Экспериментальное исследование режима и динамики генерации рубинового и неодимовых лазеров с кратковременной периодической модуляцией потерь тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Л Г"

'и "

САРАТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО

КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО

На правах рукописи

ХРАМОВ Владимир Николаевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА И ДИНАМИКИ ГЕНЕРАЦИИ РУБИНОВОГО И НЕОДИМОВЫХ ЛАЗЕРОВ С КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ПОТЕРЬ

01.04.21 - Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Саратов - 1995

Работа выполнена в лаборатории квантовой электроники НИС Волгоградского государственного университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент Аникеев Б. В.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Хижняк А.И. (г.Киев);

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Акчурин Г.Г. (г.Саратов)

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт при Санкт-Петербургском Государственном Университете "РОССИЙСКИЙ ЦЕНТР ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКИ"

Зашита состоится " 27 " ноября 1995 года в 15^ часов на заседании специализированного Совета К.063.74.11 по специальности 01.04.21 - Лазерная физика в Саратовском государственном университете им. Н.Г.Чернышевского (410071, г.Саратов, Астраханская, 83, физический факультет).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ.

Автореферат разослан " 24 " октября 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат физико-математических наук, доцент

Дербов В.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Среди многообразия различных типов импульсных твердотельных лазеров генерирующие ультракороткие световые импульсы (УКИ)*' лазеры находят в настоящее время все более широкое применение во многих областях науки и техники. Современные лазеры позволяют генерировать УКИ во всем пикосекундном диапазоне длительностей, а с использованием методов их компрессии - и в фемтосекундном диапазоне. Но если применение фемтосекундных УКИ пока проблематично, то интерес к мощным лазерам субнаносекундно-го диапазона ( 0,1*1 не) связан с большими перспективами их использования в лазерной локации, в качестве источников накачки и управления другими лазерами, в волоконно-оптических линиях передачи, в исследованиях быстропроте-кающих процессов в химии, в физике (например, при исследовании нелинейных эффектов, свойств тонких пленок, процессов в плазме) и др. Большие возможности может дать их использование в медицине (например, в офтальмологии) и технологиях микроэлектроники (например, для тонкой обработки поверхностей, напыления тонких пленок и т.д. ). В перечисленных случаях высока потребность в лазерах с энергией УКИ в единицы джоулей и более.

Но существующие субнано- и пикосекундные лазеры имеют общий недостаток - они работают только в ограниченном диапазоне накачек, и как следствие этого УКИ обладают малой энергией. Использование многокаскадных усилителей из-за сложности их конструкции и потребности при эксплуатации высококвалифицированного персонала такой актуальной проблемы, как создание высокоэнергетических компактных лазерных источников для широкого практического использования не решают. Другая проблема - стабильность и воспроизводимость энергетических и временных параметров

Под УКИ подразумеваются импульсы с длительностями существенно меньшими, чем время обхода волной лазерного резонатора.

УКИ тоже обычно решается достаточно громоздкими способами. Поэтому дальнейшая разработка и исследование методов формирования высокоэнергетических УКИ, для которых стабильность режима генерации слабо зависела бы от изменения величины усиления, добротности резонатора, выбора активной среды и других параметров, до сих пор остается актуальной задачей.

Цель работы.

Кардинальное решение проблемы повышения выходной энергии лазеров пикосекундного диапазона было предложено ранее [Л1]. Оригинальный способ генерации субнано-секундных лазерных импульсов - метод мгновенного включения добротности с кратковременной периодической модуляцией потерь (КПМП), позволил осуществлять генерацию субна-носекундных импульсов с энергиями УКИ, достигающими энергии насыщения активной среды. Суть метода КПМП заключается в том, что после мгновенного включения добротности (как в режиме гигантского импульса) в резонаторе лазера осуществляется кратковременная (в течение нескольких десятков периодов обхода волной резонатора), но глубокая, практически 100%-ная резонансная электрооптическая периодическая модуляция потерь. Затем устанавливается максимальная для данного лазера добротность резонатора и УКИ свободно развивается, используя полностью инверсию насе-ленностей, накопленную в активном элементе. В [Л2,ЛЗ] были исследованы основные характеристики экспериментальной установки КП М П-лазера*) на рубине и предложена численная модель формирования УКИ в КПМП-лазере, основанная на развитии УКИ из начального спонтанного излучения под действием КПМП со 100%-ной глубиной.

