Генерация узкополосного излучения в системе с кольцевым монолитным Nd: YAG лазером и слэб-усилителем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА - -.ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО ' ; .; КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им.М.В.ЛОМОНОСОВ А

Физический факультет

На правах рукописи

ЛАПТЕВ ГЕОРГИЙ ДМИТРИЕВИЧ

УДК 621.373.8

ГЕНЕРАЦИЯ УЗКОПОЛОСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СИСТЕМЕ С КОЛЬЦЕВЫМ МОНОЛИТНЫМ Ш:УАО ЛАЗЕРОМ И СЛЭБ-УСИЛИТЕЛЕМ

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1995

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат физико-математических

наук, доцент А.И.Ковригин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор В.Г.Дмитриев,

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Е.Г.Ларионцев

Ведущая организация: Научно-исследовательский центр по

технологическим лазерам Российской академии наук (НИЦТЛ РАН)

Защита состоится " с^/ " 1995 г. в^-^в

аудитории им.С.А.Ахманова (корпус нелинейной оптики) на заседании Специализированного Ученого Совета № 1 отделения радиофизики физического факультета им.М.В.Ломоносова (шифр К 053.05.21) по адресу: 119899, Москва, ГСП, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан "У " 1995 г.

Ученый секретарь Специализированного' Ученого Совета № 1 отделения'. радиофизики ¡1 - [ \

кандидат физико-математических наук,'-доцент 1

А.И.Гомонова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Существенный прогресс в создании мощных и надежных полупроводниковых лазеров, обеспечивающих селективную накачку твердотельных активных сред, привел к появлению нового поколения твердотельных лазеров. Малые габариты, возможность получения одномодового одночастотного излучения с высокой амплитудной и частотной стабильностью - основные преимущества твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой, открывающие широкие перспективы их практического использования как в научных исследованиях (спектроскопия высокого разрешения, нелинейная оптика, голография, интерферометрия), так и в приложениях (оптическая связь, прецизионные измерения, гироскопия).

Замена традиционной лампы накачки в твердотельных лазерах на полупроводниковый лазер и переход к миниатюрным монолитным резонаторам сделало практически возможным получение высокостабильного излучения с шириной спектра на уровне фундаментального предела. В этой связи создание и исследование новых конфигураций резонатора, систем накачки и фокусировки излучения накачки, позволяющих повысить уровень стабильности и мощности излучения, является актуальной задачей.

Для ряда практических задач, связанных, например, с дистанционной диагностикой (определение скоростных к концентрационных параметров газовых и аэрозольных потоков, характеристик турбулентной атмосферы), необходимо сочетание высоких частотных, пространственных и энергетических характеристик лазерного излучения. Проблема одновременной реализации таких свойств в одном лазерном источнике требует решения взаимопротиворечащих технических задач. Решение этой проблемы лежит на пути создания системы "задающий генератор + эффективный усилитель", в которой генератор определяет высокие частотные и пространственные характеристики излучения, а усилитель обеспечивает высокий коэффициент усиления при сохранении качества инжектируемого излучения.

Несмотря на почти десятилетнее исследование кольцевых лазеров с полупроводниковой накачкой ряд

важных проблем остался нерешенным. Среди них оптимизация кольцевого монолитного резонатора для получения требуемого режима генерации с учетом обратного рассеяния и термонаведенного двулучепреломления; разработка метода описания распространения гауссова пучка со сложным астигматизмом в кольцевом монолитном резонаторе с неплоским лучевым контуром; экспериментальное исследование поляризационной структуры высококачественного излучения таких лазеров.

Большой практический интерес представляет исследование пространственных и частотных характеристик излучения кольцевого монолитного УАй лазера с полупроводниковой накачкой усиливаемого в многопроходовом импульсном слэб-усилителе.

Исследование этих вопросов и составляет главное содержание настоящей диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является систематическое исследование частотных, поляризационных, пространственных и энергетических характеристик излучения лазерной системы на основе кольцевого монолитного Nd:YAG-лазера с полупроводниковой накачкой и многопроходового слэб-усилителя с высоким коэффициентом усиления.

