Эффективность преобразования световых волн объемными динамическими голограммами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РГ Б о»

. 8 М№

ВСЕРОСИЙСКЩ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ С.И.ВАВИЛОВА"

На правах рукописи ЛЕЩЁВ Алексей Анатольевич

УДК 535.36

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛН ОБЪЁМНЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ГОЛОГРАММАМИ

(01.04.05 - оптика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

ВСЕРОСШСЙШ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ С. И. ВАВИЛОВА"

На правах рукописи ЛЕЩЕВ Алексей Анатольевич

УДК 535.36

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛН ОБЪЕМНЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ГОЛОГРАММАМИ

(01.04.05 - оптика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёноа степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Институте лазерной физики Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт имени С.И.Вавилова".

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

В.Г.Сидорович

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

Г.В.Островская

кандидат физико-математических наук В.Г.Беспалов

Ведущая организация - Институт проблем механики РАН СССР.

Защита состоится £Ц1996 года в на

заседании специализированного совета KI05.0I.0I по пресуждению учёной степени кандидата наук во Всероссийском научном центре "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова". <199034, Ленинград, ВНЦ "ГОЙ").

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

института.

Автореферат разослан 1995 г.

Учёный секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

И.Н.Абрамова

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время в практике физического эксперимента, а также в прикладных разработках с использованием лазерной техники всё большее распространение приобретают нелинейноогггические элементы, в основе действия которых лежат голографические принципы. Такими элементами являются голографические фильтры (направленные рассеиватели и спектральные светофильтры), голографическая память, пассивные и активные элементы РОС-лазеров, лазеры на динамических решетках, устройства обращения волнового фронта излучения на основе вынужденного рассеяния света и четырёхволнового взаимодействия, двухволновые динамические корректоры волнового фронта и др. устройства.

Широкое практическое использование элементов на основе объемных голограмм сдерживается, однако, недостаточной исследованностыо эффективности преобразования излучения такими голограммами, понимаемой в широком смысле слова. Под эффективностью преобразования следует понимать не только дифракционную эффективность, но и степень искажения волновых фронтов в процессе преобразования, шумовые свойства, когерентность излучения, характер динамического поведения системы излучение-голограмма и т.д. Исследование указанных явлений актуально, поскольку представляет интерес как для теории трёхмерных голограмм, так и для практики построения эффективных преобразователей и источников когерентного излучения.

Фундаментальные свойства трехмерных голограмм, такие как угловая и спектральная селективность, отображающие свойства голограмм были определены в основополагающих работах В

данной работе впервые на основе использования модовой теории трёхмерных голограмм, разработанной в сЗ,4з, была развита теория дифракционной эффективности объёмных, отражательных голограмм. Использование этой теории позволило описать генерацию волн объёмными отражательными голограммами, возникающими в активной лазерной среде за счёт механизма насыщения усиления," и, в частности, возможность самообращения волнового фронта когерентного излучения такими голограммами.

В период выполнения работы начали интенсивно развиваться исследования по преобразованию волн объемными динамическими голограммами с тепловым механизмом нелинейности с далью использования их для коррекции волновых фронтов лазерного излучения В данной работе путём численного моделирования

вгорвые был исследован вопрос о максимальной теоретически достижимой эффективности такого преобразования в средах с инерционным механизмом нелинейности. Кроме того была исследована эффективность двухволновой коррекции волны накачки, имеющей крупномасштабные амплитудно-фазовые неоднородности.

Ранее в работе £¿1 была развита теория нелинейной селекции когерентных составляющих пространственно некогерентного излучения в процессе его преобразования объемными гигорзвуковыми голограммами, возникающими при ВРМБ. Вместе с тем были известны и обратные процессы ухудшения пространственной когерентности излучения, связанные с уширением угловой структуры излучения и его временного спектра. Систематических исследований структуры пространственно-когерентных мод (ПКМ) излучения, возникающэго при ВРМБ в различных условиях не проводилось. Не существовало и адекватных экспериментальных методов измерения числа пространственно-когерентных мод (ПКМ) некогерентного излучения. В рамках данной работы был развит метод исследования структуры ПКМ лазерного излучения, с помощью которого впервые была исследована структура пространственно-когерентных мод излучения лазеров с ВРМБ-зерхалами внутри резонатора, в излучении которых были обнаружены выделенные по энергии пространственно-когерентаые составляющие. Была исследована также пространственная когерентность стоксова излучения при ВРМБ сфокусированных пучков. Цель работы состояла в исследовании:

дифракционной эффективности преобразования лазерного излучения объемными голограммами (статическими и динамическими), создаваемыми излучением со сложной структурой углового сдактра в различных условиях,

- характера и степени искажения волнового фронта излучения при двухволновой коррекции,

когерентности излучения, формируемого объёмными динамическими голограммами, возникающими при ВРМБ в различных условиях, разработка новых методов измерения когерентности лазерного излучения.

