. Фолин К.Г.,Гайнер А.В. Динамика свободной генерации ТТЛ. Новосибирск : Наука, 1978,- 400 с.

11.Abraham N.B., Mandel P., Narducci L.M. Dynamical instability and pulsations in lasers. Progress in Optics, XXV. Springer. 1988.-190 p.

12.Самсон A.M., Котомцева Л.А., Лойко H.A. Автоколебания в лазерах. Минск: Навука i тэхшка, 1990,- 316 с.

13.Богатов А.П., Елисеев П.Г. Нелинейная рефракция в полупроводниковых лазерах (отар)!/Квантовая электроника- 1985.Т.12,№3,- С.465-493.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

14.Юревич В.А. Особенности спектра сверхизлучения в средах с нерезонансной поляризуемостью // Оптика и спектроскопия - 1989. Т.67,№6,-С.1403 - 1405.

15.Юревич В.А., Ясень А.И. Особенности когерентного усиления оптических импульсов с фазовой автомодуляцией// В кн.: «Лазеры и оптическая нелинейность». Минск, 1989.- С.131-135.

16.Юревич В.А., Лебедев В.И. Влияние квазирезонансных компонент поляризуемости на динамику и спектр сверхизлучения //В кн.: Тезисы IV Всесоюзного Симпозиума «Световое эхо и пути его практических применений», Самара, 1989.- С.164.

17.Юревич В.А., Ясень А.И. Влияние нерезонансной поляризуемости на эволюцию когерентных процессов в резонансных средах!¡Доклады АН БССР- 1989. Т.33,№9.- С.807-810.

18.Юревич В.А. Особенности усиления коротких оптических импульсов в средах с нерезонансной поляризуемостью !/Квантовая электроника -1990. Т. 17, №7. - С.951-952.

19.Лебедев В.И.,Юревич В.А.,Ясень А.И. Эффекты автомодуляции излучения в моноимпульсных лазерах //В кн.: Тезисы IIВсесоюзной конференции «Применение лазеров...». М.: МВТУ, 1979.- С.227-228.

20.Юревич В.А. О влиянии нелинейности показателя преломления на выходную мощность импульсного лазера И Доклады АН БССР - 1982. Т.26, №7,- С.600-603.

21.Лебедев В.И., Юревич В.А., Ясень А.И. Генерация импульсов ТТЛ с самонаведенной амплитудно - фазовой решеткой в активной среде // Доклады АН БССР - 1985. Т.29, №10,- С.913-916.

22.Лебедев В.И., Юревич В.А., Ясень А.Й. Особенности автомодуляции излучения в моноимпульсном рубиновом лазере //ЖПС - 1983. Т.38, №1,-С. 133-138.

23 .Юревич В.А. Фазовая неустойчивость и автомодуляционные режимы излучения ТТЛ // В кн.: Материалы Межгосуд. научно - технич .конференции «Квантовая электроника». Минск, 1996 - С.14-16.

24.Лебедев В.И.,Юревич В.А. Условия мультистабильности в полупроводниковом лазере с внешним резонатором ПЖПС - 1989. Т.50, №4.- С.667-670.

25.Юрэв{ч У.А. Уплыу тэмпературнага змянешгя паказчыка праламлення на мулыцетабшьныя уласщвасщ шжзкныйиага лазера са знешшм рэза-

натарам // Весщ АНБеларуа, сер.ф!з.- мат.навук - 1991. №6. - С.61-64.

26.Лебедев В.И.,Юревич В.А. Оптическая бистабильность и периодические режимы генерации инжекционных лазеров с внешним резонатором/У Becifi АН БССР, сер.ф1з.-мат.навук - 1990.№б,- С.60-64.

27.Юревич В.А., Красовская С.Н. Особенности нелинейных колебаний интенсивности в полупроводниковом лазере с внешним резонатором// В кн.: Труды семинара «Нелинейные явления в сложных системах». Полоцк. 1992,- С.239-245.

