Исследование физических процессов при узкополосной лазерной генерации в условиях конкуренции мод тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Р Г 6 од

Академ1 я Наук Укра>ни

1 4 ШОН 1 ®55на ТР^Л0В0Г0 красного Прапору Iнсттуг ф!зики

На правах рукогасу

Яцяк Фед|р Михайлович

ДОСЛ1ДКЕННЯ Ф13ИЧЕИХ ПРОЦЕСШ ПРИ ВУЗМОПОЛОСШЙ ЛАЗЕРН1Й ГЕНЕРАЦ1Т В УМОВАХ КОНКУРЕНТ! Г Г МОД

01.04.04 - ф!зичяа елентрошка

А В Т .0 Р Е <5 Е Р А Т

дисертацП на здобуття вчояого ступеня кандидата ф1зико-мэтематичних наук

ша - 1эзз

г

Роботу виконано в Ордена Трудового Червоного Прапора 1нс-титут! фюики АН УкраКни, м. КиГв.

Науковия кер1вник - доктор ф1эико-мат9матичниг наук,

Хижняк А.I.

0ф1ц1йн1 опоыенти:

Молебний Василь Васильович, докт.техн.наук, гол.и.е.,

НВО "Квант"

Обуховеыш1 В**ячэслав Володамирович, докт.ф1з.-мат.наук, доцэнт, Ки1вський ун1воргитет

Вэдуча оргая1зац1я: 1н-т ф!зики вап1впров1дник1в АН Украгни

Захист в!д5удеться Яо тнши 1933 р. в годин на

зас1данн1 спэд1ал1зовано} Вчэно) Ради Д016.04.01 при 1воптгут1 ф1зики АН Укра(ни (252650, «СП, Ки1в - 22, проспект Науки, 4в).

3 дисертац! ею можна ознайомитись в б1бл|отец| 1нституту фюики АН УкраГни. Автореферат розЮланс)

1093 р.

Вчений секретар Сшц1ал1зовано) Ради кандидат ф1з.-мат. наук

Ik В'АЛВДК

ЗАГАЧЕНА ХАРАКТЕРИСТИКА РСБОТИ

Актуалъя1сть робота. В сучзсн1й науц! 1 техн1Ц1 широко оастосовуоться ноперервн! лазери, довамна хвил! випром1нювзння яких припадав на бликню 1Ч-область.

На сьогодн! створен! надстаб!льа! одаочастотн! потужн! систоми И,21, а таком малоштужн! пэрестроюван! лагери с31. Однак, для ефекгавного корування спектром випром!нгаання, шр генеруоться, часто лотр1бн1 система прсШжгого класу зэ потуж-н1стю I став 1льн1 сто, ата як1 забезпечували б можлив!сть прэци-э!йно пэрестроювата Частоту. Ало сучзсзий р!вень рсзвигау технолог 1й, як правило, на дозволяв ефоктазно 1 одночаско задо-вольштги цим вимогам.

Один !з можлиеих шлях Iв створення под1йяих лазяр!в полягае у поел 1 довному врахуваян! збурюючих фэтстор1в, як! пврешкодааэть досяпюпно пэпзрорвноТ стаб1льяо! гореслроюваяоГ генерац!)', використанн) Еестэвдарпют мэтод!з солект1.

Одяа 1з осповшк причин багаточодово! генерзц! г в л1н!йно-му розспатор! при великих нзкачуваннях 1 однородному уьг.роля | д)нп п! дсилзнпя (1-пр1й-алюм1н1еБ1!й гранат, эктагованкЯ но ода-ком) - 1снузанкя просторовоТ ноо.дяоргдност! 1нверско1 населв-1ЮСТ1. Просторов! структури полIв иод р1зних поздсн:-::н \х 1ндек-с1в пэ сШвпздаотъ одг.э з одним. У вузлах генорувчо* иод:: ямзга-каотъ облает! нозб!дз8по! ШвэрсноУ пасэлэност!. Тону, незвз-катл па то, що гоноруэтз кода ст«51л1зус ргпепь п!дскя>шхя дач собэ, !ш! мода можуть почата геяерувати за рахунок того, цз будуть наснажуватись оперт!сю 1з нэзб! давних областей. Е;шром!-нюванпя горэрозс!юсться нэ г;,ил I тудно-фазой; 2 гратц! ! широко 1 насолэностГ. 5 активному серодовищ! виаксае розпод1лйл:га зве-РОГН1Я 23"Я30Х (КЗЗ), Е.0 УСКГ.ПДНЮ5 структура кодового егюктру.

Тому актуально досл!дети, як вгшшае на спектральн) характеристики лазерного випром1нювання не т)льки властивост! селективного резонатору, глв I активного середовища, що перебувае у стан) наекчення.

До цього часу не було доел)давно вплив фазовоI складовоI тратки Iвверено! населвност! на спектральния склад гевераЩ I.

Для керування спектром генерацП необидно мати можливють стаб!л1зувати I шрестроювати частоту. Найб!льш прийнятн) для цього дасшрс1йн! резонатори.

Проблема стаб1л)зац1I природним чином виникае внасл1док п1даидвног. чутливост! генеруючого лазера д§ механ1чних I темго-ратурних нестаб)льностей резонатору 1 активного середовища 161. Для И розв"язання необидно забезпечити високу механ!чну ста-б!льн1сть резонатора, активного елемента ! селектора. Ц1 вимо-ги часто протир!чать моуливост)' перестроювэння довжини хвил!. 3 1ншого боку, для Шдтримання температурного режиму активного оламента доц1льно застосовувати неперервне накачування, а при робот1 в погорервному режим), скахпмо, на широко застосовуемих середоьищах, активованих неодимом, важко отримувати висок) коеф)ц)енти Шдс^юння. Цэ накладае додатков! обмеження на величину втрат, як1 можуть привносетись у генеруючу моду селвк-туючим елэментом.