Научная новизна.

1. Развита теория дифракционной эффективности статических объёмных отражательных голограмм, зарегистрированных когерентными пучками со сложным угловым сгоктром.

2. Показана возможность генерации излучения объёмными отражательными голограммами, зарегистрированными пучками со сложным угловым спектром в усиливающей среде с насыщением , причём волновые фронта генерируемых пучков являются обращёными по отношению к записывающим.

3. Методом численного моделирования исследован вопрос о максимальной достижимой дифракционной эффективности пропускающих и отражательных динамических голограммах с инерционным (и, в частности, тепловым) механизмом нелинейности. Численно определены значения мгновенной и энергетической эффективности динамических голограмм в различных условиях. Проведено сопоставление расчётов с экспериментами.

4. Исследованы фазовые искажения волнового фронта усиленной волны, возникающие при двухволновой коррекции с использованием неоднородной по интенсивности волны накачки.

5. Экспериментально и теоретически разработан метод измерения числа пространственно-когерентных мод (ПКМ) лазерного излучения, являющегося мерой когерентности излучения.

8. Экспериментально исследованы параметры излучения лазеров различных типов с ВРМБ-зеркалом внутри резонатора и, в частности, структура пространственно-когерентных мод излучения.

7. На основе экспериментального исследования когерентности стоксова излучения, возникающего при ВРМБ длинных импульсов, определена природа шумовой составляющей стоксова излучения при ВРМБ сфокусированных пучков.

Практическая ценность работы.

Разработанные подходы и алгоритмы • расчёта дифракционной эффективности динамических объемных голограмм могут быть использованы при создании широкого класса устройств для упразления пространственно-временной структурой лазерного излучения.

Методы обращения волновых фронтов на основе записи объёмных

усиливающих голограмм в активных средах твердотельных лазеров в настоящее время получают всё большее развитие в экспериментальной практике.

Исследование искажений волновых фронтов при двухволновой коррекции может быть использовано при создании источников мощного лазерного излучения с дифракционной расходимостью.

Метод исследования числа пространственно - когерентных мод указывает на возможность создания простых и универсальных устройств измерения пространственной когерентности лазерного излучения в широком диапазоне длительностей импульсов от единиц секуцц до пикосекунд.

Исследования когерентности излучения лазерных источников показывают пути построения систем с высокой когерентностью лазерного излучения.

Защищаемые положения.

1. Дифракционная эффективность отражательных объёмных амплитудно-фазовых голограмм, записанных встречными волнами со сложной структурой углового сдактра, описывается формулой:

Т) - " У?2-Г съьач/^г-г

где: ? - [<К-1)а2 + СМ-1>ьг + 2СЬ+Ь0и/<2УКагМЬ2Ъ ■ Каг + МЬг,ч

- БУКагмъ^; к и м - числа угловых составляющих встречных волн с интенсивностями а* и ьг у каждой составляющая соответственно, о -коэффициент, пропорциональный чувствительности среды, ц, фиктивная составляющая интенсивности, связанная с изменением среднего показателя преломления среды при обработке голограммы.

2. Объёмная отражательная голограмма, записанная сложными по своей угловой структуре световыми пучками в усиливающей среде за счёт механизма насыщения коэффициента усиления среды, генерирует пучки с волновыми фронтами, обращенными по отношению к записывающим, причём при возрастании во времени среднего коэффициента усиления в усиливающей среде, обусловленного действием накачки активной среда, моменты записи голограммы импульсным лазерным излучением и генерации волн могут быть разделены во времени.

3. Максимальная энергетическая эффективность преобразования

прямоугольных импульсов излучения пропускающими объёмными динамическими голограммами с тепловым механизмом нелинейности достигает - 80% при следующих параметрах преобразования: длительность импульса т/т % 8 , е ~ 12 при соотношении пучков т = 100 и е = 15 при т = 1000 (ш = 0,«а -> О) в приближении отсутствия шумовых составляющих излучения.

В случае коротких длительностей импульсов (т«т) энергетическая эффективность преобразования отражательными динамическими голограммами значительно выше, чем пропускающими, причём эффективность преобразования пропускающими голограммами при увеличении энергии накачки (о -><») насыщается на уровне т?-> 50%ехр<-а«ю, тогда как для отражательных голограмм г> -> 100% при любом значении поглощения *<з.

Эффективность преобразования излучения мощной квазиплоской волны накачки, имеющей значительные неоднородности интенсивности в поперечном сечении, в плоскую световую волну при коррекции излучения отражательными динамическими голограммами значительно выше, чем пропускающими динамическими голограммами.