Научная новизна работы

1. Разработана методика оптимизации параметров кольцевого монолитного резонатора с неплоским лучевым контуром для получения одночастотного излучения с учетом эффектов обратного рассеяния на неоднородностях активной среды и термонаведенного двулучепреломления.

2. Разработан лучевой метод описания гауссова пучка со сложным астигматизмом. Развитый метод позволяет находить области устойчивости, специфичные для кольцевого резонатора с неплоским лучевым контуром и характеристики формирующейся в нем гауссовой моды со сложным астигматизмом.

3. Впервые измерена степень деполяризации излучения кольцевого монолитного Ы±УАО лазера с полупроводниковой накачкой. Выявлены причины, приводящие к деполяризации излучения лазера.

4. Предложен новый способ измерения ширины узкополосного спектра генерации лазера с помощью модицифированного гетеродинного метода.

0. Разработана твердотельная лазерная система на основе кольцевого монолитного Ыс1:УАО лазера, схемы формирования импульсов заданной длительности, многопроходового импульсного слэб-усилителя.

Практическая значимость работы

1. Экспериментальные исследования показали, что созданный кольцевой монолитный Кс1:УАС лазер с полупроводниковой 'накачкой, генерирующий одночастотное узкополосное излучение с высокой кратковременной стабильностью может успешно применяться в качестве источника излучения в доплеровских измерителях скорости объектов и виброметрах.

2. Развитый лучевой метод описания резонаторов с неплоским лучевым контуром, позволяет находить области устойчивости и характеристики гауссовой моды со сложным астигматизмом. Предложенный метод может использоваться при расчете сложных конфигураций резонаторов.

3. Предложенный новый способ измерения ширины

узкополосного спектра генерации лазера с помощью модифицированного гетеродинного метода позволяет измерять ширины линий генерации высокостабильных лазеров.

4. Разработанную твердотельную лазерную систему на основе кольцевого монолитного Кс1:УАС лазера, схемы формирования импульсов заданной длительности, многопроходового импульсного слэб-усилителя можно использовать в качестве источника излучения в лидарных системах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Создан кольцевой монолитный Ыс1:УАС лазер с полупроводниковой накачкой, генерирующий одномодовое одночастотное узкополосное излучение с шириной спектра 4 кГц и амплитудной стабильностью 0,01%. Кольцевой монолитный резонатор с неплоским лучевым контуром лазера оптимизировался с целью получения устойчивого однонаправленного режима генерации (основное условие получения одночастотного узкополосного излучения) с учетом обратного рассеяния излучения на неоднородностях активной среды и влияния термонаведенного двулучепреломления.

2. Исследована степень деполяризации излучения кольцевого монолитного Ыс1:УАС лазера с полупроводниковой накачкой. Проанализированы причины, приводящие к деполяризации излучения лазера.

3. Разработан лучевой метод описания гауссова пучка со сложным астигматизмом; метод позволяет находить области устойчивости, специфичные для неплоского кольцевого резонатора, и характеристики формирующейся в нем гауссовой моды со сложным астигматизмом.

4. Разработана твердотельная лазерная система на основе кольцевого монолитного ^:УАС лазера, схемы формирования импульсов заданной длительности и многопроходового импульсного слэб-усилителя. Проведены исследования пространственных и частотных характеристик излучения системы.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в специализированных научных изданиях "Квантовая электроника" и Ргос.БРШ, докладывались на Российской национальной конференции "Лазерные технологии-93" (Шатура, 1993), XII Международной конференции "Оптика лазеров-93" (С.-Петербург), симпозиуме "Прикладная оптгаса-94" (С.-Петербург); ХУ Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (С.-Петербург, 1995), а также на научных семинарах кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 работ, из них 2 - тезисы Международных конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, двух Приложений и Списка литературы из 191 наименования. Материал диссертации изложен на 140 страницах, сопровождается 50 рисунками и 3 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, и дано краткое содержание работы.

