Экспериментальное исследование динамических свойств излучения СО2-лазеров с модулированными параметрами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РГ Б О^рСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕЗОЛЮЦИИ и' ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

1 1,- УНИВЕРСИТЕТ им, М.В.ЛОМОНОСОВА

I О ;! ■ - .' ;

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА

на правах рукописи

ЯРЦЕВ Владимир Петрович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИЗЛУЧЕНИЯ СО2 -ЛАЗЕРОВ С МОДУЛИРОВАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.

01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1994 г.

Работа выполнена в Троицком Институте Инновационных Термоядерных Исследований

Научный руководитель : кандидат физико-математических наук

ГЛОВА А.Ф. (ТРИНИТИ г. Троицк)

Официальные опоненты : доктор физико-математических наук

Гурашвили В.А. (ТРИНИТИ г. Троицк)

Ведущая организация : Научно-Исследовательский Центр по

Технологическим Лазерам РАН

заседании Специализированного Совета Д 053.05.80 НИИ ядерн физики Московского государственного университета им. М.В.Ломоносо Адрес: 119899,'Москва, Ленинские горы, МГУ, НИИЯФ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

доктор физико-математических наук, профессор Ковалев А.С.

Защита состоится

часов

Автореферат разослан

Учений секретарь

Специализированного Совета Д 053.05.80

кандидат физико-математических наук ^¿г&У^ Радченко В.В

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темн. В последние годы к исследованиям динамических характеристик излучения лазеров проявляется повышенный интерес. Это объясняется несколькими причинами. Во-первых, совсем недавно появились эксперименты, в которых был обнаружен хаотический

рйЖИМ йкиичнаода*^ 17Э ¿»и ЛЙЛННИ» хяртгттсрно ДЛЯ

многих лазерных систем и общая картина понимания далека от завершения. Во-вторых, связанные лазеры, системы с обратными связями и многие другие, являясь достаточно сложными, побуждапт к исследованиям всего многообразия динамических характеристик излучения в них. В-третьих, в различных задачах лазерной технологии приходится сталкиваться с нестационарными процессами обработки материалов обусловленными, к примеру, либо возникновением в луче плазмы оптического разряда, либо просто плавлением облучаемой мишени. Здесь требуется исследование динамических характеристик излучения системы лазер-плазмз-мишень.

Цель диссертационной работы заключается в экспериментальном исследовании динамических свойств излучения СО -лазера при модуляции следующих параметров: накачки активной среды, интенсивности излучения в системе связанных лазеров при инжекции в резонатор внешнего поля с отстроенной от внутренней частотой генерации, порога генерации в системе лазер-оптический разряд-отражаюсая мишень.

Научная новизна • работы заключается в том, что в ней экспериментально исследованы следующие вопросы динамики излучения С0г-лазера. Впервые, методом модуляции накачки получена хаотическая динамика лазера при частоте модуляции близкой к собственной частоте релаксационных колебаний мощности лазера. Впервые, для двух связанных лазеров обнаружен переход к хаотическому режиму генерации.

Впервые, осуществлена синхронная генерация двух непрерывны} СОг-лазеров при четырехволновом смешении лазерных лучей е поглощающей жидкости. Впервые, в лазере с составным резонатором, содержащим непрерывный оптический разряд, обнаружены низкочастотные и высокочастотные колебания мощности лазерной генерации. Обнаружен сильная зависимость простраственно-временных характеристик оптического разряда от угла фокусировки излучения лазера. Впервые, экспериментально доказана возможность рефракционного утирения лазерного пучка на поддерживаемой им плазме оптического разряда.

Практическая ценность работы. Результаты, полученные е диссертации, расширяют существующие представления о физически* процессах в лазерах при модуляции их параметров и могут быть использованы при разработке конкретных лазерных систем. Обнаруженные хаотические режимы работы лазеров являются свойством данных систем к ке могут быть устранены путем повышения жесткости конструкции, улучшения стабильности характеристик активной среды и т.д. Синхронизация лазеров при четырехволновом смешении лазерных лучей не нелинейном зеркале может быть использована для синхронизации большого числа периодически расположенных лазеров. Исследованная е диссертации система лазер - плазма оптического разряда - отражающаг мишень, моделирует многие реальные процессы в задачах лазерной технологии. Показано, что в зависимости от условий облучения отражающей поверхности, свойств оптического разряда в сфокусированнок лазерном пучке , характеристик лазера (мощности излучения, прозрачности резонатора) и других параметров, режим облучения мишени может быть как стационарным так и нестационарным. Рефракция

лазерного излучения на поддерживаемой им плазме оптического разрядг

• ^ с

также приводит к изменению режима обработки, так как яз-зг

дефокусировки пучка падает эффективность его взаимодействия с облучаемым образцом. С обнаруженными эффектами необходимо считаться ¡¡а практике при выборе условий взаимодействия лазерного излучения с поверхностью.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Пппи.то..«« Г»"»П»![»1 И СПрСДи^ОпЛе 6Л

возникновения в одномодовом СОг-лазере с периодической накачкой активной среды при близости частота модуляции и собственной частоты релаксационных колебаний мощности лазера.