4. Измерение контраста и асимметрии статистического распределения интенсивности спеклструктуры излучения, возникающего при пропускании нестационарного волнового фронта поляризованного лазерного излучения через мелкоструктурную фазовую рассеивающую среду, не нарушающую поляризации излучения, позволяет определить эффективное число пространственно-когерентных мод исходного лазерного излучения.

5. Использование в резонаторе мощного твердотельного лазера с большим числом Френеля ВРМБ-зеркала приводит к повышению пространственной когерентности выходного излучения, связанному с генерацией 1+2 выделенных по энергии пространственно-когерентных мод с большой угловой расходимостью излучения.

6. Необращённая (шумовая) составляющая стоксова излучения при ВРМБ сфокусированного лазерного пучка в жидкостях при длительности импульса 7Ы-150 не является пространственно некогерентной, а основным её источником является усиленное излучение спонтанного рассеяния на тепловых флуктуациях плотности нелинейной среды.

Личный вклад автора.

Все представленные исследования и результаты выполнены лично

- 8 -

автором или при его непосредственном участии. Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Она содержит 171 страницу машинописного текста, включая 46 рисунков и 137 библиографических ссылок.

Апробация работы.

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на: XI научно-технической конференции молодых специалистов (Ленинград, 1976г), У111 Всесоюзной конференции по когрентной и нелинейной оптике (Тбилиси, 1976), I Всесоюзная конференция по оггтике лазеров(Ленинград, 1977г.), IX Всесоюзной конфернции по когрентной и нелинейной оптике, посвященной памяти академика Р.В.Хохлова (Ленинград, 1978), III Всесоюзная конференция по голографии (Ульяновск, 1978), X Всесоюзная конференция по когрентной и нелинейной оптике, (Москва, 1980), Всесоюзная конференция ОВФ-86 (Минск, 1986), а также на семинарах ГОИ им.С.И.Вавилова, ИПМ АН СССР.

Материалы диссертации опубликованы в 23 печатаых работах, список которых приведен в конце автореферата.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулировано состояние исследований на момент выполнения работы, основные проблемы и пути их решения.

Глава I посвящена теории преобразования излучения статическими отражательными голограммами, зарегистрированными световыми пучками со сложными угловыми спектрами с7-9,12-141.

В разделе 1.1 на основании модовой теории объемных статических голограмм сз',4д, распространённой на случай отражательных голограмм, выводится формула для расчёта дифракционной эффективности амплитудно-фазовых голограмм (см.формулу в защищаемых положениях) и анализируются границу применимости развитой теории.

В данном разделе анализируются свойства отражательных голограмм в конкретных случаях их записи: 1)к=1,м»1 или к»1,м=1; 2) к,м»1; з) к=1,м=1. в первом случае возможна периодическая зависимость дифракционной эффективности отражательных фазовых голограмм от толщины среды. Исследован эффект увеличения интенсивности потоков излучения внутри отражательной голограммы по отношению к падающему потоку. Для чисто амплитудных (поглощающих) голограмм найдены максимально достижимые дифракционные эффективности таких голограмм, составляющие 4.5555 в случае к=1,м»1 и 2.9% при к,м»1.

В разделе 1.2 рассмотрена модовая теория отражательных усиливающих голограмм, то есть таких голограмм, распределение коэффициента усиления которых совпадает с распределением интенсивности картины интерференции волн при записи. Показано, что такие голограммы генерируют " как волны, идентичные по своей структуре с записывающими, так и волны с комплексно - сопряженными волновыми фронтами. Найдены зависимости порогов генерации излучения такими голограммами от условий формирования. Минимальный порог генерации излучения голограммами, порожденными сложными пучками равной интенсивности составляет величину аг0=1.25, где: <* - средний коэффициент усиления по пространству, - толщина среды.

В п.1.3 рассматривается теория генерации волн (и, в частности, пуков с ОВФ)отражательными голограммами, формируемыми в активной среде лазеров за счёт неоднородного насыщения коэффициента усиления активной среды двумя сложными (и независимыми) по своей угловой структуре записывающими волнами. Выведены условия генерации волн такими голограммами при малых коэффициентах насыщения усиливающей среда при записи. Анализируются границы применимости выведенных соотношений, связанных с эффектом насыщения усиливающей среда. Рассмотрена возможность, когда процесс записи и генерации волн разнесены во времени благодаря тому, что необходимый для генерации коэффициент усиления среды достигается не в момент записи решётки насыщения, а позднее, по мере его увеличения под действия накачки активной среды, как это имеет место, например, в случае твердотельных усилителей. Для этого случая вычислена зависимость порогового коэффициента усиления среды при генерации от коэффициента усиления среда при записи , позволяющая оптимизировать процесс записи и

генерации.