У ов"язку с цим перспективно вкюристаыдя тонкопл1вкових пеглинаючих селектор)в (надал! - ТПС). Селектор являс собою тонку (ь - 0.1 х> нетал1чну пл1вку, яка наноситься на скляну основу. В)н установлюсться в л)н1йному резонатор! у вузол мода, )цо свлоктуеться. Дискрим)нац)я мод по втратах виникае за раху-пок поглинання вкпро.мIнюаання г 71. Для таких селектор)в влэг..!-в! простота, висока селектуюча здата)сть, нэд1йн)сть. Разол з там Юнують обмеження на величину потуншост), яка поглинаеться.

ТПС дозволив сум)стати суперэчлив! вимоги перестроювання

довжини хвил!, IТ стаб!л1зац1 1 - при низьких р!внях втрзт, що вносяться в моду с8з. Одаак пров©ден1 до цього час" досл1даення обмежувались використанням ТПС для селёкц!I лише поздовжнIх мод. 1^31 м того, но досл!джувалось питания про характер зм!ни частотного сгактру лазера при перестроюванн! ТПС з уиовах лро-сторово! копкуронц!I мод.

Ката дано)' робота полягалэ в тону, цоЗ на осноз! вквченнл ф1зичних процос!в, що з!дЗуваються в лазер) з однородно улкрэ-нсп л!н1ею п!дсилення I тонкошйвковим селектором у л1Шйном1 резонатор!, забезгачити опткм1зац1ю систо«и по втратах р!зного типу I реал!зувати сталу одночастотну генерацпо з можливютю прециз!Иного горестроювання довжини хвил1.

Наукова новизна робота по лягав в тому, що в нШ:

I. Теоретично з урахуванням складно! структури л1нГ( п!д-силення активного серодовища I формування в середовицI просто-рових граток - йэзово1 та п1дсилення - визначено область надпо-рогових накачувань, в як ¡я забезпечуеться одночастотна генерз-

Ц1П.

г. 0тр;мзно пэростросчн! залзжност! для одночастотно! генерацП з урахуванням фазових характеристик вIдцзоркалоючого !нторфероиетрз (В1), цо створасться непрозорта дзоркалом резонатора I тонкоплIвковим селектором, в ус!й полос! пропускання В!.

3. Досл1дкопо заложи 1сть втрат, що створшгься пл!вков з ДОВ1ЛЫШМ рад!уСОМ КрИЕИЗНК, Д73 поздовжнIX I пошрочнкх мод сферичного резонатора, в!д розтэшування селектора в резонатор!, рад!уса кривкипи дзеркал, тогщини шпвки I комплексно) д!влок-трично!' прокикност! I; рочовини. На основ! юа досл!дкэнь з :"рахувчштм д^рэьтйжос втрат мод огттпзовано ло добротност!

К0нф|ГурЗЦИ розонатор!а.

Ka захист вяносягься так! вдлошння:

1. Для лззэра на гранат! з ТПС у резонатор! юнування фазово! складово! грзтки 1нверсно) населеност!- i складно) структур» л И:П Шдсилення активного середовища е основными причинами, цо зуиовлюшъ эвужвыня д|апазону прилустимих гарекачувань над r.jporoM, в мен;ах якого Шдгримуеться одночастотса генера-ц:я.

2. При gm Iцонн; ТПС в одному напрямху в мамах \/2 можлива немонотонна вм 1 на частота генэрацп - яйцо параметр н, шей характоркзуе д1елоктричн! серэдовищз, ш,о оточукгть ТПС, вибраний меншим ОДШ1ИЦ1.

3. Розташувэнля ТПС в м!сцях, дв поверхня ТИС не сп!впадае з Фззобим Трентом хяил! в резонатор!, су проводиться розииранням ФушсШопальнкх мо!и.тазостой ТПС: зао'озпзчуеться перастроювашш по т1лыщ по поздоы;ш!м, ал© i по пепорочн/м модам в задан 1й посЛдовност!. При цьому w I н i мум втрат яда генэруючо! модн досягаеться, коли ТПС виведово 13 розгаюваного на оетичшй ccl резонатора аузла столчоí хвил! мода, ш,о Шдлдгас селокцп.

4. В сфсретиому розояатор! з сбиожуючою апертурою на ocl резонатора Юнують солисп, при розмпфиш селектора в яккх втроти «ода на поглиианян в ТПС I дифракции на обмо:куюч!й апертур! в сум! мИПмалы!.

Практична UüiHicTi. роботи поллгас в тому, що проведен! досл!д;ноннп одночасштного режиму гэнорацК лазера з тоикогшв-ковим «шжгором дозьолкли' створити одночаститаий гарестроюва-пий по частот! i ста01л!зозэний vag- лазяр.

Taima лазор пикоризтовуьався я:с зздзючий геиоратср для 1мпулъсних систем.

Ззпроггсновано кгшф!гурйцп ровонатор!в 1 експериментально

реал1зован! лазери на не-не | гаэ^с!»*, огтгим!зован| по втра-тах, як! забезпечукггь задану посл1довн1сть трестроювання поз-довжн1х I погоречних мод. При цьомупотужн1сть на виход! вияа-лясться б1лыюю, н1ж у випадау сэлекцй за рахунок обмеження агортури.