28.Красовская С.Н., Жесткое С.В., Лебедев В.И., Юревич В.А. Возможность самосинхронизации мод в полупроводниковом лазере с внешним резонатором И Письма в ШФ - 1992. Т.18, №3,- С.24-27.

29.Юревич В.А. Условия самосинхронизации мод в полупроводниковом инжекциояном лазере с внешним резонатором // Известия ВУЗов «Радиофизика» - 1995. Т.38, №11.- С.1204-1212.

30.Борисов В.И., Лебедев В.И., Юревич В.А. Регулярные автоколебания интенсивности в полупроводниковом лазере с внешним резонатором// ЖПС - 1989. Т.51, №2,- С.207-212.

31.Борисов В.И., Лебедев В.И., Юревич В.А., Минкович В.П. Особенности генерации полупроводниковых лазеров с внешним световолоконным резонатором // В кн.: Тезисы II Рос. - Белорусского семинара «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе». Минск. 1997,-С. 18-20.

32.Юревич В.А. О квазихаотическом характере структуры излучения инжекционных лазеров с внешним резонатором // Письма в ЖТФ -1996. Т.22, №19,- С.10-15.

33 Юревич В.А. О возможности сокращения длительности импульсов за счет кооперативного эффекта в полупроводниковых лазерах с внешними резонаторами // Письма в ЖТФ - 1990. Т.18, №10. - С.19-23.

34.Ковалев A.A., Кабаев Н.И., Тюшкевич Б.Н., Юревич В.А. Сужение спектра излучения в ОКГ с электро - оптическим затвором II ЖПС -1979. Т.30,№2-С.639-646.

35.Борисов В.И., Лебедев В.И., Юревич В.А. Разработка генераторов тактовых импульсов для устройств оптической обработки информации // В кн.: Материалы I Всесоюзной конференции по оптической обработке информации. Л.1989,- С.137-141.

36.Борисов В.И., Кабаев Н.И., Лебедев В.И., Юревич В.А. Некоторые особенности просветления фототропного затвора стоячей световой волной // ЖПС- 1981.Т.34, №6.-С.1005-1012.

37 .Чернов С.М., Юревич В. А. Пропускание СКИ тонким слоем вещества

с нелинейной нерезонансной поляризуемостью НПисьма вЖТФ - 1993. Т. 19, №9.- С.40-44.

38.Lebedev V.I.,Yurevich V.A.Some features of short optical pulse transmission by thin film with nonlinear nonresonant polarisability // In: ¡'roc. Seminar

«Nonlinear Phenomena in Complicated Systems». Polatsk. 1993 - P.252-258.

39.Юревич В.Л. Бистабильность при отражении сверхкоротких импульсов слоем вещества с нелинейной нерезонансной поляризуемостью // В кн.: Тезисы VII Международной конференции «Оптика лазеров». С.-Пб. 1993. Ч.Н.- С.22-23.

40.Юревин В.А. Об особешюстях отражения света от тонкого слоя нелинейной среды Н'Квантовая электропика-1994.'Г.21, №10,- С.959-961.

4! Юревич В.А., Чернов С.М. Бистабильность при когерентном взаимодействии световых импульсов с тонкой нелинейной пленкой // Доклады АНБеларуЫ - 1994. Т.38, №6 - С.407-410. 42.Юрев1гч В.А. Устойчивость равновесных состояний уравнений приближения сверхтонкого слоя//В кн.: Тезисы докладов Международной математической конференции «Еругинские чтения - V». Могилев. 1998. Ч.1.-С.34-37.