В п.1.4 проведено аналогичное п.1.2 рассмотрение пороговых условий генерации волн отражательными фазовыми голограммами в среде с усилением. Такие голограммы могут возникать в объёме усиливающей среда на красителях(в жидкой фазе или в твердотельной матрице), в которой создана динамическая или статическая фазовая голограмма.

В главе 2 методом численного моделирования рассматриваются вопросы преобразования квазиплоских пучков объёмными динамическими голограммами с инерционным механизмом нелинейности (типа тепловой нелинейности)с1-6, 1СЛ, поведение которых при использовании инвариантных параметров описывается системой уравнений для медленных нормированных комплексных амплитуд волн е*,!^ и решётки

- « -*Ё4 +

- - +*Е2 ± 16г е,

дг

96с

■ + е Е^г

т.

^ ^ ь ^ ко г

где: Е1г» -; 6с - бе-; X, - е - - £|Е4тои<| т; <^=Дсот.

| 4По т 4 По

т - вермя релаксации решётки, л« - сдвиг частот взаимодействующих волн, е - чувствительность среда, пропорциональная коэффициенту поглощения среда * в случае теплового механизма нелинейности, верхние и нижние знаки соответствуют случаям пропускающих и отражательных голограмм соответственно.

В п.2.1 освещается круг вопросов, связанных с преобразованием волн голограммами с инерционными механизмами нелинейности. В п.2.2 обсуждаются алгоритмы расчёта, которые существенно различны для случаев пропускающих и отражательных голограмм.

В п.2.3 рассматриваются результаты численных расчетов динамики эффективности преобразования, фазы волн и решёток применительно к случаю динамических голограмм с тепловым механизмом нелинейности при различных параметрах взаимодействия с цзлыо выяснения оптимальных условий высокоэффективного преобразования энергии мощной волны накачки в плоскую волну. В качестве примера на рис.1 представлены зависимости энергетической

эффективности преобразования постоянной во времени и пространстве волны накачки в слабую волну пропускающей динамической голограммой при соотношении интенсивностэй волн на входе 1:100 от величины е, пропорциональной интенсивности накачки, при различных значениях длительности взаимодействия тут («а ->0).

На рис.2 приведены зависимости интегральной по времени эффективности преобразования от параметра а - *14т в случае коротких импульсов излучения( т«т ). Видно, что в этом случае эффективность преобразования волн отражательными голограммами значительно выше, чем пропускающими.

Еис.1 Рис.2

В п.2.4 проводится сопоставление результатов экспериментов по усилению слабых волн в поле мощной накачки пропускающими и отражательными голограммами, проведенными А.В.Грозным, А.М.Духовным, Д.И.Стаселько и др.сБ.ТОз, с расчётами. Запись пропускающих голограмм в растворе крипгоцианина в хлороформе осуществлялась излучением лазера на рубине, работающего в режиме свободной генерации. При записи отражательных голограмм в растворе нитрата меди в этиловом спирте использовался одномодовый моноимпульсный генератор с усилителвм на стекле, с неодимом с длительностью импульса генерации 30 не. При учёте эффектов наведённого поглощения расчёты удовлетворительно

согласуются с результатами экспериментов.

В п.2.5 исследован вопрос эффективности процесса коррекции световых волн динамическими голограммами с учётом нестационарных

во времени фазовых искажений слабой плоской волны, наводимых крупномасштабными неоднородностями интенсивности по сечению волны накачки. Вычислены зависимости полной энергетической эффективности преобразования волны накачки в слабую волну и эффективности преобразования в плоскую составляющую усиленной волны на выходе от степени неравномерности интенсивности волны накачки с-0l/\ в различных условиях.

Анализ проведён для случая, когда время взаимодействия волн меньше времени пробега звуком характерного размера неоднородности интенсивности накачки. Расчёты показывают, что, в случае т«т, эффективность преобразования неоднородной накачки в плоскую волну пропускающими голограммами значительно меньше таковой для случая отражательных голограмм в одинаковых условиях коррекции. При наличии неоднородностей интенсивности накачки, достигающих 100% от среднего значения интенсивности, в случае отражательных голограмм эффективность преобразования в плоскую волну снижается всего на 20% по сравнению со случаем однородной накачки.