Первая глава носит характер литературного обзора. Рассмотрены основные направления развития лазеров с полупроводниковой накачкой. К настоящему времени спектр исследовательских работ, связанных с разработкой лазерных систем, где в качестве источника накачки используют полупроводниковый лазер, достаточно широк:

высокостабилъные лазеры, непрерывные и квазинепрерывные лазеры высокой мощности, лазеры с синхронизацией мод, лазеры с преобразованием частоты, перестраиваемые лазеры, волоконные лазеры, лазеры с безопасным для зренгш излучением (eye-safe lasers). Обсуждаются основные достижения перечисленных лазеров с полупроводниковой накачкой. Особое внимание в работе уделено проблеме получения узкополосного высокостабильного лазерного излучения. При этом рассмотрены: основные источники нестабильности излучения твердотельных лазеров и методы активной стабилизации частоты излучения, способы получения одночастотной генерации.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу частотных, поляризационных и пространственных характеристик излучения кольцевого монолитного Nd:YAG лазера с целью оптимизации параметров резонатора для получения одномодового одночастотного узкополосного излучения. Описана конструкция и принцип работы кольцевого монолитного резонатора на кристалле Nd.YAG, совмещающего функции активной среды и кольцевого резонатора с неплоским лучевым контуром. При внесении резонатора в магнитное поле с определенным направлением вектора магнитной индукции он выполняет роль невзаимного элемента.

Проблема получения одночастотного узкополосного излучения в кольцевом лазере связана с возможностью

создания в его резонаторе устойчивого однонаправленного режима генерации. Она решена путем оптимизации параметров кольцевого монолитного резонатора при учете эффектов обратного рассеяния излучения на неоднородностях активной среды и термонаведенного двулучепреломления. Получение низкопорогового устойчивого однонаправленного режима генерации связано с созданием возможно большей разности потерь для встречных волн в кольцевом резонаторе при малых величинах приложенного магнитного поля, обеспечивающего невзаимный эффект. Анализ частотно-поляризационных характеристик и потерь для мод резонатора проведен с использованием метода матриц Джонса размерностью 4x4. Показано, что для получения одночастотной генерации наиболее удачной является квазиплоская конструкция монолитного кольцевого резонатора. Для описания эффекта обратного рассеяния использовалась модель резонатора с изотропным рассеивающим центром. Показано, что при магнитных полях меньше некоторого критического значения в таком резонаторе может реализовываться режим взаимной синхронизации встречных волн с равными амплитудами. Известно, что этот режим является устойчивым при больших коэффициентах связи ш = (с/пЬ) гг/2 через обратное рассеяние, где с - скорость света, п - показатель преломления активной среды, Ь - периметр резонатора, г -коэффициент обратного рассеяния. Для достижения устойчивого однонаправленного режима генерации величина коэффициента связи должна быть мала. Учитывая, что периметр кольцевого монолитного резонатора составляет 1,72,5 см, требования к величине коэффициента обратного рассеяния, определяющего качество активной среды монолитного резонатора, должна быть на уровне 10~8 и меньше.

При торцевой накачке кольцевого монолитного резонатора в малом объеме, вблизи зеркала, может происходить терморазогрев кристалла. Вследствии этого возникает термонаведенное двулучелреломление, которое в формализме матриц Джонса представляется как фазовая матрица с главными осями, повернутыми на некоторый угол, определяемый ориентацией осей кристалла Ыс1:УАС и плоскостью лучевого контура резонатора. Показано, что терморазогрев активной среды приводит к уменьшению

величины разности потерь для встречных волн и сдвигу его максимума в сторону больших значений магнитного поля, а также к изменению типа поляризации генерируемого излучения. Для используемых нами мощностей накачки, величина фазового набега была мала и влияние термонаведенной фазовой пластинки незначительно. Для мощных (500 мВт и более) лазерных диодов накачки оптимизацию монолитного кольцевого резонатора следует проводить с учетом терморазогрева кристалла путем введения матрицы термонаведенной фазовой пластинки.