*) Как в заглавий работы, так и далее по тексту термин "КПМП-лазер" следует понимать как экспериментальную установку соответствующего лазера с мгновенным включением добротности и кратковременной периодической модуляцией потерь, а не опытный или промышленный образец такого лазера.

Тем не менее до сих пор этот метод распространения не получил. Ситуацию можно объяснить, с одной стороны, недостаточной изученностью физического механизма формирования УКИ в таком лазере и прежде всего его зависимости от спектральных свойств активной среды. С другой стороны, отсутствием данных о возможности реализации метода КПМП на современных широко используемых активных средах.

Поэтому целью данной работы является, с одной стороны, дальнейшее путем систематических экспериментальных исследований изучение физики процессов формирования УКИ в КПМП- лазерах, накопление данных об их режиме генерации. С другой стороны - осуществление КПМП и исследование временных, спектральных и энергетических характеристик в лазерах на таких активных средах, как популярные алюминат иттрия с неодимом (АИ:Ш3+) (имеющий сравнимую с рубином ширину линии усиления) и более широкополосная активная среда - неодимовое стекло.

Научная новизна работы определяется комплексом впервые полученных в ходе проведенных исследований результатов. При выполнении данной работы впервые осуществлен и исследован режим КПМП в лазерах на двух неодим-содержаших активных средах. Исследовано влияние на временные, спектральные и энергетические характеристики рубинового и на неодимовом стекле КПМП-лазеров различных параметров: уровней накачки и потерь в резонаторе, расстройки между частотой периодической модуляции потерь и межмодовой частотой, ширины полосы усиления, периодической частотной селекции. Найдены условия генерации одиночного УКИ в КПМП-лазере на АИ:Ш3+ . Экспериментально исследованы возможности КПМП-лазера в отношении точности временной привязки УКИ к внешнему управляющему сигналу. На основе аналитической модели нестационарных супермод объяснена обнаруженная ранее в КПМП-лазерах регулярная модуляция интегрального спектра генерации и специфическая связь спектральных и временных характеристик излучения КПМП-лазеров.

Практическая значимость работы.

Показанная в работе присущая КПМП-лазеру высокая точность временной привязки УКИ к внешним процессам (не хуже 1 не) может существенно увеличить точность измерений при использовании КПМП-лазеров в дальномет-рии. Она важна в исследованиях быстропротекающих процессов, при формировании пикосекундных электрических импульсов за счет детектирования лазерных высокоэнергетических УКИ. Осуществление в КПМП-лазере на АИ:Н<33+ генерации мощных одиночных УКИ позволяет создавать принципиально новые лазерные приборы, например, для дальнометрии, зондирования атмосферы и др. без специальных схем выделения отдельных УКИ из цуга. Реализация режима КПМП в лазере на неодимовом стекле позволила почти на порядок уменьшить длительности УКИ в КПМП-лазерах относительно достигнутых до сих пор. Характерные для всех исследованных КПМП-лазеров высокие энергетические характеристики (энергия УКИ ~1 Дж при длительностях менее 200 пс) в совокупности с простотой конструкции КПМП-лазеров позволяют ожидать применение таких лазеров в областях, где сейчас необходимы надежные лазерные инструменты пикосе-кундного диапазона с высокой выходной энергией. В данной работе в качестве объектов исследования были выбраны сейчас наиболее используемые на практике активные среда. Получен комплекс необходимых при ОКР физических данных по режиму генерации в этих типах КПМП-лазеров.

Достоверность результатов осуществленных в работе физических экспериментов определяется тем, что они получены на основе стандартных методик измерений временных, спектральных и энергетических характеристик излучения с учетом статистической обработки данных. Достоверность результатов экспериментов подтверждается также хорошим их согласием с соответствующими данными анализа и численного моделирования процесса генерации.

Защищаемые положения:

1. Впервые режим мгновенного включения добротности с глубокой кратковременной периодической модуля-

6

цией потерь осуществлен в активированных неодимом средах: алюминате иттрия и стекле. Показано, что КПМП-лазер способен генерировать одиночные пикосекундные УКИ.