В главе 3 излагается метод измерения числа пространственно -когерентных мод (ПКМ) лазерного излучения а5,1бл. В п.3.1 рассматривается понятие ПКМ лазерного излучения, использованное в иЬ'л в связи с исследованием нелинейной селекции излучения при ВРМБ частично-когерентного излучения. В соответствии с ей, всякая однородно-поляризованная волна, описываемая медленной комплексной амплитудой и<х,у,ъ> в плоскости xoy, раскладывается в ряд по пространственно-К£горонтЕым модам:

Причём наборы функций <ct> и <<ч> удовлетворяют условиям ортогональности: J e,c*Axdy _ > J e.e*dt ш WAk т

s -со

Значения w1 - I^J2, расположенные в порядке убывания, характеризуют энергии отдельных ПКМ излучения. Отдельные составляющие разложения описывают полностью

пространственно-когрентные световые поля.

Если некогерентное лазерное излучение пропустить через случайную мелкоструктурную фазовую пластинку, не приводящую к деполяризации излучения, то статистические характеристики

сгокл-неоднородной картины интенсивности, получающейся в зоне перемешивания рассеянного излучения, несут информацию о ПКМ-структуре излучения и позволяют определить эффективное число мод в каждой конкретной реализации импульсного лазерного излучения. Разработанный метод является более удобным по сравнению с другими методами нахождение эффективного числа ПКМ,

исходящими из функции пространственной когерентности снятой голографическим методом, иди из опыта Кйга.

В п.3.2 выводятся зависимости контраста с^/1 и асимметрии спвклнеодвородных распределений интенсивности, от структуры ПКМ лазерного излучения. В частном случав излучения, состоящего из равных по энергии ПКМ, содержащих долю н* всей энергии излучения и мод, содержащих долю 1)2=1-4, энергии излучения построены диаграммы, позволяющие находить соответствующие числа мод, исходя из экспериментально определённых значений с и;,. Пример одной из таких диаграмм приведён на рис.3 вместе с результатами экспериментов по измерению величин а и е±.

В п.3.3 рассмотрена проблема структуры ПКМ полей с частично детерминированными пространственно-временными характеристиками, то есть такими полями, аналитические зависимости комплексной амплитуда которых и<х,Ул,м> известны, но требуется определить числовые параметры ц, измеряя число ПКМ. В работе решена задача нахождения статистических характеристик спекл-полей и интерпретация их в терминах структуры ПКМ. Рассмотрены также разнообразные примеры анализа когерентности полей различной структуры. В качестве примера можно привести анализ когерентности излучения, представляющего собой N - канальное излучение, каждый канал которого представляет собой плоскую световую волну с постоянной интенсивностью, фаза которой меняется случайным образом через определённые промежутки времени т , причём соседние каналы не коррелировали. Такой механизм декогерентизации излучения был реализован в с 17] с помощью многоканального эффекта ВРМБ. Эффективное число мод такого излучения, определяется формулой

ММ

Мзф=й?й+Г» гдэ: м ~ число флуктуаций фазы за время импульса (или за время экспозиции) т/т.

В разделе 3.4 рассматриваются особенности практической реализации метода измерения числа .. ПКМ, применительно к исследованию импульсного лазерного излучения с использованием фотографической регистрации распределения интенсивности.

Анализируются вопросы оптимальной геометрии реализации метода, методики использования микроденситометров ИФО-451 и Phot-omation mark-2(фирмы Optronics), источники систематических ошибок, перспективы реализации метода при использовании ПЗС-матриц.

В главе 4 представлены исследования когерентности лазерного излучения, формирующегося при генерации лазеров на стекле с Nd с ВРМБ-зеркалом внутри резонатора сц,18,19з, а также при однократных процессах ВРМБ импульсов длительностью - 100 не [20,22,243.

В п.4.1 даётся общий взгляд на проблему генерации излучения лазерами с ВРМБ-зеркалом и когерентность выходного излучения таких лазеров. Благодаря эффекту нелинейной селекции пространственно-когерентных составляющих излучения с29] при ВРМБ процесс развития генерации излучение широкоапертурных (число Френеля - 300)лазеров с ВРМБ-зеркалами существенно отличается от такового дая лазеров, использующих обычную модуляцию добротности фототропным затвором, а когерентность излучения подобных лазеров должна быть гораздо выше когерентности последних, несмотря на большую расходимость излучения. Однако целый ряд причин препятствует формированию высококогерентного излучения. А именно: существенная перестройка структуры излучения в процессе генерации, короткое время формирования когерентной мода, усиление спонтанных шумов ВРМБ в процессе развития генерации при недостаточной селекции излучения.