Р Э 3 10 м э

Юрэвм Улaдзiмip Ашонавгз

ДЫНАМ1КА ВЫПРАМЕНЬВАНШ УРЭЗАНАТАРЫ 3 НЕЛ1НЕЙНА - РЭФРАКТЫУНЫМ УЗМАЦ1ШЮЧЫМ А СЯРОДДЗЕМ

Аутамадуляцыйнае паишрэнне спектральной лшИ выпраменьвання, лазеры са знешней зваротнай сувяззю, рэгулярпыя i хаатычныя тэмпаральныя структуры у выпраменьванш, к паз ip эзапеш a i ыя компоненты пачярызуемасщ аптычная бктаГплышсць i zicnnpiiic, кагерэнтныя эфекты, moiiKÍ слой рэзанансных атамау

Прадмет даследаванняу: аутамадуляцыйныя мехашзмы фармавання тэмпаральнай структуры выпраменьвання ¡мпульсных лазерау на люмшеецэнткых крышталях ni пауправадшках, параджаемыя фазавай дынамшай светлавога поля.

Мэта работы: Устанауленне заканамернасцей дынампга генерацьп ni узмацнення ¡мпульсау ва узмаЦняк'гшх асяроддзях з нелшейнай рэфракцыей, разводе метадау разлпсова-тэарэтычнага вывучэння кшетыю лазерных сютэм з аутамадуляцыйным пашырэннем спектра выпраменьвання i унутрырэзанатарнай 1отэрферэнцыей. Метод даследавання : анагаз урауненнеу, фармулюемых на выснове пауклайчнага падыходу да ашсання рэзананснага узаемадзеяння поля г рэчывам пры ул1ку уяуленнеу абагульненай двухузроуневай схемы. Вынт працы : вырашана праблема зваротнага уплыву пашырэиня спектрг светлавога поля на эвалюцыю пераходных працэсау выпраменьвання у рэзанатарах пры дапушчэнш, што пашырэнне абумоулена рэзанансна! нелшейнасцю паказчыка праламлення у акгыуным crioi узмацняючага ася-роддзя. Даследаваны умовы скарачэння працягласщ мана!мпульсау з нел1-нейным дрэйфам частаты, умовы стварэння рэгулярнай аутавагальна* структуры выпраменьвання, у там лку, рэжыма са структурай, характэрнат да з'явы самасшхрашзацьи мод, у лазерах са знешней зваротнай сувяззю На выснове фармалюму векгара Блоха зфармулявана урауненне, яко< з'яудясцца аналагам тэарэмы плошчау з улкам палярызуючага уплыв) палеу пераходау, суседшх з рэзанансным, на дыэлектрычную прашкаль насць. Вывучаны умовы праяулення аптычнага пстэрэзюу i б1стабшьны> пульсацый у прапусканш тонкага слою нелшейна - рэфрактыунап палярызуемага рэчыва пры уздзеянш поля лазерных хмпульсау.

Атрыманыя вынута магчыма выкарыстаць для распрацоуи naciyiibix чыста аптычных метадау аптымгзацьн выхадных параметрау лазерау працуючых у диапазоне нана- i шкасекундных прадягласцей ¿мпульсау, ; таксама для стварэння актыуных мадушруючых пакрыццеу у астэмаэ оитаэлектронш.

РЕЗЮМЕ

Юревич Владимир Антонович

ДИНАМИКА ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕЗОНАТОРЕ С НЕЛИНЕЙНО - РЕФРАКТИВНОЙ УСИЛИВАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

Автомодуляционное уширение спектральной линии излучения, лазеры с внешней обратной связью, регулярные и хаотические временные струк туры в излучении, квазирезонансные компоненты поляризуемости, опти ческая бистабшьиостъ и гистерезис, тонкий слой резонансных атомов

Предмет исследования: автомодуляционные механизмы формирования временной структуры излучения импульсных лазеров на основе люминесцентных кристаллов или полупроводников, порождаемые фазовой динамикой светового поля.

Цель работы, установление закономерностей динамики генерации или усиления импульсов в усиливающих средах с нелинейной рефракцией, развитие методов расчетно - аналитического изучения кинетики лазерных систем с автомодуляционным уширением спектра излучения и внутрирезонаторной интерференцией.