2. Экспериментальная демонстрация возможности развития динамического хаоса через последовательность, бифуркаций удзоения периода в системе двух оптически связанных СОг-лазеров на границе их области синхронизации.

3. Синхронизация излучения двух непрерывных СО -лазеров при четырехволновом смешении лазерных лучей в поглоцзацей жидкости. Определение порога синхронизации по интенсивности обращенной волны и точности подстройки резонаторов.

4. Определение условий нестационарной генерации С"г-лэзера непрерывного и импульсно-периодического действия с оптическим разрядом в составном резонаторе.

5. Влияние угла фокусировки излучения на динамические характеристики оптического разряда, распространяющегося в сфокусированном луче СОг-лазера.

6. Прямое экспериментальное доказательство возможности рефракционного уширения лазерного пучка на поддерживаемой им плазме оптического разряда.

Апробация работы. Основные результаты диссертации, докладывались на семинарах Филиала Института Атомной Энергии ям.

II.В.Курчатова, на 3-ей Всесоюзной конференции "Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом" (Сухуми, 1988г.), на 2-ой Европейской конференции по квантовой электронике (Дрезден, 1989г.), не 8-ом Интернациональном симпозиуме по газовым потокам и химическим лазерам (Мадрид, 1990г.), на Международном симпозиуме spie по лазерной физике и прикладной оптике (Бостон, 1990г.), на 6-ой Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитированной литературы из III названий. Общий объем работы 133 страницы, из которых основной текст диссертации содержит 79 страниц и 43 рисунка, список литературы - 12 страниц.

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обсуждается актуальность темы, дается сбщая постановка задач диссертации и приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе • дается обзор работ по исследованию динамического хаоса в лазерах с активной модуляцией параметров, приводятся результаты экспериментального исследования хаотической генерации СОг-лазера с модуляцией накачки.

Автостохастическйе режимы в квантовых генераторах предсказывались еще в 1964 году, когда были обнаружены "странные" нерегулярные решения нелинейных уравнений, описывающих динамику излучения в молекулярных квантовых генераторах-мазерах. Впервые,

хаотический режим работы лазера был обнаружен для одномодового С02-лазерэ с однородноуширенной линией усиления в режиме модуляции добротности, глубина модуляции составляло m«(I-5)2, а ее частота была близка к собственной релаксационной частоте модности лазера. Если вместо потерь модулировать накачку, можно также ожидать

пнпнХОЛЯ " таллу ттл w ""ГТ СО -ЛЗоТП '■'. — ТЛЛИПЛ I

¿ - J J *' ' , - • ¿ ' 1 ' - ^ J , / * - 2 • ¡i ** J 4

должна быть -100%. В эксперименте хаотический режим методом модуляции накачки был получен в других условиях - в Соцлагере при 1-1% и частоте модуляции гораздо меньшей релаксационной частоты.

В данной работе был получен хаотический режим гене.рации С0г-лазера с периодической модуляцией накачки различной глубины при близости частоты модуляции и -собственной частоты релаксационных колебаний мощности лазера. Использовался квазистационарный волноводннй лазер, возбуждаемый емкостным разрядом переменного тока с частотой £=10кГц, длительность импульса генерации составляла ЮОмс. В качестве активной среды применялись смеси газов С02, лг, Не при давлении 25-30 мм.рт.ст. с различным содержанием компонент, что позволяло варьировать время релаксации верхнего лазерного уровня в пределах т=0.07-0.3мс. Обнаружено, что при фиксированной накачке по мере увеличения порога генерации при внесении калиброванных ослабителей в резонатор, когда выполнялось условие 1.05<go/gn<I.2 (g0,gn - коэффициент усиления слабого сигнала и его пороговое' значение соответственно), последовательно нэблпдались удвоение, учетверение периода (2f)~] и хаотическое изменение интенсивности излучения. Получены фазовые портреты хаотического режима и обнаружено окно стабильности периода (2f/8)~í Оказалось, что бифуркации удвоения периода возникали по мере приближения средней величины собственной релаксационной частоты мощности лазера

П=[сдп/1-[д^д^-1) к частоте модуляции накачки 2f, ее величин; определялась по известным 1,до,дп. Значения д0 для исследуемы) активных сред определялись по экспериментальным зависимостж. мощности излучения от порога генерации, здесь же определялась глубина модуляции до, для исследуемых смесей и ее значение составилс 5-20%. По измеренным зависимостям времени задержки импульса генерации относительно импульса тока накачки от порогового коэффициента усиления определялись значения ч. Результаты эксперимента хорошо согласуются с результатами численного исследования.