Апробац!я робота. Матер1али дисертацН' допов1дались на Всосоюзн1й конференцП "Оптика та спектроскоп ¡я в народному господарств1" (Мел1тополь, червень 1990 р.), на сем!нарах 1нс-титуту ф!зики АН Укра1ни.

Обсяг робота. Дисертац1я складаеться 1з встуцу, трьо;, розд!л1в, зак!нчення та списку цитовэноГ л!тератури, М1 стать 31 рисунок I б1бл1ограф1ю 1з 38 найменувань.

ЗМ1СТ РОБОТИ

У вступ! обгрунтовуеться актуальнIсть проведение досл1д-жонь, стисло викладено зм1ст дисертацП I приведено перел1к основних полокень, що виносяться на захист.

иЬрший розд1л присвячоно теоретичному досл!даенню особли-востей лазерно! гонорацП в л1н1йному резонатор1 в умовах прос-торово) нооднор1дност1 (нверсно) населеност!, впливу фазово! 1 эмпл1тудноТ граток в активному серэдовищ1 на модовий склад системи.

У першому п!дрозд!л1 наведено короткий огляд л!тератури, присвячено! структурам 1з розпод Членим зворотн!м зв"язком (РЗЗ-структурам), розглянуто особливост! 1х формування, властивост!, перетворешя спектру генерацН лазера при Кх застосувэнн I.

У другому п1дрозд!л1 виводяться р1вняння, як1 описукггь пародазння генэрацп на частот!, в|,ем1нн1й в!д частота мода, що

ГОНОРУ С. При ЦЬОМУ ВрЭХОВуеТЬСН Структура Л1НИ П1ДСИЛ9ННЯ

граната 1.084 мкм.

У третьому п! дрозд! л! проанал!зоваьо вплив просторово ноодапр|дного р; ?под!лу Iнверс11 на спектр геперацп лазера.

Просторова пеоднор1дн1сть в розпод!л1 Iнверс!г в активному середовищ! - одна !з основних причин багатомодово I генерацп в лазерах на однор!дао уширених середовищах, з л!н!йними резонаторами. Генеруючина дан!Я частот!, мода почерпуе енерпю з активного середовща. В резонатор1 формусться стояча хвиля, при-чому в К вузлах Iнверс!я зб1дшоеться найменше. Мода !ншого поздовжнього !ндаксу, вузли яко! не сп!впадають у простор! з вузлами пзнеруючо!, паснажуеться енерпею !з областей активного середовица !з незб!дненою Iнверс!ею. На спектр генерац!I лазера валивають ампл!тудна гратка п!дсилення I фазова гратка показни-ка заломлення. Виконаний нами теоретичний анал!з дозволив вия-вити суттеву роль фазово! складовоI гратки 1нверсно1 населенос-т! в зародоюнн| багатомодово! генерацп.

До цього часу Щй проблем! прид!лялось недостатньо уваги, оск I льки при малих тарекачуваннях дафракц!йна ефективн! сть такоГ 1^тки, в значить, 1 вплив П на спектр, незначн!. Однак, наш! досл!дкення показали, що роль фазово! складово! гратки суттево зростае, коли в резонатор! присутн!й ТПС.

Так, було встановлвно, що прг штучному "вимкненнI" фазово!

гратки коеф!д1ент передач! для мода, сус1дньо! з генеруючою,

зг.'эншуеться. Вдавалось би, повинно бути навпаки. Д!йсно, гратка

являе собою розпод I лене "дзеркало", на якому в1дЗуваеться до/

даткове шрерозояння фотон!в. При викл&ченн! такого розс1ювача сл!д оч!кувати зростання добротност! с/стеми в ц!лому. Однак, сл1д враховувати присутнIсть в резонатор! ТПС. Фазова гратка (нверсно! населеност! виконус роль регулятора надходаення н!в до поглинаючого селектора. При наявност! ТПС менша к!ль-К1сть.фотон!в досягав ТПС, а отже, менша к1льк1сть поглинаеть-

. J

ся. При виклоченнI гратки частка енерг!г моди, що досягав ТПС, зростав. Зб!лылусться поглинання енерг! i в ТПС доброта 1сть моди пздас I дая компэнсац!I доводиться зб1льшувати накачуван-ня.

При прахув-эннt додаткового перерозс!ювання фотон!в ногене-ругачоТ моди на фазов!й складов lit гратки 1нверсио1 населэност!, теоретично розрахований д!апазон горекачуваяь, б межах яиого збер!гаеться одпочастотнють, скорочуеться у 5 раз is.

Для ц1лвй селокц!! I горестроюваяня частота важливо знати закон И см!ни в залежност! в!д положения ТПС I вих!дного дзер--кала.

В1домо, цо на центр! л!nil поглинання yag:Nci'» I.0B4 мкм днспорс!я пэ дор|впюе нулю, оск1льки в спектралъну л!н!п даюгь впесок два перехода, ¡до горокрлвах/гься - mi ж термами *Fayt ■* 4111^2- Ця c6cT33v.ua враховувэлась нами при розрахунках спэктрэ лазера !з ТПС.

Еиконан! розрахунки дозволили визяачити взаемно рсзтаиу-взння ТПС I впх|дного дзеркала, при якому забезгочусться ефек-тквяа стаб!л1зац!я частота. Це зумовлеко взаемнога комгонсац! ею фэз0в1сс паб!г!в хвиль у систем! гв"лзаних резонатор!в, як! вшикаоть при веэсонп! в рззонатор ТПС. Крiи того, Юпуоть так! вззсмн1 розташуваппя вказаних елэмэнт!в, при п!дтр1зщ! яких забезпэчуеться нзкснметьно шведке гзростроюзання на банану частоту.