2. Рубиновый КПМП-лазер генерирует импульсы, являющиеся нестационарными супермодами. Это проявляется в ступенчатом характере зависимости длительности УКИ от числа периодов модуляции потерь и периодической структуре спектров генерации в эксперименте и приводит к совпадению их статистики с известной из численного эксперимента статистикой числа регулярных выбросов в УКИ.

3. Экспериментальными исследованиями установлено, что в КПМП-лазерах, несмотря на сильное невыполнение условия спектрально-ограниченного импульса, увеличение ширины линии усиления приводит к уменьшению длительности УКИ, которая при 16 см*1 может составлять -50 пс при ограничении энергии импульсов только оптической прочностью элементов установки, т.е. до единиц джоулей.

Апробация результатов.

Основные результаты работы докладывались на XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (С.-Петербург, 1995 г.), симпозиуме "Прикладная оп-тика-94" (С.-Петербург, 1994 г.), II+IV региональных научных семинарах "Применение лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве" (Волгоград, 1989 - 1991 it.), Всесоюзном научном семинаре "Метрология лазерных измерительных систем" (Волгоград, 1991 г.), а также на научных семинарах лаборатории квантовой электроники Волгоградского госуниверситета, кафедры оптики Саратовского госуниверситета, отдела квантовой электроники НИИ Физики при СПбГУ, Российского центра лазерной физики (С.-Петербург), Института прикладной оптики HAH Украины и отдела квантовой электроники Института физики HAH Украины.

Результаты, представленные в диссертации, получены в ходе выполнения НИР по централизованным общесоюзным программам "Лазеры-1" и " Лазеры-2", республиканским программам "Лазеры и их новые приложения в народном хозяйстве и научных исследованиях" и "Наукоёмкие технологии".

Публикации.

Материалы диссертации представлены в 15 научных публикациях, из них 4 статьи в журналах [1-ьЗ] и сборнике [11]. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 162 страницы машинописного текста, включая 39 рисунков и список литературы (134 наименования).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования и основные защищаемые положения, отмечены научная новизна и практическая значимость работы, кратко изложено содержание диссертации.

В главе I проведен обзор основных методов генерации УКИ пикосекундного диапазона твердотельных лазеров и их сравнительный анализ. Показано, что работающие на основе пассивной, активной и комбинированной синхронизации мод лазеры с УХИ при различных достоинствах (минимально достижимых длительностях, стабильности параметров и т.д.) обладают существенным недостатком - эффективная генерация УКИ в таких лазерах может бьггь осуществлена лишь при накачках невысоко над порогом, что резко ограничивает выходную энергию УКИ. Отмечено, что метод КПМП позволяет решить эту проблему и формировать УКИ практически при любых превышениях над порогом генерации. Это обеспечивает предельную энергию и довольно высокую воспроизводимость временных и энергетических характеристик УКИ. Изложены результаты проведенных к моменту начала данной диссертационной работы исследований характеристик излучения КПМП-лазера. Сформулирована задача исследования.

В главе 2 приведены результаты экспериментальных исследований КПМП-лазера на рубине. Описана экспериментальная установка и методики проводимых измерений. Рассмотрено влияние длительности модуляции потерь и расстройки между частотой периодической модуляции потерь и межмо-

довым интервалом на временные характеристики излучения. Определены условия генерации КПМП-лазером на рубине УКИ минимальной длительности. Обнаружено, что минимум длительности составляет -300 пс. Установлено, что воспроизводимость длительности УКИ не хуже 90% в исследованной области расстроек ±2%. Обнаружено, что уменьшение длительности УКИ с увеличением количества периодов модуляции носит ступенчатый характер. После -50 периодов модуляции длительность УКИ практически не уменьшается. Проведены статистические исследования интегрального спектра генерации.

В главе 3 исследуются неодимовые КПМП-лазеры. Определены характерные для исследуемых сред особенности динамики генерации. В КПМП-лазере на АИ:1Чс33+ определены параметры режима, при которых происходит генерация одиночного УКИ. Наибольшее внимание уделено динамике формирования УКИ в КПМП-лазере на неодимовом стекле. Обнаружено, что этот лаж р. как и лазеры нз однородноуширенных средах, работает в режиме нестационарных супермод. Рассмотрено влияние на временные, энергетические и спектральные характеристики излучения расстройки и усиления. Найдены области параметров, при которых КПМП-лазер на неодимовом стекле генерирует УКИ минимальной длительности.