Вторая глава посвящена исследованию динамики генерации оптически связанных лазеров. В начале главы дается обзор литературы, характеризующий современное состояние проблемы. Далее излагаются результаты экспериментального исследования динамических свойств излучения двух оптически связанных С02-лазеров в случае линейной и нелинейной оптической связи.

• Интерес к таким системам связан с возможностью создания мощных лазеров, представляющих из себя сборку большого числа одинаковых лазеров. При сфазированной генерации лазеров размер пятна фокусировки определяется размером всей сборки и, таким образом, можно получить выигрыш в яркости излучения. Когерентный или независимый режим работы возникает в зависимости от величины коэффициента связи и расстройки частот связанных лазеров. Для синхронизации необходимо выполнение условия: 614(М2)Здесь: Сь - разность оптических длин резонаторов, Мг- доля инжектируемой интенсивности излучения по отношению к собственной, Л. - длина волны излучения. На границе этих двух режимов можно ожидать усложнения поведения динамической системы. На это косвенно указывают результаты

)Гс следований"Тинх'ронйзаций лаз"ёр&"~ вн им излучением" "с""частотоЯ7" отстроенной от частоты генерации. Численное исследование границы области синхронизации позволило обнаружить "островки" странных аттракторов. Дополнительно было показано, что хаотическая генерация возникает тогда, когда амплитуда инжектируемого поля не достаточна для синхронизации внутреннего поля, а расстройка частот полей близка

1у СООСТВСТУТТ^^Т Г^ О /* 1Т» А Я* О илШОПОФЧ лооопа гшгтттопт*ис»и*рг%в

по исследованию динамических режимов связанных лазеров на границе синхронизации до сих пор не было.

Как возможный способ синхронизации лазеров, исследовалась синхронизация непрерывных волноводных С0г-лазеров при четырехволновом смешении светових пучков в поглощавшей жидкости. Пучки лазеров мощностью 5-10 Вт с длительностью импульса генерации до 50чс при помощи согласующей линзы сводились в кювете с нелинейной жидкостью. Угол схождения и диаметры перетяжек лучей в жидкости составляли 10-30мрад и 3.2мм соответственно. Кювета толщиной 0.2мм, куда заливался толуол, образована плоскопараллельной пластиной из кс1 и плоским металлическим зеркалом, нормальным к лучу одного из лазеров. Регистрируя угловое распределение интенсивности излучения 2-ух лазеров в дальней зоне, можно было судить о наличии или отсутствии синхронного режима. Зависимость порогового коэффициента оптической связи между лазерами Мп2, при котором появляется сфазированная генерация, от расстройки оптических длин резонаторов бь измерялась в случае прямого обмена излучением между лазерами. Коэффициент связи варьировался с помощью тефлоновых ослабителей и его максимальное значение Мпг«0.6 соответствует 51/.Х/4, а минимальное Мпг»<5-10~4 получено при наиболее точной подстройке б1/»Ю~гА., реализуемой в условиях эксперимента. Исследовалось две

оптические схемы. В одной из них с помощью светоделительных пласти .из гпэе часть излучения одного из лазеров ответвлялась и луч сводились на нелинейном зеркале, образуя затравочную теплову решетку в нелинейной жидкости. В другой - светоделительные пластин отсутствовали и затравочная решетка не инициировалась. В обои экспериментах через задержку времени -Юме после начала генераци наблюдалась когерентная работа лазеров. Коэффициенты оптическ связи, в случаях с затравочной решеткой и без нее, составил Н2-2-Ю-2и М2^Ю~3 соответственно. Оценки- показали, что дл синхронизации лазеров во втором случае подстройки -К/100 н достаточно. Необходимая для синхронизации величина бь здесь возмокн из-за "самоподстройки" длин резонаторов в процессе работы лазеро звиду разной скорости нагрева газа в разрядных трубках. Вслед з этим в поглощающей жидкости наводится затравочная решетка в дальнейшем синхронный режим поддерживается аналогично первом; случаю. Исследованный метод синхронизации может быть использован дл: синхронизации большого числа лазеров.

