Исследование генерации излучения с обращенным волновым фронтом в схемах с петлей обратной связи тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГ6 bJ

„ n • •

u '" " МОСКОВСШ OPilKIîA ТРУДОВОГО КРАСНОГО 31ШАКШ «ИЗИКО ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

lia правах рукописи

Мелькуков UaKCEJi Валенович

ИССВДОВАККЕ ГЕНЕРАЦИЙ ИИЛУЧЕ1Ш С ОБРАДЕШШ ВШПЮЙИ iiPOluOfi В С1ШАХ С ПЕТЛЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

специальность 01.04.03 - радиофизика

Автореферат яиссертации на соискание ученой степени кандидата физико - иатоыатичоских наутк

Москва - 1932

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Краоного Знамени физико-техническом институте.

Научный руководитель: доктор физико-матеиатических наук

Белъдюгкн Игорь Цихайлович Официальные оппоненты: доктор фиэико-ыатематических наук

Сухов Андрей Владимирович кандидат физико-математических наук Харчокко Михаил Анатольевич Ведущая организация: Институт физика АН Литвы

Защита состоится лЗО« л^г^А 1993 Г- в часов иа заседания слеаиачазированного оовета К.063.91.01 в Московском физнко-чгехиичоском институте но адресу: 141700 г. Долгопрудный Иосковокой облаоти, Институтски? переулок 9, ЦОТИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского фи8ико-твхкичвского института.

Автореферат разослан Р^у^ссч 1993 г.

/чышй оекретарь специализированного совета

Коновалов Н.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуатьностъ проблет-ц, Одной из наиболее остро стояетх зашч лазерной техники является проблема получения излучения о ыахсиуально возможно!» яркостью от данного источника к расходимостью близкой к дифракционному пределу. Суцествуютв методы ОВФ, применяемые для атой цели, обладают рядок оущест-.венных нодостатков. Устранить эти недостатки позволяют схемы ОВФ с петлей обратной связи, которые Но требуют внешних опорных волн высокого качества и обладают достаточно низким порогом генерации отраженной волны. Реализация таких схем возможна на нелинейных средах о нелокальным откликом, в которых ■ решетка диэлектрической пропкцаемоста смещона относительно интерференционной картины обычно на угол ^ . Так на фото-рефрактивных кристаллах был создан целый ряд схем ОВФ, имеющих перспективы использования при создании оптических компьютеров. Однако известные среды с нелокальным откликом либо обладают слишком малой константой нелииейности, либо, ках фоторефрахтивные кристаллы, не могут выдергивать большую мощность излучения и работать в ИК диапазоне, задача создания ОВФ устройств в котором стоит особонно остро в связи о необходимостью компенсировать фазоЕые искачэиия, пенгОзжю возникайте в активной среде СО^ .лазера. Между тем существует больиой класс широко распространенных в природе сред о локальным откликом. Их применение в схемах о петлей обратной свя-зе затруднено тем, что они но позволяют реализовать нелинейное уоиление при хшухволновом взаимодействии и тем, что фазовые условия генерации для пех не пополняются. Поэтому по-

иск новых nyref. практической реализации само-ОВФ на основе локальной нелинейности иле снижение пороговой интенсивности к цосмтенио оптимального реаима работы петлевой схеш на основа нелокальной БР11Б но.ткнеГ.ности представляют большой интерес.

Цель таботы. Целью работы является выявление новых возможностей практического осуществления генерации отраженного излучения в пет левых схемах ОВФ на основе доступных и дешевых нелинейных сред, а также изучение различных рехиуов генерации и определение оптимальных параметров схем, которые могут быть рекомендованы при разработке ОВФ устройств как обеспечивающие наиболее эффективную работу и наименьшие порога.