В п.4.2 и 4.3 описываются экспериментальные исследования лазеров с ВРМБ-зеркалами в ацетоне tII,I8J и сжатом ксеноне Ч9э соответственно. Оба лазера имели примерно одинаковую длину резонаторов - 2.5 м и апертуру генерации ~ 40 мм. Геометрия лазеров существенно отличалась. В первом лазере ВРМБ-зеркало формировалось в кювете с ацетоном, помещенной между двумя софокусными линзами. Во втором лазере ВРМБ-зеркало формировалось в полом стеклянном световоде в сжатом ксеноне. Лазеры генерировали излучение с энергией ~ 15 - 50 да в импульсе длительностью ~ 50 не и расходимостью ~ 5*ГОЭ рад. Лазерное излучение таких лазеров содержало небольшое число сильных ПКМ и большое число слабых некогерентных мод, в отличие от обычного лазера с модулированной добротностью и такой же апертурой, излучение которого не содержало выделенных по энергии мод. В лазере второго типа регистрировались всего I или 2 выделенные по энергии ПКМ, что объяснялось

улучшенными условиями формирования когерентного излучения в резонаторе.

В п.4.4 описываются результаты исследования эффектов нарушения пространственной когерентности стоксова излучения при ВРМБ когерентных сфокусированных пучков в ацетоне и cci,, при длительности импульсов неодимового лазера от 75 до 150 не с20,23]. При большой длительности импульсов накачки в жидкостях происходит развитию конкурирующих с ВРМБ процессов ВТР (как попутного, так и обратного). Эти процессы приводят к уменьшению селективных свойств гигарзвуковых голограмм, формирующихся в нелинейных средах при ВРМБ пучков с большой расходимостью и, как следствие этого, к уменьшению качества ОВФ и паданию пространственной когерентности излучения стоксова излучения.

д Ацетон СС14

О □

50 Kj=l Ni=l

НС N2=2+3 N2>6

Н1=45±5% Н!=65±5%

© В

110 Ni=l

НС Н2=5+8 N2>15

^=25+5% Н!=50±5%

Рис.3

Обращенная волна является естественной выделенной по энергии пространственно - когерентной модой отраженного динамической голограммой излучения, поэтому статистические характеристики спекл-неоднородных структур, возникающих при изучении структуры ПКМ стоксова излучения (рис.3) сравннггельнр легко расшифровываются и интерпретируются в терминах числа ПКМ. Результаты такой расшифровки показывают, что число шумовых ПКМ мод лазерного излучения коррелирует с числом флуктуация фазы, которое испытывает стоксово излучение за время импульса. Это позволяет сделать важный вывод о том, что шумовая составляющая стоксова излучения при ВРМБ длинных импульсов, является пространственно некогерентной и

представляет собой усиленный гиперзвуковой голограммой шум светорассеяния волны накачки на тепловых объёмных флуктуациях плотности нелинейной среды.

Основные результаты и выводы диссертации.

1. На основе принципов модовой теории объёмных голограмм развита теория отражательных объемных амплитудно-фазовых статических голограмм, зарегистрированных пучками со сложными угловыми спектрами. Выведена формула для дифракционной эффективности таких голограмм. Исследованы зависимости дифрационной эффективности голограмм различного типа от параметров и условий записи. В частности найдены максимально достижимые значения дифракционной эффективности амплитудных отражательных голограмм.

2.Исследовано преобразование световых волн со сложным угловым спектром усиливающими голограммами различных типов, а именно: чисто усиливающих голограмм, в которых коэффициент усиления пропорционален интенсивности записывающих волн, голограмм, возникающих в усиливающей среде благодаря эффекту насыщения коэффициента усиления среды записывающим излучением, фазовых голограмм в равномерно-усиливающей среде. Показано, что такие голограммы, создаваемые независимыми (по структуре углового спектра) встречными световыми пучками^ способны генерировать излучение с обращенными волновыми фронтами. Исследованы пороги генерации и их зависимость от условий записи.

3. Численно исследованы вопросы нестационарного поведения и максимальной энергетической дифракционной эффективности преобразования квазиплоских волн пропускающими и отражательными объемными динамическими голограммами с инерционными механизмами нелинейности. Исследованы зависимости мгновенной и энергетической дифракционной эффективности от соотношения пучков, интенсивности взаимодействующих волн, коэффициента поглощения и др. применительно к средам с тепловым механизмом нелинейности. Проведено сопоставление результатов расчётов с экспериментами.

4. Исследован вопрос об эффективности коррекции мощного лазерного излучения путем преобразования энергии квазиплоской неоднородной накачки в плоскую волну объемными пропускающими и

отражательными голограммами с тепловым механизмом нелинейности. Найдены зависимости эффективности преобразования в плоскую волну от степени крупномасштабной неоднородности накачки по интенсивности и проанализированы условия реализации высокой эффективности процесса коррекции.