Динамические характеристики лазеров на границе облает! синхронизации исследовались' в схеме с линейной связью. Величина М варьировалась введением в оптическую зону калиброванных ослабителе! и могла уменьшаться -до ~Ю"\ Величина 0 менялась введением 1 резонатор другого набора ослабителей. Расстройка частот лазеров Аш1 контролировалась по частоте биений интенсивности пучков, сведении) на фотоприемник при перекрытой связи. Измерения проводились за врем; -10~*-10~3с, в течение которого фаза коэффициента связи оставалас! неизменной. Динамика излучения- одного из лазеров регистрировала^ фотоприемником. Обработка сигналов осуществлялась с помощь; микро-ЭВМ. В условиях обмена излучением, но в отсутствие фазово:

синхронизации, выходное излучение лазеров модулируется расстройкой^ Ди , которая.менялась в -пределах- 105-107ГцТ Частота 0 определялась по той же методике, что и в эксперименте с модуляцией накачки. Исследование особенностей генерации проводилось для двух значений 0/2х, соответствующих 80кГц и 140кГц. Для обоих значений собственных частот при Дш1г«П в спектре интенсивности излучения наблюдались частоты, соответствующие удвоений и учетверению периода йтл«^ ° отдельны а м.1»»« пр™ гсрыриЬопйи м5, й» " поСли&ался более сложный спектр интенсивности, соответствующий переходу системы к хаотическому режиму. Результаты эксперимента хорошо согласуются с численными расчетами.

В третьей главё исследуютсл условия нестационарной генерации С0г-лазера в присутствие плазмы оптического разряда (ОР), локализованного у отражающей поверхности. Глава начинается литературным обзором. Затем, приводятся результаты экспериментального исследования динамических характеристик ОР и устойчивости генерации СОг-лазера непрерывного и икпульсно-периодического (ип) действий с ОР в составном резонаторе.

Оптический разряд, возникающий в сфокусированном луче мощных лазеров при термической обработке материалов, оказывает -существенное влияние на эффективность обработки. Это влияние проявляется в ■изменении как характеристик распространяющегося сквозь него ' лазерного излучения (поглощение, рефракция), так г свойств выходного излучения лазера из-за попадания назад в резонатор части излучения, отраженного от плазмы ОР или расположенной за ним мишени. Отражающая мишень вместе с лазерным резонатором образуют составной резонатор, порог которого оказывается переменным из-за нестационарности ОР. Близкие к данной задачи ухе исследовались. Примеры :

нестационарная генерация СОг-лазера как с устойчивым так неустойчивым резонатором, излучение .которого фокусировалось I мишени и, пройдя через эрозионный факел, возвращалось в лазер, здес наблюдались высокочастотные осцилляции мощности лазера -0.1-1мГ1 нестационарная генерация в системах с обратными связями и; запаздыванием и нелинейным поглотителем.

В данной работе вначале исследовалась устойчивость ОР в луч непрерывного многолучевого СОг-лазера от угла фокусировки возможность рефракционного уширения пучка на плазме ОР Горизонтально ориентированный ОР поджигался в аргоне при давлени 4-8атм., мощность лазера составляла 2кВт. Диапазон половинных угло фокусировки составлял а=0.1-0.46 рад. Пространственное положение О исследовалось методом скоростного фотографирования. В зависимости о угла фокусировки обнаружены стационарный и квазистационарный режим его существования. Обнаружено несоответствие положения задне границы ОР в пучке лазера при малых углах фокусировки, полученных эксперименте, и расчитанных по излучательно-теплопроводностно модели. Полученное расхождение можно объяснить наличием рефракци пучка на плазме. Для 'доказательства рефракции анализировалис экспериментальные распределения интенсивности излучения лазера фокальной плоскости линзы, в лучах которой распространялся разряд, отличие от начального распределения интенсивности в отсутствие ОР было обнаружено существенное увеличение интенсивности в крылья распределений, которое и объясняется рефракцией пучка на плазме.