Научная новизна тэдботы. IIa защиту выносятся следующие положения:

1. В схеме ОВД с петлей обратной связи на локальной нелинейности взаимодействие с пучком -1го порядка дифракции снимает, благодаря наличию фазовой расстройки, запрет на энор-гообыен и делает возыояной генерацию. Пороговое значение входной интенсивности зависит не только от постоянной нелинейности, но и от фазовой расстройки и знака нелинейности среды. В случае коротких входных иыпульсов нарастающий выходкой сигнал существует при любых параметрах схемы, но скорость роста отраженной волны сильно зависит от фазовой расстройки на длине среды. Для импульсов большой длительности скорость нарастания пропорциональна нелинейному усилению на длине фазовой расстройки. Слишком большие фазовые расстройки на длине среды приводят к срыву генерации.

2. При взаимодействии в схеме сако-ОВО на основе ЕРШ> нелинейности при достаточной входной интенсивности в спектре выходного излучения появляется набор вы спи х стоксовнх компонент. В режиме пстояюиия опорных волн рост высгах стоксовых компонент приводит к снижению коэффициента отражения и эффективности энергосьема с усилителя в отраженную вол;гу.

3. В схеме сако-ОВФ с встречным сводеюом пучков в нелинейной среде с локальным откликом возможна генерация охра-генного излучения за счет невзаимности набега фаз волн, рас-пространяю.'шхся в противоположные направления по петле обратной связи. Для минимизации порога и достижения глкси'/альной скорости нарастания выходного излучения необходимо випслни-ние определенных фазовых соотношении.

Пшктичесуая ценность. Предложен к разработан ряп схом ОВФ с петлэй обратной связи, позволякцих реализовавать генерацию отраженного излучения с .помощью доступных и простых келикейных сред. Данные схемы особенно примемте льны пря создании кизкопороговых устройств ОВЬ.

Апробапия гдботн. Материалы, включенные в диссертацию докладывались аа кокфоренции "Оптика лазеров" (Ленинград 1990) , конференции по лазерам и электрооптике (АнахеПм, США 1992) , хонферешт "Нелинейная оптика: материалы, теория и приложения" (¿яуи, США 1902).

Стгуктута ;грпсйгтпт!п1 Диссертация состоит иэ Еведенкя, трех глав, заключения и списка датируемой литературы. Работа изложена на 107 страницах, включая 20 рисунков. Список

Основные результаты диссертации опублико-

ваны б 8 печатных работах.

использованных источников содержит 77 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ео ввовеняк дан обзор литературы, посвященной схемам ОБЬ о петлей обратной связи, указаны основные постоянства и недостатка известных схем, обоснована актуальность диссертационной работы, сфорыулироиана основная цель исследования. Кратко изложено содержание материала по главам.

В попвоУ главе теоретически исследуется процесс генерации отраженной волны в петлевой схеме ОВФ на основе локальной нелинейности с учетом воли минус первого порядка дифракции.

В первом раздело рассматривается стационарное взаимодействие аолн нулевого, первого и минус первого порядков дифракции при четырехволповоа« взаимодействии в схеме само-ОВФ в среди о локолыша откликом. В рамках приближений медленно уонннцихся амплитуд и неистоздиошейся сигнальной волны находятся решения, описываяцио поведение взаимодействующих волн. При этой пренебрегаете« влиянием пучков более чем первого порядка дифракции. Кромэ того предполагается, что волны накачки, встречно сводящиеся в нелинейной среде, но взаимодействуют друг с другом. Полученные реиекия позволяют найти пороговое значение интенсивности сигнальной волны, которое задается выражением:

гае ииабт смысл нелинейного усиления на дтане фазовой

расстройки, ^ - полная фазовая расстройка на длине взаимодействия. Анализ (1) показывает, что параметрическое взаимодействие делает возможным генерацию благодаря наличию фазовой отстройки 1)ешетки, записанной о помощью волки минус первого порядка дифракции. Показывается, что пороговое значение интенсивности сигнальной волны зависит не только от нелинейности среды и ее гитаны, но и от угла сведения пучков в длины волны. Полученные результаты свидетельствуют о различной характере генерации отраженной волны для схом о положительным и отрицательный знаками константы нелинейности среды. Отмечается возможность неустойчивой работы схемы для некоторых областей значений параметров.