В резонаторах, обеспечивающих пространственный поворот изображения, в частности, в монолитном кольцевом Nd:YAG резонаторе с неплоским лучевым контуром, формируется гауссов пучок со сложным астигматизмом (general astigmatic beam), аналитически описываемый тремя комплексными параметрами qx, qy, qXy. Однако, преобразование последних по традиционной методике независимыми ABCD-матрицами размерностью 2x2 не представляется возможным. В работе развит лучевой метод описания гауссова пучка со сложным астигматизмом, основанный на использовании свойств вигнеровской функции распределения. Этот метод позволяет находить характеристики гауссовой моды со сложным астигматизмом (величины полуосей и азимуты эллипсов интенсивности и фазы) и области устойчивости, специфичные для кольцевого резонатора с неплоским лучевым контуром. В отличие от традиционных плоских кольцевых и линейных резонаторов, области устойчивости которых определяются исходя из известных соотношений между периметром и радиусами кривизны зеркал, свойства неплоских резонаторов связаны с зависимостью угла между плоскостями лучевого контура и радиусами кривизны зеркал. Результаты проведенных нами численных расчетов областей устойчивости для резонатора с неплоским лучевым контуром получили экспериментальное подтверждение.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию амплитудных, частотных и поляризационных характеристик излучения кольцевого монолитного Nd:YAG лазера с полупроводниковой накачкой. Дано описание конструкции исследованного лазера (использованные монолитные кольцевые резонаторы и диодные лазеры

накачки, система питания, система термостабилизации) и приведены основные характеристики лазерного излучения, главными из которых является высокая амплитудная и частотная (кратковременная) стабильность. Применение различных конфигураций монолитного кольцевого резонатора позволило реализовать различные режимы генерации лазера: одночастотный одно- и двунаправленный, двухчастотный одно- и двунаправленный.

Хорошо известно, что технические амплитудные и частотные шумы излучения лазера определяются механическими и термическими флуктуациями резонатора, нестабильностью источника накачки. Чувствительность одночастотных твердотельных лазеров к нестабильности мощности накачки меньше, чем к изменениям потерь резонатора. В монолитных микролазерах модуляция потерь практически отсутствует, а модуляция мощности накачки, определяемая стабильностью полупроводникового лазера, может приводить к возникновению амплитудных шумов излучения, вызывающих нестабильность частоты генерации. Влияние нестабильности накачки (полупроводникового лазера) на спектральное распределение шумов излучения кольцевого монолитного Ыс1:УА& лазера нами рассмотрено в отдельном параграфе. Получены зависимости относительных амплитуд модуляции излучения лазера накачки и выходного излучения М.'УАй лазера от частоты модуляции тока накачки полупроводникового лазера. Показано, что глубина модуляции излучения лазера накачки остается практически неизменной на всем интервале изменения частоты модуляции, тогда как относительная амплитуда модуляции интенсивности излучения ^:УАС лазера имеет ярко выраженный пик, на частоте релаксационных колебаний и быстро уменьшается с увеличением частоты модуляции. При глубине модуляции тока накачки полупроводникового лазера в 1% глубина модуляции излучения Ыс!:УАО лазера на частоте релаксационных колебаний (155 кГц) составляет 10%, а на частотах выше 500 кГц - не превышает 0,01%. Для достижения высокой долговременной амплитудной стабильности излучения кольцевого монолитного М<±УАО лазера на уровне 0,01%, успешно применена разработанная нами система питания диодного лазера накачки на основе аккумулятора 6СТ-55.

В этой же главе изложены результаты экспериментального исследования поляризационной структуры излучения (тип поляризации, степень деполяризации, _ пространственное распределение

поляризованной и деполяризованной компонент "излучения) кольцевого монолитного Мс1:УАО лазера при различных конфигурациях резонатора и источниках накачки (полупроводниковый или аргоновый лазер). Особое внимание в работе уделено изучению влияния режимов генерации лазера на поляризационные характеристики излучения. Прецизионные измерения степени поляризации излучения осуществлялись с помощью поляриметра. Показано, что наименьшую степень деполяризации, равную 3 10~3 , имеет излучение кольцевого монолитного N<1^4.0 лазера, работающего в одночастотном однонаправленном режиме. По результатам экспериментальных исследований проведен анализ природы деполяризованной компоненты излучения лазера. Установлено, что преобладающим механизмом деполяризации излучения является дифракция излучения на случайных неоднородностях двулучепреломления активного элемента, наведенных механическими напряжениями в процессе роста и обработки лазерного кристалла.