Pyx солэктора I дторкала в резонатор! су проводку сться з?11ною частот I добротпостей сус!дн!х код, на яких моме виник-пута го>яорзц!л, Лвал)з спектру при шст!йному н?кэчувзд?п вия- ' -вив 1снуватшя "осгртЩв несгалост!" дм частот, як i bi;;vihhi в!д тноруючо!. Так! "ocrplBUt" вшшкають при пэрострсювзннI селоктсрл I пи*1дного дзеркалз (рис. I). Частот.!, ДЯ1СЛ1. ir/.ч "остр!впям", г;ри певних кокф|"гурац'|ях "ТПС - еих ¡дне

лКЬ

£ ____£ _____£ г ^ечи.-ч-"

Рис. I, "Остр 1 вц 1 шст1йкост1", в можах ягап мсшива гоЕэрац)я на вццстроених частотах; виникають при пэростроюванн! частота генорацп г„ за допомошо ГПС I вюмдпого дзеркала

даеркало" конкурукггь з основной генеруючою йодов. При шдаищэа-н!. накачувзння розширшгься 1снуш1 "остр1вц!" | виникають hobi. При подальшому зростанн! нэкачування дифракц! Яна ефоктив-н1сть динам1чяих граток падае внасл!док насичення активного середовища, роль шророзс Г-зання на них стае незначною I "острец!" зкеншуюггься в розм1рах.

У другому розд!л1 розглядапться теоретичн! основи вккорио-тання топкоплIвкового селектора з дов|льшм рад)усом кривизна поворхн! для свлэкц) I гас поздовжн1х, так 1 попарочних код у сферичному резонатор!.

У горпому п1дрозд! л! розгдядаоться основя! котодя сгокт-рзльноТ солокцИ, визначено Шсцэ тонкопл!ш:ового солектора в цьому ряду.

У другому п!дрозд1л! розглядаються ссобливост! фазових характеристик в I дцзерхалшчого 1нтерфэром9тра, якиЯ формусться тонкопл!вковим селектором I дзоркалом резонатора.

У третьему п!дрозд|л1 розглянуто особливоcrrl викорястання плзскопзрзлельного солэетора дяя вид1лэнпя код 1з сферлчнии фазовая фронтом.

У четвертому nlдрозд!л! рсиглянуто зэстосувзшт ТПС 13 дов!лышя рад!усом кривизви для сэлэкцп псздое«н!х 1 погорэч-них иод, а такой оппм!зац1я резонатор1в по втрэтах.

Коля ТПС вноситься в резонатор, то форму сться в1ддаоряа-лиочий 1нтерферомотр (В! >, фазов! характеристики яного визна-чають спектр.генерац!Г.

Дхя ц1лей перестроювання частота необидно доел!дети пове-д1нку фазових характеристик BI при великих зм!нах полск^ння ПЛ1ВНИ а»> - ±х/2. До цього часу под1бн1 досл1дяення не проводились.

Нами розраховано сдактри частот резонатора з активни*

соредовктам I ТПС в усьому д!апазон! зм1н положень iná7 на ос) розонатора (в межах ±х/2). Не надало змогу виявиги ссобливия аплив характеристик серэдовюц, то межують 1з ТПС, на характер пэреслроивання частотного спектра. Так, встановлено, щр вигляд иврестросчноТ заложност! частота як!сно запнюеться, якщо пара-кэтр н, щр дор|вшоЕ в1днопендп показник1в заломлеиня середевиц 1ззовн1 I усеродин I BI, стас < I. А сама, спостер!гаеться немо-нотопна з*1на частота геяерад! í при однонаправлэному рус) селектора вздрвж отдано! ос J резонатора в межах х/2. При досд!д-КОПН1 валвжностей добротност! В! В1Д положения селектора вста-повлоно, щр в точц1, дэ напр ямок уходу частота зшыосться на проталомния, зм1нюсться також швидкють эростання втрат. Цр означас, ш,о дания ефект виникае внасл!док взасмод! I поля 1э системою даох зв"язаних розонатор|в - BI I лазерного. Швидкост! зростання протифаэши змлл!туд хвил|, в!дЗито1 передана дзврка-дом (нтерфоромэтра t хвил1, то виходеть |эсередани, приблизно plBHi t ыдр1зняоться знаком. На складному дзоркал! поспйно знаюдаться вузол мода I частота К залиааеться стало». Яюцо саидкост( царостання ампл1туд зм1нхжт>ся, вузол кода змщуеться в1 дносно дзаркгла, по екв!валентно змсарншз частота. Напршкн В1дхилень частот резонатор!в (осщшггор|в) при герестрошанн! одного 1а них розр!зняоться. 1з тоорп зв"язашя осцилятор1в в1домо, щр частота коливань система затягуетьпя у б!к частота 61 лью добротного осцилятора. При перестроюванн! добротностоа парц|альних резонатор!в зеувом ТПС Iснупгь так! Кого полокюння, при яких затягування частота буде незначним i, б!льше того, QMlEüTb знак.