Во втором разделе теоретически исследуется нестационарное взаимодействие в рассматриваемой схеме. Временное развитие генерации с уровня шумовой затравки описывается системой уравнений, полученной с помощью преобразования Лапласа. Поведение лапласовского образа комплексной ампяитуды исследуется в окресности полюса в предельных случаях импульсов длительностью много больше и много метшие времени релаксации нелинейной среды. Показывается, что в первом случае нараставшее во времени поле отраженной еолш существует при любах параметрах схемы, по скорость нарастания сильно л периодически зависит от параметра полкой разовой расстройки. Для импульсов длительностью больше, чем время релаксации среды рассматриваются четыре предельна* случая в зависимости от соотношения X и > .

Показывается, что ^нерация срывается при малнх усилениях на длкнэ фазовой расстройки и болыгах '{ззогмх расстрой-

ках на длине среды. Анализ пороговых условий позволяет еде* лать вывод, что скорость развития генерации пропорциональна усилению на длине фазового рассогласования, а не полному инкременту, как в традиционных схемах ОВФ с петлей обратной связи.

Далее описывается эксперимент, в котором при использовании сред с локальным откликом достигался энергообмен между взаимодействующими пучками С0£ лазера, а также генерация излучения в высшие порядки дифракции, что подтверждает вывод о возможности осуществить генерацию при четырехволновом взаимодействии с петлей обратной связи за счет взаимодействия с волнами высших порядков.

Во р/готюй главе изучается влияние высших стоксовых компонент па генерацию в петлевой схеме ОВФ с усилителем в петле обратной связи (Рис.2) .

В первом разделе рассматривается параметрическое четы-рехволновое взаимодействие в ВРШЗ среде в приближении слабой нелинейности, которое позволяет достаточно просто оценить порог образования первой стоксовой компоненты в спектре отраженной волны. Для точного определения этой величины и нахождения порога образования всех высших стоксовых компонент второго порядка и выше используется представление разнесенных в пространство решеток диэлектрической проницаемости, соответствующих акустическим волнам, бегущим в разные направления. Все вычисления проводятся в приближении неистощающееся накачки. Кроме того предполагается, что среда является тонкой.

Рассматривается процесс записи одной решетки диэлектрк-

чс-ской проницаемости, описываемой параметром дифракционной эффективности, парами стоксовых компонент, а затем рассчитываются дифракционные эффективности обеих рететок в рассматриваемой схеме, коэффициент отражения и КПД устройства как функции интенсивности входного сигнала. Найденный порог образования высших стоксовых компонент примерно в 4 раза превышает порог генерации первой компоненты. Показывается, что влияние высших стоксовых компонент приводит к тому, что коэффициент отражения, достигнув максимума примерно ^А ; где К - коэффициент усиления усилителя в петле обратной связи при дальнейшем повышении уровня входного сигнала снижается до » при этой также снижается и эффективность энергосъема о усилителя в отраженную волну. Это объясняется тем, что решетка, образованная высшими стоксошма компонентами, увеличивает долю излучения, рассеиваемого в попутном с сигнальной волной направлении. Тот факт, что максимальный коэффициент отражения оказывается меньше, чгм максимальный коэффициент отражения схемы с двухпроходовыи усилителем объясняется тем, что излучение, прежде чем попасть в отраженную волну, лишь оди'1 раз проходит через усилитель.

Во втором разделе исследуется работа петлевой схемы на НРМБ нелинейности в ситуации, коггч в нелинойноы взаимодействии преобладает механизм БРЫБ назад. Этот режим реализуется при достаточно больших входных интеясивностях. В этом случае решетки, записанные различными парами стоксовых компонент образуют резонатор. Используя тот же подход, что и е первом разделе, определяются дифракционные эффективности решеток, коо^Ефицкент отражения в эффективность преобразования энергии

в устройстве ОВФ. Показывается, что коэффициент отражения в этом случае не имеет принципиальных ограничений и определяется только мощностью накачки усилителя. Отношение интен-сивностёй волн, рассеиваемых в обратном и попутном направлении при больших входных сигналах стремится к К . Полученные результаты позволяют сделать вывод о целесообразности пршенения схемы 1а ВЙ1Б нелинейности с усилителем в петле обратной связи в качестве низкопорогового устройства. В случае жо когда иообходимо получить обращение высокоинтенсивного излучения разумнее применять схему о двухпроходовам усилителем.