Нами предложен новый способ измерения ширины узкополосного спектра генерации лазера модифицированным гетеродинным методом. Идея его состоит в анализе интерференционного сигнала, полученного в интерферометре Маха-Цендера, в одном из плеч которого находится оптическая линия задержки. Когда время задержки т^ между интерферирующими волнами много больше времени когерентности т^ излучения лазера, можно точно определить форму и ширину спектра лазерного излучения. Однако, для измерения ширины спектра на уровне единиц кГц при выполнении условия т^ » т^ длина оптического волокна, используемого в качестве линии задержки, должна превышать несколько десятков километров, что технически существенно усложняет процесс измерения. Мы показали, что анализируя поведение пика спектра биений в зависимости от времени задержки т,-) между интерферирующими волнами, ширину спектра узкополосного излучения можно определить при т^ « т^. Точность измерения ширины спектра

определяется величиной потерь в волокне. Для волокна с потерями 1 дб/км±1% точность определения ширины спектра излучения лазера составляет ± 0,5 кГц.

Одним из способов решения проблемы сочетания высоких частотных (узкополосное, высокостабильное), пространственных (одномодовое ТЕМ00) и энергетических характеристик излучения, является созданная нами лазерная система на основе задающего генератора (одночастотного высокостабильного кольцевого монолитного Ис1:УАС лазера), система формирования импульсов заданной длительности, многопроходового импульсного слэб-усилителя.

Четвертая глава посвящена исследованию пространственных, частотных и энергетических характеристик излучения созданной системы. В начале главы представлена конструкция и приведены характеристики излучения кольцевого монолитного лазера с

полупроводниковой накачкой, используемого в качестве задающего генератора в лазерной системе. В одномодовом одночастотном режиме лазер генерировал излучение мощностью 25 мВт с шириной спектра 4 кГц (измеренного за 20 мс) и амплитудной стабильностью 0,01%.

Обсуждается концепция создания многопроходовой схемы импульсного слэб-усилителя с зигзагообразным ходом лазерного пучка. Создание лазерного усилителя, обеспечивающего высокий коэффициент усиления и сохранение пространственных и частотных характеристик инжектируемого в него излучения, связано с проблемой оптической однородности активной среды усилителя. Определенные возможности управления термооптическими характеристиками стекол и кристаллов, не позволяют, однако, полностью решить проблему термооптических искажений в мощных усилителях с активным элементом круглого сечения. Затруднения носят принципиальный характер и связаны непосредственно с формой (геометрией) активного элемента. Описаны преимущества и основные параметры активного элемента прямоугольного сечения (слэб элемента) с зигзагообразным ходом лазерного пучка, использованного в лазерном усилителе. Инжектируемый лазерный пучок в таком элементе проходит не вдоль его оси, а под утлом к ней, совершая полные внутренние отражения на двух гранях активного элемента. Использование слэб элемента с

определенной симметрией накачки позволяет минимизировать термонаведенную деполяризацию усиливаемого в нем излучения. Зигзагообразный ход лазерного пучка в слаб элементе позволяет минимизировать влияние наведенной термической линзы. На основе специально изготовленного Ис1:УАО слэб элемента создан многопроходовый импульсный слэб-усилитель с зигзагообразным ходом лазерного пучка.

Исследованию пространственных характеристик узкополосного излучения, распространяющегося в слэб-усилителе с зигзагообразным ходом лазерного пучка, посвящен отдельный параграф. Представлены

интерферометрические исследования термических искажений волнового фронта гауссова пучка, инжектированного в слэб-усилитель при различных энергиях и частотах следования импульсов накачки, а также углах ввода в усилитель инжектируемого лазером излучения. Из анализа результатов обработки интерферограмм по методу опорных линий следует, что существенное влияние на искажение волнового фронта лазерного пучка оказывает частота следования импульсов накачки, по мере увеличения которой появляется термонаведенный в активном элементе клин, связанный с положением лампы накачки относительно активного элемента. Величина деформации волнового фронта (реак-1;о^а11еу), вызванная данной аберрацией, не превышает 0,15 мкм при частоте повторения импульсов 1 Гц и энергии накачки 36 Дж, а амплитуда аберраций более высокого порядка почти в 10 раз меньше.