До цього часу при теоретичному авал1з! евлекцп за дрпомо-гою ТПС використовувалось наближоння плоских хвиль. При ексда-ришнталышх шрвв!рках пл!вка завади встанозлювалась або пара-лольно плоскому 4,j30BCMy фронту t Ю), або II повврхня виконува-

лась узгодееаою 1з сфоричнкм фронтом. Однак, при рус1 селектора в прошо) трвотроюваяяя довжжи XDH.ii генсрацп. або при пощу-ках оптимзльних положень селектора в резонатор! з кетою м!н!м1-заци втрат, важко досягги сп!впадання фэзових фронт!в I поверхн! селектора. Причина ць:\' полягае у тому, цр кривизна фронту хвил! у сферичному резонатор! залэжигь в:д поздов-таьо! координата. При встановленн! пл!вки з !ншою кривизною поверхн! (на-приклад, плоско'!), пл!вку може перетнути дэк1лька фазових по-верхонь р!зних поперечних I поздоа-кн 1 х мод. Втрати мода на поглинання залошать в!д ступеня перекриття поля моди 1з ТПС.. Ступ1нь перекриття буде зростата при зб1лысенн! кривизни фронта в м1сц! розтааування плоско!' пл!вки.

Для селзкцн дано Г моди необх!дно встановити пл!вку в положении при яксму досягавться м!н1мум втрат. Для цього необ-XIдао змэнпаш! ступ!нь перекриття поля cтoячoí хвил! 1з ТПС, знизизши тагам таном ом1чн! втрати моди. Цього можна досягги,

змонлуючи кривизну фрОНТу у м!сц! рсзтзшувэння плоско! пл1вки,

або зм!щуючи пл1вку !з вузла стоячоТ хвил! в сторону сфоричного дзеркала. В1домо, п;о поперечниЯ розпод!л ампл1туд мод в!дмшних IндоксIв р!зниться один з одним. Роличина втрат нз поглинання в пл!вц| для р!зних мод тоя будо р!гшгп:сь м!я собою 1 пл1вка змоиэ працовати як селектор поперечних мод. М!н1мум втрат при цьому досягасться, зв1сно, у точц!, яка не сп!впадав з точкою перетину вузлово! поверхн! з в!ссю резонатора.

Нами було вперло визначено, як зм!вдеться доброта1сть мод 1з гауссовим розпод!ло.ч !нтенсивност! у поперечному зр|з| при впосенн1 в резонатор сфэрично! поглитаючо! пл!вки 1з дов1льним рад!усом кривизни к,. Дхя цього розраховувались втрати снэргП в пл!вц! за рахунок поглинання, як в!дяооення частки енорг!1, цо гтрачасться в пл1вц!, до енерги, цо нзкопичена в мод! з !ндэксами (п га а):

SSt |E|* Cl-e-Mh3dxdydz

VnJllBMH

J) --------CI.15

/// |E|*dxdyd2 VKOAN

до * - кооф!ц1 бит шглинаанл в пл!вц1, а - м!сцэ розташування пл1вки в резонатор!, ь - товщина пл!вки. Обмежившись ахн простота випадаом «од т*-0, Шсля i нтегрування втрати вдалося пред-ставити у вигляд!:

z z «

cost ¡JCa+l^brctgj- - Ca+lJarctgj- Cl-^jO -2kz] T) - A CI ♦ - Э

r

11 ♦ ь»ci - R?* 1 •

C1.25

z

да 2kz - гп-цП + x, x - величина, що зм!нюеться в межах 0 - 2я

1 харакгеризуе голодания пл1вки в межах довжини ^ил!, lp -

доваина резонатора, п - номер поздовшньо! моди, поряд )з вуэлом

iiKOl зд! асиость'ся сел0кц1я, ь - параметр кокфокальност!, R -

радIус кривизни хвихьового фронту в точц! г на oci резонатора.

л ~ коеф!ц!ент пропсрц!йност!, заложить в!д товщини iuibkm, i)

властизостей, довкини хши! вштром!ЕОвання.

Анал!з (1.2) Шдгвердав, що розведення поверхонь ТПС I

хваяьового фронту дозволяс забэзгачиги селэкцт як поздовжни,

так I поперечних мод. Якщо ailEicy встаноалэно опуклою стороною

в б!к сферичного дзеркала резонатора, то можливо п!д!брати так!

облает! розталування ТПС, при перестроюванв! селектора в яких

Суде забездачуватись бананий порядок виходу в генерац!ю мод * 1 р1зтшх тагюречних I поздовжни Iндексiв (керування розходам!стю

випрои1шовання). Так, при розташуванн! селектора в облает! 40

см (рис. 2) порядок сл!дкування мод Суда « » о, I, 3, 8, в облает! 140 см - а = 0, 8, I, 3, В облает! 180 см - а = О, 3, 8, I.

КритичнIСТЬ лазеру на основ! yag: NdB* з нап1впров!дниковим пакачуванням I ТПС в резонатор! до ьтрат, змупус звернутись до пробломи опг.м!зац1 ( конф!гурацк резонатора з него» MlHiMl^a-цП втрат. Було виконапо низку модэльних розрахушив залвжност! втрат па поглинання у пл!вц|, ди5ракщйних I сумарних, в!д рад|уса кривизни сферичного дзеркалэ, пров!дност! пл!вки о, числа Френеля резонатора и. Цэ надзло змогу оштаизувати по втратах ряд в!домих лазорних систем, а також зэпропонувати нов! конф!гурац1( розонатор!в 1з ТПС. Розташування м1н1мума сумарних втрат у лазер! на шкал! кл. суттсво заложить в!д вел^мни про-в1дност1 матер!олу ТПС. Так, при с « 1С3 с"» для м!Н!м1зацП сумарних втрат в систем 1, що ствсрюеться на основ! промислового лазооа ЛГН-215, дощльно зам!нити стандартно дзеркало R » БОО см на дзеркало к * 800 см.