5.Экспериментально и теоретически развит метод измерения числа пространственно-когерентных мод лазерного излучения, заключающийся в исследовании статистичеких свойств спенл структуры излучения, пропущенного через рассеивающую фазовую пластину, и определении на основании этого ПКМ-структуры лазерного излучения.

6. Разработан метод расчета ПКМ-структуры детерминированных лазерных полей, то есть таких источников, для которых полностью или частично известна аналитическая зависимость медленной комплексной амплитуды от пространственно-временных координат, а неизвестными являются отдельные параметры поля. Рассмотрены примеры применения метода для решения практических задач.

7. Методом измерения числа ПКМ экспериментально исследована когерентность излучения лазеров с ВРМБ-зеркалами внутри резонатора. Показано, что наличие ВРМБ-зеркала приводит к увеличению пространственной когерентности лазерного излучения, а именно: в излучении лазера с ВРМБ-зеркалом в ацетоне наблюдается высококогерентная составляющая, состоящая из 4*5 выделенных по энергии когерентных моды при расходимости излучения - 3050 »а, а в лазере с ВРМБ-зеркалом в ксеноне - ]>2 сильные ПКМ при такой же расходимости.

8. Методом измерения числа ПКМ экспериментально исследована когерентность стоксова излучения при ВРМБ пучков сложной структуры в ацетоне и сс14 при двух длительностях накачки 75 и 150 не. Обнаружено, что стоксово излучение состоит из одной когерентной моды, соответствующей по энергии обращенной компоненте излучения, и нескольких слабых мод, число которых коррелирует с отношением длительности импульса стоксова излучения к времени флуктуации фазы ВРМБ. Сделан вывод о том, что природа шумовой (необращённой ) составляющей стоксова излучения при ВРМБ заключается в усилении излучения светорассеяния накачки на объемных тепловых флукгуациях плотности нелинейной среды.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1.Лещёв A.A. - Фазовые искажения световых пучков при динамической коррекции, Тезисы докладов XI научно-технической конференции молодых специалистов, Ленинград, 12 апреля 1976г., с.137.

2.А.А.Лещёв A.A..В.Г.Сидорович,Д.И.Стаселько 0 коррекции световых пучков обьёмными динамическими голограммами. Тезисы докладов УТИ Всесоюзной конференции по когрентной и нелинейной оптике,Тбилиси, 25 мая 1976г., т.II, с.383.

3.А.А.Лещёв, В.Г.Сидорович, Д.И.Стаселько Ра счёт эффективности преобразования световых пучков при их нестационарном взаимодействии в среда с тепловым механизмом нелинейности, I Всесоюзная конференция по оптике лазеров(г.Ленинград, 4 января 1977г.), Ленинград, 1976г., с.229.

4.А.А.Лещёв, В.Г.Сидорович, Расчёт фазовых искажений при динамической коррекции волновых Фронтов, Республиканский межведомственный научный сборник, вып.9, Фундаментальные основы оптической памяти и среды, Киев, "Вища школа", 1978, с. 88.

5. А.В.Грозный, A.M.Духовный, А.А.Лещёв, В.Г.Сидорович, Д.И.Стаселько, Преобразование световых пучков нестационарными трехмерными голограммами, Тезисы докладов IX Всесоюзной конфернции по когрентной и йелинейной оптике, посвященной памяти академика Р.В.Хохлова (г.Ленинград, 13 июня 1978г.), Москва,1978г.,с.260.

6. А.В.Грозный, A.M.Духовный, А.А.Лещёз, В.Г.Сидорович, Д.И.Стаселько, Исследование преобразования световых пучков пропускающими и отражательными динамическими объёмными голограммами с тепловым механизмом записи, III Всесоюзная конференция по голографии(г.Ульяновск, 25 августа 1978г.), Тезисы докладов, Ленинград, 1978г., с.35-36.

7. А.А.Лещёв, В.Г.Сидорович, Теория отражательной трёхмерной голграммы, III Всесоюзная конференция по голографии (г.Ульяновск, 25 августа 1978г.), Тезисы докладов, Ленинград, 1978г., с.49-50.

8. А.А.Лещёв, В.Г.Сидрович, Теория преобразования световых волн отражательными трёхмерными голограммами, "Оптика и спектроскопия", т.44, вып.2, 1978г., с.302-307.

9.А.А.Лещёв, В.Г.Сидорович, Теория преобразования световых волн амплитудно-фазовыми отражательными трехмерными голограммами. Сборник "Оптическая голография"(под ред. Ю.Н.Денисюка), Ленинград,

"Наука", 1979г., с. 42-52.