Импульсная накачка активного элемента усилителя приводит к нестационарности температуры и инверсии населенностей в кристалле, что ведет к изменению во времени показателя преломления активной среды, поперечного сечения рабочего перехода и коэффициента усиления. Следствием этого является свипирование частоты усиливаемого излучения, приводящее к уширению его спектра. Проведены расчеты и экспериментальные исследования эффекта свшшрования частоты излучения кольцевого монолитного Кс1:УАО лазера, усиливаемого в импульсном слэб-усилителе. Теоретический анализ показал, что чирп частоты излучения, усиливаемого в твердотельном усилителе, можно представить в виде двух компонент: 1)нерезонансной (термооптической) компоненты, связанной с

температурной зависимостью показателя преломления активной среды, и 2) резонансной компоненты, обусловленной нестационарностью инверсии населенностей и спектроскопических параметров активной среды. Согласно результатам численных расчетов в случае точного совпадения частоты усиливаемого излучения и максимума спектра усиления усилителя определяющий вклад в чирп частоты усиливаемого излучения вносит нерезонансная компонента, которая на два порядка превышает резонансную; величина последней существенно зависит от расстройки резонанса.

Экспериментальные исследования эффекта свипирования частоты показали, что величина чирпа частоты излучения кольцевого монолитного Ыс1:УАС лазера при усилении в импульсном слэб-усилителе мала и не превышала 1,7 кГц при энергии и длительности импульса накачки 36 Дж и 300 мкс. В 4-х проходовой схеме усиления узкополосного излучения чирп частоты не превышал 7,7 кГц. Измерена величина чирпа частоты в зависимости от мощности накачки слэб-усилителя. При отстройке от резонанса, связанной с различием температур активных элементов усилителя и задающего генератора, частотный чирп увеличивался на несколько килогерц.

Получено хорошее согласование результатов численных расчетов и эксперимента, что подтверждает адекватность проведенного теоретического описания процесса. Это обстоятельство позволяет использовать теоретический подход для анализа эффекта свипирования частоты излучения в импульсных твердотельных лазерных системах, работающих в режиме, далеком от насыщения.

В заключительном параграфе главы 4 представлена система, состоящая из задающего генератора (одночастотный высокостабильный кольцевой монолитный Ыс1:УАС лазер), системы формирования импульсов заданной длительности, 4-х проходового импульсного слэб-усилителя. В качестве задающего генератора использовался лазер, описанный в начале этой главы. Представлена схема формирователя импульсов заданной длительности из непрерывного излучения задающего генератора на основе акустооптического модулятора (АОМ) на кристалле Те02. Использование АОМ с высокой дифракционной эффективностью (до 75%) является существенным для маломощных лазеров. Применение АОМ

обеспечило высокую частотную стабильность и контраст формируемых импульсов. В АОМ на бегущей волне автоматически реализуется сдвиг частоты несущей (при работе, _ с дифрагированной волной), что полезно для практических применений (например, в " задачах дистанционного зондирования атмосферы). Приведена также схема 4-х проходового слэб-усилителя с зигзагообразным ходом лазерного пучка; сделаны оценки энергетических характеристик усилителя с учетом фактора заполнения активного элемента инжектируемым излучением.

В работе экспериментально реализовано усиление импульса длительностью 1 мкс, сформированного из излучения кольцевого монолитного Nd:YAG лазера, в 4-х проходовом слэб-усилителе с коэффициентом усиления 7 104 ; при этом эффект насыщения усиления не наблюдался. Представленную лазерную систему можно использовать в качестве источника излучения в лидарной системе небольшой дальности.

Приложение 1 посвящено созданию и исследованию гетеродинного виброметра на основе высокостабильного кольцевого монолитного 1\с1:УАС лазера для измерения малых

механических колебаний. Проанализированы факторы, ограничивающие предельную чувствительность виброметра, и требования, предъявляемые к источнику и системе модуляции излучения лазерного виброметра; представлена схема виброметра и результаты измерения амплитуды колебания объектов. Чувствительность разработанного виброметра составляла 0,5 нм для диапазона частот (0,6-1,4) кГц колебания тестируемого объекта.

Приложение 2 посвящено доказательству ряда

утверждений, сделанных в параграфе 2.3, посвященном описанию распространения гауссова пучка со сложным астигматизмом в кольцевом резонаторе с неплоским лучевым контуром.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создан кольцевой монолитный Ыс1:УАСг лазер с полупроводниковой накачкой, генерирующий одномодовое одночастотное узкополосное излучение с шириной спектра

4 кГц и амплитудной стабильностью 0,01%.