В главе 4 представлены результаты расчетов на основе численной модели линейного этапа формирования УКИ КПМП- лазера основных временных, энергетических и спектральных характеристик генерации. На основе аналитической модели нестационарных супермод, описывающей механизмы образования в КПМП-лазерах ультракоротких импульсов в виде регулярно расположенных выбросов, объяснен эффект регулярной модуляции интегральных спектров генерации КПМП-лазеров. Типичные экспериментальные интерферо-граммы показаны на рис.1. Путем сравнения результатов численных расчетов с результатами физического эксперимента подтверждено хорошее соответствие данных моделей происходящим в реальном лазере процессам. Излагаются результаты экспериментов по определению точности временной привязки УКИ к внешним процессам и влиянию технических факторов на стабильность временной привязки УКИ. Пред-

9

ставлено исследование влияния периодической селекции спектра за счет введения в качестве выходного зеркала плоскопараллельной стеклянной пластины на характеристики генерации КПМП-лазера на неодимовом стекле.

а

| 1 см"1 I I 1 см"1 I

Рис.1. Типичные интерферограммы интегрального спектра генерации КПМП-лазера на рубине.

В заключении обобщаются основные полученные в ходе экспериментальных исследований процесса формирования УКИ в КПМП-лазере результаты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые созданы экспериментальные установки лазеров на неодимсодержащих средах с мгновенным включением добротности и глубокой кратковременной периодической модуляцией потерь. Продемонстрирована устойчивость их режима генерации по крайней мере до 160%-ного превышения накачкой порога самовозбуждения лазера.

2. Экспериментальными исследованиями для рубинового лазера установлено, что статистика полос регулярно про-модулированного интегрального спектра генерации лазера с кратковременной периодической модуляцией потерь совпадает со статистикой нестационарных супермод, возбуждающихся в этом режиме. Данное обстоятельство связано с тем, что нестационарные супермоды лазера с кратковременной периодической модуляцией потерь инвариантны по отношению к преобразованию Фурье.

3. Показано, что для низкодобротных резонаторов увеличение накачки активного элемента лазера с кратко-

временной периодической модуляцией потерь сопровождается укорочением длительности импульсов его генерации, чему соответствуют уширение отдельных полос в интегральном спектре излучения и уширение всего спектра в целом.

4. Экспериментальными исследованиями установлено, что режим генерации нестационарных супермод в лазере с кратковременной периодической модуляцией потерь осуществляется по крайней мере при линиях усиления, ширина которых лежит в диапазоне 1,5*16 см-1. При 16 см-1 происходит уменьшение длительности ультракоротких импульсов генерации. Минимальные измеренные в эксперименте длительности импульсов лазера с мгновенным включением добротности и кратковременной периодической модуляцией потерь составляют менее 200 пс. Однако на основе данных спектральных измерений минимальная длительность может составлять величину окопа 50 пс,

5. Обнаружено, что периодическая частотная селекция в резонаторе лазера с кратковременной периодической модуляцией потерь приводит к увеличению длительности ультракоротких импульсов генерации и к формированию импульсов в виде аналогичных супермодам волновых образований.

6. Подбором параметров режима лазера с мгновенным включением добротности и кратковременной периодической модуляцией потерь на алюминате иттрия, активированном неодимом, впервые продемонстрирована возможность генерации в таком лазере высокоэнергетических одиночных импульсов пикосекундного диапазона с энергией ~1 Дж. Принципиально их энергия ограничена только оптической прочностью элементов лазера.

7. Экспериментально показано, что нестабильность временной привязки ультракоротких импульсов лазера с кратковременной периодической модуляцией потерь к внешнему управляющему сигналу обусловлена нестабильностями в электрических цепях синхронизации. В эксперименте нестабильность составила не более 1нс.

Список используемых источников.

JI1. Способ активной синхронизации мод: A.c. 716484 СССР, 1980 / Б.В.Аникеев, В.М.Андреянов, В.Р.Козубовский.-5 с.

JI2. Аникеев Б. В. О динамике активной фазировки мод в импульсном лазере с периодической модуляцией потерь // Письма в ЖЭТФ.-1974,- Т.19.- вып.1.- С.34-38.