Затем, экспериментально исследовались динамически характеристики излучения в системе лазер - оптический разряд отражающая поверхность. Излучение многолучевого С02-лазера пр помощи линзы г=44см фокусировалось под углом а-ОЛрад в камер

взаимодей'ствия, наполняемую ксеноном при давлении 1-2атм. Лазер работал в двух режимах: квазинепрерывном_ длительностью- ~100мс,_ импульсно-периодическом топ же длительности с варьируемой длительностью отдельных импульсов излучения 1-Юмс, следующих со скважностью 1,1-2. Средняя мощность лазера изменялась от 0.5 до 3кВт. Мишень моделировалась вогнутым медным зеркалом и=6см, установленным на расстоянии и от фокуса линзы, в лучах которой поджигался ОР. Раеетояпкс ~~ - лшиа «клял» »«*■• к/и * < »-

367см, этим достигалось амплитудное согласование лазерных пучков на выходной апертуре. В ходе измерений осуществлялось рассогласование системы "фокусирующая линза - отражающее зеркало" путем перемещения линзы навстречу лазерному лучу в пределах б=0-6мм. Динамика изменения во времени падающей и прошедшей через плазму модности излучения регистрировалась фотоприемниками. Пространственные характеристики ОР исследовались с помощью работающего в режиме лупы времени модернизованного фоторегистратора типа С1>Р-1. Динамика генерации лазера в присутствие ОР с отражающим зеркалом зависела от мощности лазера, способа накачки рабочей среды и степени расстройки телескопа б. В ип-режиме для одиночных лазеров, составляющих многолучевой лазер, в паузе между соседними импульсами и в яя.фрг.н-товой области импульсов наблюдались высокочастотные -Ю-ЮОкГ;: колебания мощности. Амплитуда колебаний носит нерегулярный характер и может превышать величину, соответствующую мощности лазера без С?. Характер изменения во времени мощности излучения лазера начинал зависеть от величины мощности при расстройке телескопа. При непрерывной накачке и мощности лазера меньае 2кВт обнаружены ее низкочастотные колебания ЮО-ЗООГц, глубина модуляции интенсивности излучения многолучевого лазера составляла ~Ь% , а для отдельных

лазеров сборки достигала -20%. При этом прошедшее через ОР полное так и излучение одиночного -лазера сборки испытывало ш 100% модуляцию. Колебания мощности оказались синхронизованным колебаниями слоев плазмы ОР. Для мощности лазера 2-2.5 кВт колеб! мощности отсутствовали, слои ОР занимали устойчивое положени пучке. Анализ показал, что неустойчивое поведение ОР связано с неуст<?чивостью в слабосходящемся пучке излучения. Колебания мощнс лазера можно объяснить влиянием нестационарного ОР на вели1 порогового коэффициента усиления лазера с составным резонато! . т.к. меняется прозрачность плазмы.' В ип-режиме даже при слг изменении прозрачности ОР сильно меняется набег фазы излучения ме * выходным и отражающим сферическим зеркалом составного резонато что и приводит к высокочастотной модуляции выходного излучения.

В заключении диссертации отмечается научная новизна практическая ценность работы.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

. I... АнтюховВ.В., Глова А.Ф., Качурин O.P., Лебедев Ф.В., Ярцев В.П. Волноводный лазер на С0г, возбуждаемый емкости разрядом переменного тока. - Препринт ИАЭ - 3935-/ 14 -, 198

2. Глова А.Ф., Лебедев Ф.В., Ярцев В.П. О рефракции лазерно

излучения на плазме оптического разряда. -Квантовая электро ка , т.12 , n 12 , с.2471-2473 , 1985 .

3. Бурмистров В.В., Глова А.Ф., Лебедев Ф.В., Ярцев В.П. Динам:

ческие характеристики оптического разряда, распространяющеп в сфокусированном луче лазера на С0г. -Квантовая электрони] Т.14 , N 3 , с.614-616 , 1987 . .

-154. Бондаренко A.B., Глова А.Ф. , Лебедев Ф.В., Лихзнский В.В., Напартович А.П., Письменный В.Д., Ярцев В.П. Фазовая синхронизация волноводных С02 - лазеров при четырехьолносом взаимодействии световых пучков в поглощапцей жидкости . Квантовая электроника, т. 15 , N 5 , с. 877-878 , 1988 .

5. Бондаренко A.B., Глова А.Ф., Козлов С.Н., Лебедев Ф.В.,

2."., """"р1"д.П., Письменный в.Д.. Ярцев В.П. Бифуркации и хаос в системе оптически связанных СС2 - лазер::;.

- ЖЭТФ , т. 95 , вып. 3 , с. 807-816 , 1989 .

6. Глова А.Ф., Козлов С.Н., Лиханский В.В., Ярцев В.П.

Бифуркации и хаос в С0г - лазере с периодической накачкой. Квантовая электроника, 17 , n 7 , с. 894-896 , 1990 .

7. А.Ф.Глова, В.П.Ярцев. Нестационарная генерация СО -лазера■в

системе лазер - оптический разряд - отражающая поверхность.

- Квантовая электроника ,т.19, i5, с.491-494, 1392 .

I

I