Оптимизация кольцевого монолитного резонатора лазера проведена с учетом эффектов обратного рассеяния излучения на неоднородностях активной среды и термонаведенного двулучепреломления. Показано, что для получения стабильной генерации в кольцевых монолитных микролазерах к качеству активной среды предъявляются повышенные требования.

2. Впервые измерена степень деполяризации излучения кольцевого монолитного Кс1:УАСг лазера с полупроводниковой накачкой. Показано, что наименьшую степень деполяризации, равную 3 Ю-3, имеет излучение кольцевого монолитного Ыс1:УАСг лазера, работающего в одночастотном однонаправленном режиме. Установлено, что преобладающим механизмом деполяризации излучения является дифракция излучения на случайных неоднородностях двулучепреломления активного элемента, наведенных механическими напряжениями в процессе роста и обработки лазерного кристалла.

3. Развит лучевой метод описания гауссова пучка со сложным астигматизмом. Метод позволил найти области устойчивости, специфичные для неплоского кольцевого резонатора и характеристики (эллипсы интенсивности и фазы) формирующейся в нем гауссовой моды со сложным астигматизмом.

4. Разработана твердотельная лазерная система "задающий генератор + эффективный усилитель" на основе кольцевого монолитного Ис1:УАСг лазера, схемы формирования импульсов заданной длительности и многопроходового импульсного слэб-усилителя. В 4-х проходовой схеме слэб-усилитель обеспечивал коэффициент усиления 7 104. Исследования пространственных характеристик узкополосного излучения, распространяющегося в слэб-усилителе с зигзагообразным ходом лазерного пучка, показали, что величина деформации волнового фронта не превышает 0.15 мкм.

5. Проведенные исследования эффекта свипирования частоты излучения кольцевого монолитного Ыс1:УАС лазера, усиливаемого в импульсном слэб-усилителе, показали, что величина чирпа частоты мала и не превышает 7.7 кГц в 4-х

проходовой схеме усиления.

6. Предложен новый способ измерения ширины узкополосного спектра генерации лазеров с помощью модифицированного гетеродинного метода.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. И.В.Головнин, Б.В.Жданов, Н.В.Кравцов, А.И.Ковригин, Г.Д.Лаптев, О.Е.Наний, А.А.Макаров, В.В.Фирсов, Флуктуации излучения кольцевых ЧИП-лазеров на УАС'.Кс13+, Квантовая электроника, т.20, с.1063, 1993.

2.И.В.Головнин,В.М.Гордиенко, Б.В.Жданов, А.И.Ковригин, Г.Д.Лаптев, Генерация высокостабильного узкополосного

излучения в системе с кольцевым монолитным АИГ лазером и слэб-усилителем, Тезисы XII Международной конференции, "Оптика лазеров-93", С.-Петербург, т.1, с.97, 1993.

3. И.В.Головнин, В.М.Гордиенко, А.И.Ковригин, А.В.Кудряшов, Г.Д.Лаптев, А.В.Селиверстов, Генерация узкополосного излучения в системе с кольцевым монолитным АИГ лазером и слэб-усилителем, Квантовая электроника, т.21, с.306, 1994.

4. И.В.Головнин.А.И.Ковригин, А.Н.Коновалов, Г.Д.Лаптев, Описание распространения гауссова пучка со сложным астигматизмом лучевым методом и применение метода для расчета неплоских кольцевых резонаторов, Квантовая электроника, т.22, с.465, 1995.

5. Г.Д.Лаптев, Д.Ю.Паращук, Н.В.Чигарев, И.В.Головнин, А.ИКовригин, Степень поляризации монолитного кольцевого Ыс1:УАО лазера с диодной накачкой, Тезисы ХУ

1Й

Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, С.-Петербург, с.170, 1995.

6. Г.Д.Лаптев, А.С.Чиркин, Об измерении ширины узкополосного лазерного спектра, Квантовая электроника, т.23, № 2, 1996 ( в печати).

7. G.D.Laptev, N.V.Chigarev, I.V.Golovnin, D.Yu.Paraschuk, Depolarization degree of diode-pumped single frequency monolithic ring Nd3+:YAG _ laser, Proc.SPIE, 1995 (to be published), CCAt / SJ)

Тираж 100 экз.