Метод исследования, анализ уравнений, формулируемых на основе полуклассического подхода к описанию резонансного взаимодействия поля с веществом при учете представлений обобщенной двухуровневой схемы.

Результаты работы: решена проблема обратного влияния уширения спектра светового поля на эволюцию переходных процессов излучения в резонаторах в предположении, что уширение связано с резонансной нелинейностью показателя преломления в активном слое усиливающей среды. Определены условия сокращешм длительности моноимпульсов с нелинейным дрейфом частоты, условия образования регулярной автоколебательной структуры излучения, включая режим со структурой, характерной для явления самосинхронизации мод, в лазерах с внешней обратной связью. В рамках формализма вектора Блоха сформулировано уравнение, выражающее аналог теоремы площадей с учетом поляризующего влияния полей переходов, соседних с резонансным, на диэлектрическую проницаемость. Изучены условия проявления оптического гистерезиса и бистабильных пульсаций в пропускании тонкого слоя поляризуемой нелинейно - рефрактивной среды при воздействии поля лазерных импульсов.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке пассивных, чисто оптических методов формирования нано- и пикосекундных импульсов или серий таких пульсаций в излучении лазеров, а также при создании активных модулирующих покрытий в устройствах оптоэлекгроники.

ABSTRACT OF THE THESIS

Vladimir A.YUREVICH

EMISSION RADIATION DYNAMICS ON RESONATORS CONTAINED WITH NONLINEAR REFRACTING GAIN MEDIUM

Field spectrum linewidth broadening, lasers -with delayed external feedback, temporal regular and chaotic structures on lasing, polarisabilily created by quasiresoncmt transitions, optical bistability, coherent effects, thin film of resonant atoms

Subject of investigation is self - modulation mcchanismes of the lasing temporal structures formation due to field phase dynamics.

Goals of the work are the establishment of laws of the lasing dynamics and the pulse amplification in gain media with nonlinear refraction and the development of methods of computing simulation and analytical study of kinetics of laser system with field spectrum linewidth broadening and intracavity interference. Method of investigation is the analysis of equations formulated basing on quasiclassical approach for description of resonant field interaction with luminescent crystals or semiconductors with the allowance for representations of generalysed two-level scheme.

Results of work: the problem of the field spectrum linewidth broadening backward influence on the transient emission processes evolution in laser cavities under a case of existence of resonant refraction nonlinearity in gain media active layer is resolved. Conditions of the essential additional reduction of duration of Q-switched laser pulses with frequency chirp and conditions of regular auto -oscillatory lasing temporal structures including on the structure, characteristic of the phenomenon! of self -mode -locking, in lasers with external feedback have been obtained. Within frameworks of Bloch vector formalism an equation expressing analogue of theorems of areas is formulated and considered at the account of terms describing the effect of transitions adjacent to resonance. Conditions of the display of optical hysteresis and light self-oscillations due to nonlinear transmission bistability on such thin film at effect of a laser pulse field are determinated.

The received results can be used at development for passive methods of the formation of laser pulses with nano- and picosecond durations or series of such oscillations, but also at the creation of active modulating covers in systems of opto-electronics.

ЮРЕВИЧ Владимир Антонович

ДИНАМИКА ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕЗОНАТОРЕ С НЕЛИНЕЙНО - РЕФРАКТИВНОЙ УСИЛИВАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Подписано к печати " ^ " 1998 г. Формат 60 х 90 1/16

Бумага типографская. Печать офсетная. Бесплатно.

Объем 2,0 п.л. О 6 уч.- изд. лит. Тираж 100 экз. Заказ № ^

Лицензия ЛП № 20 от 20 августа 1997 года

Институт физики им. Б.И.Степанова Национальной АН Беларуси

220072, г.Минск, пр-т Ф.Скорины, 70.

Отпечатано на ротапринте Института физики им. Б.И.Степанова НАНБ