Нами встановлонс, со найбмгьш ефектизно селакщя попореч-них мод з використанвам плоскопаралэльного 1ПС зд!яснюсться у конфокальному резонатор!. Причина цьго полягае у тому, ею, скзж!мо, у концентричному резонатор! зэвэликий абсолютния pl-вень втрат для вс!х мод, у плоскому резонатор! абсолютная pi-вонь втрат иалий, ала втрати р!зних мод близьк! м!я собою, а значить, Тх важко салоктувэти. Т!льки конфокальна конф!гурац!я забезпечуе прийнятне сп!вв1дяошення абсолютных I в1двосних втрат.

Анал!з залэжностей втрат norviечних мод в!д положения ТПС у резонаторах püwoa тип!в опдао (1.2) виявив, то в продао! парестройнання по погарочних модах номонотонним чином эм1нюеть-ся сп1вв!даоиення втрат мода, яку ввд!ляэть, та П сус!д|в. Для солокци погарочних мод необидно досягги максимально! солэк-

Рис. 2. Втрати дая мод а = о, I, з, 8 у резонатор! (довжи-на бази l ■ loo см, рад!ус. кривизни дзеркала БОО см) !о ТПС (рад1ус кривизни поверхн! плШки к, = 0.5 к, r - кривизна фронта хвал! а точц! * па ос; резонатора) в залэжност! в!д положения .ТПС на сс ! резонатора

17 4

туючоГ здатносп' ТПС в резонатор! задано! конф1гурац11. Дет цього по ряд з вимогою м1н)м)зац1! абслптних втрат, важливо домагзтась максимально! р1зниц! по втратах для иод, сус1да!х ta иодою, що вид1лясться.

3 ц|сю метою нами було введено функцт якост! селектора

tili:

Vm'Vn

Q = - Сг?_-кЭ С1.35

П»

дач- втрати i-i коли зпдно (1.3), к - емшричния коефШ1ент втрэт, якия вводиться для того, сре$ охарактеризувата величину ебсолютних втрат коди, що бид)лясться. Полочюння iuibkh в резо-патор! визиачадось, виходячи 1з вкхаги досягнэння максимуму Функц!! якост! Q. Цэ дало ачогу запропояувзти декIльна конкрет-них резонатор)в з ТПС, в яких забазпвчусться приязятыкй р|вэнь збеолютних втрат мод, що вид1ляюггься, ! максимальна р)аниця ю втратах м)ж ними.

Трот i я розд|д присвячониа ексгоримонтальному дослдяэенв одпочастотно) гарострссвапо! пшорацП в умовах одзор!дзого упиропня л1н11 активного середсвида.

У поршому п1дрозд|л1 розглядаеться апаратна частааа азто-ваткзовзно! експзр:кзатально! установки.

У другому п! дрозд 1л1 дано огне структур» кэрупчого про-грамного коюгяэксу, особливостоя застосованих метод)в стабш-вац!1 ! перостросванпя частота.

У тротьому п)дрозд!л) наводягься ехедаримант&юл! рззуль-тати стаб1л!зад! I I шрестровваннй 1астоти. —

До складу авф'^зтазованого вюирювального комплэксу входили eil): одночастотния терестровваний стаб)ЛзованиЯ *ао-лазер, система контролю частота, блок керування, ЕОМ ibh рс-ат, блох комутаци. Активним элементом слугував кристал *лв:Н<1»* а 3x7

км 1з плоскими торцями. Торецъ, через який ад1йоньшалось нака-чувркня, мав дихро!чке покриття 1з P,.0tJ -- 99.95 ! т0-в1 = 90%. Бих1днв дзеркало лазера мало коеф1ц1ЕНТ в!Д|5ихш 98$ I радиус кривизни Т.Ь м. Оптична довжина резонатора сгелздэла 4.7 см. Пя!вка хрому наносилась на скличу гиоскопчралелгну основу, друге поверхкя яко) проев 1тлшалась до к.сеф1ц1енга' в!д5иггя мание 0.4%. Селектор ! вих1дке дзеркало лазера закр!плшались на п"езокерам1чиих зрушувачах, як! забезпечуаэли змИцэния еле-мент!в v межах ±1.5 мкм в!д положения р!вноваги. Шачдк1сть дрейфу ччетоти генерац!Т нестаб1л!зоваяоТ систечи через годину риботи складэла 10 МГц/с.

До складу системи контролю частоти входили к!льцввий ска-нуючий !нте|«;<-рюматр <КС1) а базою 3 м (м1Жмодоаий Иггервал 100 Мц), скаяуючиЗ IЕт^рфероиетр Фабр!-Перо з базою О.Б см <ч!нмо-довий Iптервэл ГО Гц) I стгб1л!зован1гЛ н®-ые лззер (ЛГН-302), iaq викорисп-овувався як репер частоти. Через годину роботи .прейф частоти К'нерацП складав приблизно 1.2 МГЦ.

' На р . 3 наведен! результата, цо були отриман! при ста-ь|л1зац1' /ао-лазора. Роеструвчлись сигиали в1д "^^-л-узора на поточному та гмтередпьому крохах стаи1л1зац!!, а такой напрямок в1д",и-'»ння сигналу. Абсолютна воличила сигналу в!д yAG-лазера задавалась на р!вн1 половшЛ в!д максимально моиимвоь Цэ в!дпйв1дало розташуваннк) робочо! точки на схил! поло с и пропускания КС! на plBHi 1/2 в!д максимуму. 3 урахуванням наведэ-ного визначення в!дхиленкя сюиалу в!дхшення ч-TOQS Б!дисз1дае: зеуву гобочоТ точки вниз гю схилу до м I н I муму, зеуь -10055 -вверх гю схилу до максимуму. Для комгоноэц! ( в!дхилеяня сигналу вир. virtJWCb керуюча напруга, прямо пропорЩйаа величин! в!дхи.»нкя I зворотня по знаку. Систему вдавалось утримувати поблйзу робочоГ точки нэ протяз! 22.5 с. Величина сигнал!В ЦАП, як! г'годвв&лноъ б а гГезо№рзч!чн! зрушув^ч! ТПС ! дееркал (КС!