J13. Аникеев Б.В., Хижняк А.И. Импульсный лазер с кратковременной периодической модуляцией потерь // В сб. Квантовая электроника. Киев: Наукова думка, 1986.- №30.-С.З- 15.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Khramov V.N., Zatrudina R.Sh., Anikeev B.V. Reproducibility of Parameters of Pulses Produced by Lasers with Short-Terra Periodic Modulation of Losses // Laser Physics.- 1993.-Vol.3, No.3.- P.559-565.

2. Храмов B.H., Затрудина Р.Ш., Аникеев Б.В. Исследование точности временной привязки субнаносекундных импульсов лазера с кратковременной периодической модуляцией потерь//Квантовая электроника.-1993.-Т.20.-№7.- С.721-724.

3. Anikeev B.V., Zatrudina R.Sh., Khramov V.N. Spectroscopy of Supermodes in an SPML-Laser // Laser Physics.- 1994,- Vol.4, No.3.- P.457-466.

4. Храмов B.H., Затрудина Р.Ш., Аникеев Б.В. Параметры КПМП-лазера с регулируемой задержкой в двойном электрооптическом затворе // Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве: Тез.докл.Н Нижне-Волжского регионального научного семинара. 23-27 августа 1989.- Волгоград, 1989.- С.13-14.

5. Храмов В.Н., Затрудина Р.Ш., Тропина Н.В., Аникеев Б.В. О предельной длительности ультракороткого импульса КПМП-лазера // Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве: Тез.докл.Н Нижне-Волжского регионального научного семинара. 23-27 августа 1989.- Волгоград, 1989.- С.14-15.

6. Храмов В.Н., Аникеев Б.В. Зависимость временных характеристик УКИ в КПМП-лазере с высокодобротным

12

резонатором от расстройки // Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве: Тез.докл. III Нижне-Волжского регионального научного семинара. 8-12 сентября 1990.- Волгоград, 1990.- С.13.

7. Храмов В.Н., Аникеев Б.В. Исследование стабильности временной привязки УКИ импульсного КПМП-лазера // Метрология лазерных измерительных систем: Тез.докл. Всесоюзного научного семинара.- Волгоград, 1991.- ч.2.- С.38.

8. Храмов В.Н., Затрудина Р.Ш., Аникеев Б.В. Воспроизводимость временных и энергетических характеристик импульсного субнаносекундного лазера с кратковременной периодической модуляцией потерь (КПМП) // Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве: Тез.докл. IV Нижне-Волжского регионального научного семинара. 4-8 сентября 1991. - Волгоград, 1991.- С.17-18.

9. Храмов В.Н./Левин К.А., Аникеев Б.В. Импульсные твердотельные КПМП-лазеры // Прикладная оптика-94: Мат. симпозиума. 15-18 ноября 1994.- Санкт-Петербург, 1994.- С.44.

10. Anikeev B.V., Zatrudim R.Sh., Khramov V.N. Method of Spectroscopy of Nonstationary Supennodes // 15-th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, June 27 - July 1, 1995,- Technical Program.- St.Petersburg, 1995,- P.68.

11. Затрудина Р.Ш., Храмов B.H., Аникеев Б.В. Влияние задержки распространения света в затворе на параметры импульсов генерации КПМП-лазера // В сб. Нелинейная оптика и спектроскопия / Саратовский государственный университет. - 1991.- Вьш.5. 4.2.- С.53-58.

12. Аникеев Б.В., Затрудина Р.Ш., Храмов В.Н. Разработка лазеров с кратковременной периодической модуляцией потерь // В сб. Лазерная физика / С.-Петербург.- 1992.-Вып.2.- С.29-30.

13. Аникеев Б.В., Затрудина Р.Ш., Храмов В.Н. Разработка лазеров с кратковременной периодической модуляцией потерь // В сб. Лазерная физика / С.-Петербург.- 1994.-Вып.7,- С. 16-17.

14. Аникеев Б.В., Храмов В.Н. Разработка автоматизированных технологических и медицинских моноимпульсных

лазеров с управляемой отрицательной обратной связью // В сб. Лазерная физика / С.-Петербург.- 1994.- Вып.9.- С.72.

15. Аникеев Б.В., Храмов В.Н., Затрудина Р.Ш., Левин К.А. Разработка лазеров с кратковременной периодической модуляцией потерь // В сб. Лазерная физика / С.Петербург.- 1995.- Вып. 10.- С.ЗЗ.