10. А.В.Грозный, А.М.Духовный, А.А.Лещёв, В.Г.Сидорович, Д.И.Стаселысо. Преобразование световых пучков пропускающими и отражательными динамическими объёмными голограммами с тепловым механизмом записи, Сборник "Оптическая голография"(под ред.Ю.Н.Денисюка), Ленинград, "Наука", 1979г., с.92-122. •

11. А.А.Лещёв, П.М.Семёнов, В.Г.Сидорович, 0 влиянии Мандельштамм-Бриллюэновского зеркала на параметры лазерного излучения. Сборник "Обращение волнового фронта"(под ред.В.И.Беспалова), г.Горький, 1979г.,с.135-145.

12. А.А.Лещёв,В.Г.Сидорович, Теория усиливающей отражательной голограммы, X Всесоюзная конференция по когерентной и нелинейной оптике. Тезисы докладов ч.1, Москва, 1980г., с.Ш-112.

13.А.А.Лещёв, В.Г.Сидорович, Модовая теория отражательной трехмерной усиливающей голограммы, Сборник "Проблемы оптической голографии"(под ред. Ю.Н.Денисюка), Ленинград, "Наука", 1981г.,с.27-39.

14. А.А.Лещёв, В.Г.Сидорович, К теории генерации оптического излучения отражательной трёхмерной голограммой, "Оптика и спектроскопия" т.57, вып.4, 1984г., с.765-767.

15. А.А.Лещев, Метод измерения числа пространственно-когерентных мод оптического излучения, "Оптика и спектроскопия" т.55, вып.6, 1983г., с.988-990.

16. А.А.Лещев, 0 методике эксперимента и интерпретации данных при измерении числа прострапственко-когерентных код оптического излучения, "Оптика и спектроскопия", т.59, вып.I,1985г.,с.172-175.

17 .М.В.Васильев, В.Ю.Венедиктов, А.А.Лещёв, П.М.Семёнов, О.В.Солодянкин, В.Г.Сидорович, Снижение контраст спекл-структры в изображении при лазерной подсветке, Оптика и спектроскопия, 1991, т.70,вып.I, с.6-7.

18. М.В.Васильев, А.А.Лещёв, П.М.Семёнов, В.Г.Сидорович, О влиянии вынужденного рассеяния внутри резонатора на пространственную когерентность лазерного излучения. Письма в ЖТФ, т.7, вып.6, 1981г., с.377-380.

19. М.В.Васильев, А.А.Лещёв, П.М.Семенов, В.Г.Сидорович, О некоторых особенностях модуляции добротности оптического резонатора ВРМБ зеркалом, ЖТФ, т.52, вып.2, 1082г., с.318-323.

20. В.Ю.Венедиктов, Л.Б.Лалыко, А.А.Лещев, В.Г.Сидорович, О пространственной когрентности стгксовой волны при ВРМБ. Письма в

- 20 -

ЖТФ, Т.10, вып. 7, 1884 г. с.401-405.

21. А.В.Ким, А.А.Лещёв, И.В.Хазанов, 0 режимах насыщения вынужденного температурного рассеяния волн. Известия Вузов, серия "Радиофизика", т.28, N5, 1885г. с.614-623.

22. А.А.Лзщзв, П.М.Семёнов, ОВФ излучения свободной генерации неодимового лазера в газах. Всесоюзная конференция ОВФ-86, Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах, г.Минск, февраль 1986г., Тезисы докладов, Минск 1987г., с.260-263.

23. М.В.Васильев, В.Ю.Венедиктов, А.А.Лещёв, П.М.Семёнов, В.Г.Сидорович, 0 нелинейных процессах, конкурирующих с ВРМБ, ЖТФ, Т.53, №10, 1983г.,с.1979-1983.

Цитированная литература.

I1. Ю.Н.Денисюк Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения. Доклады АН СССР, 1962,т.144, вып.6, с.1275-1278.

21. Ю.Н.Денисюк Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения. Оптика и спектроскопия 1965,т.18, №2, С.275-283.

З1. В.Г.Сидорович Модовая теория трехмерной голограммы. УФН.1978, Т.126, №4, с.686-688.

4! В.Г.Сидорович 0 дифракционной эффективности трёхмерных фазовых голограмм, ЖТФ, 1976,т.46,№6,с.1306-1312.

51. Стаселько Д.И., Нелинейное взаимодействие световых пучков в объёмных динамических голограммах, Труда ГОИ, 1988,т.67,в.201.

б! Беспалов В.И., Манишин В.Г., Пасманик Г.А., Нелинейная селекция оптического излучения при его отражении от зеркала на

ВРМБ. ЖЭТФ, 1979, Т.77, №5. с.1756.

Подл, в печ.05.03.96, Усл.печ.л. I, Тираж ТОО экз.. Заказ №51-8, ИПЦ РИЗО-принт . Бесплатно.