«И J

rirrtn« vu I ïvril m I M "> l'tl I II >>l I II > if, ,i, Il I i.vil rrmfnli M lllrA

СЯ № « 0 Cf" Cfr CÖ" Sî"

■uiJUJ] rcw>

Inc. 3. Гн^зультати вюирюзаяь бих!дного одаочастс;ного сигналу y ag-лазеру при ув!мкнеп!й систем! А1ТЧ (час вим!ру 22.5 с ) I при ï i вимкненн I. ■

1 yag-лазеру) з метою стаб!л1зац!i, в1дпов1дала зм1н! положения рухомих елеменПв в межах х/80. Це в)дпов1дало зм1н! положення робочо! точки на схил! полоси пропускания КС1ФП в межах 1.25 МГц. 3 урахуванням tie! обставини, що точнють стаб1л1зацп КС1ФП визначалась нестабктьшстю частота задаючого лазеру ЛГН-302 (1.2 МГц) в дан1й систем! забезпечено стаб!л1защю на р!вн!

2 МГц ±-10«.

Максимальн! в1дхилення yAG-сигналу (-80% + +50%), що вини-кали в систем I, усШшно компонсувались АПЧ, ТривалЮть одного циклу системи АПЧ складала 3 мс, що дозволяло компенсувати вплив перошкод а частотами до 330 Гц. П!сля вимкнення АПЧ спо-стер!гався зм!нний дройф частота сигналу; величина в!дхилення складала в середньому 200%. Койф1ц!ент стаб!л1зацп сигналу (який визначався як в!дношення максимального в1дхилэння частота пр». пимкнен1й АПЧ до максимального в!дхиле1шя при ув1мкнен)й АПЧ за час вим!рювання) складав 200% : (-80Ж + 40$) = 5 для YAG-лазору I 1Б - для КС1ФП.

У ласэр1 тако! конф!гурацГ1 без солоктора було отримано генораЩю на б поздов;кн1х модах 1з загальною потуанЮтю 17 мВт.

На ркс. 4 наведено осцилограш спог.тру одночастотно i гено-рацП лазера при порестроюванн! по II поздовжшм модам. Максимальна потужн!сть гонераЩ ( Складала 8 мВт. В облаетi положень вях1дного дзеркала YAG-лазеру в мэжэх ~ 0.2 х х/2 у говний момент випикас генораЩя на ода1й 1 о сус1дн!х частот. Зпдно з розрахунками, як! були виконан! .ранHue, цэ в1дпов1даБ випчдку, .коли коофЩ1е1гги передач! селоктусмоi 1 7-oi eyeiдньо1 мода одночоспо поревишують одиниц» (кригер1й початку генерэци).

У зпкIпчопн! сфорчульовано висповки дисертац! 1.

и

ВИСНОБКИ

1. В робот! теоретично I оксперимонтально доел!дано особ-ливост! генорацп в л|н!йаому резонатор! з ТПС в умовах просто-ровог неоднор1дност! 1нверсно! населености Визначено вплив на модовий склад систени фазово! гратки, яка записуеться в активному середовищ!.

2. Для лазеру на гранат! з ТПС у резонатор! наявшеть фазово! складово! гратки 1нверсно1 населеност! призводить до того, що ла частот!, сус1дн!й 1з генеруючою на центр! л!н!1 п!дсилопня, коофщ1ент передач! мода зростас рахунок додат-кового перерозс!яння фотон!в нвгояоруючо! мода. Це вкв!валентно Б-ти кратному звужонню д|апазона допустим юс перокачувзнь нзд порогом, у якому збер1гасться одяочастотна генерзщя.

3. Встаноалоно, що наявнють складно! структури Л1н11 Шдсилення гао:мс1»' у резонатор! розглянуто1 1.онф!гурац|! зу-мовлюс асиметр!ю у порядку досягнення порогу генерац!I модами.^ розташованими справа I зл!ва в1д мода, що генеруе на максимум! полоси Шдсилення.

4. Теоретично досл!даено спектральний склад генерац! I лазера 1з ТПС у залежност! в!д розташування ТПС у резонатор! лазера ! р!вня накачування. Встановлено, що спектр мае "остр|в-цовий" характер, що носприятливо для досягнення одночастотно( гонорац!).

Б. Теоретично показано, що при однонаправленому рус! ТПС у резонатор! з метою солекц!! у межах х/2 можлива немонотонна зм!на частота генерац! 1 - якщо параметр н, що характеризуе прилегл! до ТПС д1елоктричн! середовищэ, вибраний меншим одини-Ш.

в. Показано, що рпзгашування ТПС в резонатор! в мюцнх, де поверхня ТПС не сп!впадае з фэзпним фронтом мода, зумовлюе розширення функцюнальних мож.товостей селектора - забезгвчуеть-

2Р»

ся горестроювання не т!льки по поздовжн!х, але 1 по поперечних модах у задан!й посл!довност!.

7. М1н1мум втрат для генеруючо) моди в сферичному резонатор! спостер1гаЕться, коли ТПС виведено 1з вузла стоячо! хвил! мода, що вид!лясться.

.8. Втрати, як1 вноситься ТПС для поздоикнИ 1 поперечних мод у сферичному резонатор!, складним чином залежать В1д розта-шування селектора в резонатор!, радIусу кривизни дзеркал, комплексно Т д!елекгрично) проникност! матер!алу пл!вки та п товщи-пи.

0. На основ! отриманих результат!в в сферичному резонатор! о обможуючою апертурою визначено облает!, при розмИцэнн! селектора в яких втрати моди на поглинання в ТПС I дифракцио на обмешуючIй апертур! в сум! м1н!мальн1.

10. Запропоновано конф!гурац!1 резонатор!в ! експеримен-тально реал1зовано лазери на не-ые 1 гай:ш3*, опггаизован! по втратах, як! забезпечують задану посл1довн!сть перестроювання поздовжни I поперечних мод. При цьому вих!дща потужн I сть вияв-'лясться б! лызою, н!м у випадку звично! селекци з допомогою обмешуючих апертур.

11. Теоретичн! I експериментальнI досл|даення одночастот-ного режиму гонерацН лазера -с тонкопл!вковим селектором надали змогу створити одночастотний перестроюваний по частот! I стаб!-л!зований'*ав-лазер. Стаб1льн1сть випром1нювання (2 МГц/20 с ) I --потужн!сть одномодово! генерац!I (8 мВт) пор1внян! з Iснуючими аналогами.

Матер 1али дисертацП опубл!кован! в таких працях:

I. Р.Воднишия, А.Длугашек, М.Новак, И.И.Пешко, А.И.Хижняк,

З.Янкович, в.М.Пцок. Тонкопленочныя селектор в сферическом

2Л

резонатор».-Кваят. рл. , т.10, в.7, c.lSS-Xzs; 1331.

2. С.Балозвров, А.5.Головин, И.Куратов,' Я.И.Попрсо, А.И.Хищник, Ю.Цветков, <Г'.М.Яцюк. Одаочастотная' генерация' в мини-ляда]© на ИАГ:км3* с перестройкой длины во.теы излучения,- Квант, эл., т. 18, в. 10, C.TI80-TIR?, 1ЭЭТ'.

3. А.Б.Голойкн, М.М.Лолмчук, И.И.Пешко, А.К.Хиулк^., Ф.М.Я\«!С. Управление модовым составом лазерной генерации с ¡юнош.ьч тонко-rv»H(Wrforo погло'даицеги {"«лектора. - Цорринт. м £0 №Г> АН Украина, 1533.

Оеобисгкй в.чесок' автора ил<нгае у Р}ч>нед.*им1 т^оротичних I екс^ериуент&льша доолГда^нь, (нторпретан! 1 "ырим^их ож.трм-квкгадьних £<?»удьтат1в, створени! приречного ■„«гЛ^тчонн.и »втомагизованш'о керушого лузер.чох'о кошг'.ексу. ! нtj i сц1иавгори приймали mi ним у учасгь н обгоиирйнн! [»еаул.1:.! ( ексшр«чзц-тальних доел Iдмешшх.

iln J .".l ivipinypa .

1. Аруумуйов B.K., Галзктиснова И.М., r^pj'yH Fi.Р. и лр. Одни-чзстотный У Mit Hd»« ллзор, ггабй'вдиронатм о гюн.эдьй нктныюго ггчнд-ipra.- Квант.эл., т.2, н.В, с.1в?Л-Ж1&, 1075.

2. Гусев A.A., Зййпав Г.Ф., Кружалов С.П. и лр. Одночаситшй лазэр на vag.-w.i»' с улучшенной стлбильнпстьп частот».- Аэтомэг-рия, н.5, c.If?MI0, Т970.

3. Бабушкин A.B., Воробьев Н.С., Корибкм П.В. Одночастотнан генерация, обда^чмвэ&мэн нриачвняки салокгорем, К»аьт.э.»., Т.П. и.4. c.8I*MV>T,

4. Голж?» Ю.Д., Грутепхил A.B., ЕаГюхо». К.Н. и др.. Простая система А'-а стабилиизцаи частоты падучения непрерывного лазера н-1 Уд.-i, ип"Радиотихн. и эл., т.2'1, н'.-J, с. 8S0-fi7I. 107^. •

Б. , ГЦ rvj-V I in ТЪоч, Т. J.k'.Mi», Ii. .I.Divnn. R.i.. Пусг. F't' l' г r i

2.4

v. 10. п. 2. р. 02-04, 1О0Э.

в. Евггтаов H.H., Обором В., Капцов Л.Н. Вдияниэ освобождения тепла в активное среда на'стабильность частоты непрерывно излучающего лазера на гранате с неодимом.- Изв. вуз. Приборостр., Т.28, H.H. с.91-85, 1083.

7. Троицкий Ю.В., Голдана Н.Д. О выделении одного типа колебания в оптическом резонаторе.- Письма ЖЭТФ, т.7, н.2, с.49-52, IB68.

8. Троидша Ю.В., Хюппенен В.П. Перестройка и стабилизация частоты оптического квантового генератора с селективными поте. рями.- Автометрия, н.1, с.52-55, 1971.

0. Раутиан С.Г. Некоторые вопросы теории газового квантового генератора.- Труда ФИАН, т. 43, с. 3-II5, 1988.

10. П.В.Троицкий. Самосинхронизация продольных мод в газовом лазорз с искусственным выравниванием межмодовых частотных интервалов.- Письма в ЖТФ, т.1, H.4, о.200-203, 1975.

11. А.Б.Головин, М.М.Лопийчук, И.И.Пошко, А.И.Хижняк, Ф.Ы.Яцюк. Управление кодовым составом лазерной генерации с помощь» пог лощащего селектора.- Препринт ы 20 ИФ АН УССР, 1893.