Далее рассматривается применение изложенной теории к эксперименту, описанному в [ 1 ] . Сравниваются рассчитанные и скспорименталыше данные по порогу генерации и коэффициенту отражения. Отмечается хорошее согласие между теорией и экспериментом,

£ третьей главе рассматривается явление генерации отраженного излучения в схеме о петлей обратной связи при встречном сведении пучков накачки в нелинейной среде.с локальным откликом.

В первом разделе исследуется возможность осуществить эффект генерсциг 8а счет введения, невзаимного фазового вле-манта £ петли обратной связи так, чтобы волны, распространяющиеся по ней в противоположных направлениях проходили разнив оптичоехче пути. Задача решается в нестационарном случае в приближении медленно меняющихся амплитуд с учетом фазовых соотношений между взаимодействующим* вэлнаш. Определяется порог гонорацки и частотная отстройка генерируемого пэлуче-

ния. Показывается, что нелинейное усиление, необходимое для генерации, в этой схеме достигается за счет частотной отстройки, а обратная связь становится полотмтельной благоларя не-взаитюму фазовому набегу. Показывается, что для достижения порога генерации помимо достаточной входной интенсивности необходимо также выполнение определенных требований на фазовые набеги волн, удовлетворяя которые можно минимизировать порог генерации. В случае, когда в цепи обратной связи нет усилителя пороговое условие дается выражением:

М > 1 (2)

где И - полный инкрсмепт усиления, Ч* - невзаимпый фазовый пабег волн в петле обратной связи. Далее рассматриваются пороговые условия при наличии усилителя в петле обратной связи и показывается, что введение усилителя не приводит автоматически к выполнению пороговых условий, а липь может снизить порог, если фазовые условия удовлетворены. Далое рассматривается конкретная схема, реализующая описанные требования (рис.з) . Ориентация осей пластинки АД выбирается в зависимости от поляризации входного излучения и знака константы нелинейности среды. Данная схема исключает взаимодействие волн накачки с записью отражательной решотки.

Во втором разделе теоретически исследуется влияние немонохроматичности сигнального излучение на эффективность нелинейного взаимодействия в рассматриваемой схеме. Необходимость рассмотрения вытекает из того факта, что излучение большинства лазеров нельзя считать монохроматичным при работе со оредами, обладавшими временем релаксация Т 10""^ + 1 о,

например с тепловым механизмом нелинейности .

Для определения порога используется модель спектра, состоящего из эквидистантных линий. Задача решается в приближении медленно меняющихся амплитуд и неистощающихся опорных волн, кроко того пренебрегается эффектом уши ре ну, я спектральной линии при рассеянии на множестве бегуащх решеток. Полученные результаты показывают, что эффективность нелинейного взаимодействия, определяющая порог генерации, пропорциональна эффективности входного излучения, приходящейся на частотный интервал, задаваемый обратным временем релаксации ороды, а также пропорциональна ширине частотного интервала, в пределах которого сигнал можно считать когерентным.

В заключение приводятся результаты экспериментов, подтверждающие возможность практического осуществления само-ОВФ излучения среднего ИК диапазона при помогу сред с локальной нелинейностью. Наблюдаемые в эксперименте отстройка частоты генерируемого излучения от частоты входного сигнала при записи крупномасштабных решеток в нелинейной среде подтверждают необходимость невзаимного фазового ншзега ддд существования генерации.

В заг-точениц приведены основ!ше результаты работы:

1. В схеме ОВФ о петлей обратной связи параметрическое взаимодействие с пучком минус первого порядка дифракции в с росе с локальный откликом снимает запрет на энергообмен и полает возможной генерацию отраженной волны. Пороговое значение входной интенсивности зависит нэ только от постоянной нелинейности п длины среды, но и от фазовой расстройка с знака пыпнэйкостк среды.

2. В случае коротких входных и »¿пульсов нарастающий выходной сигнал существует при любых параметрах схемы, но скорость роста отраженной волны сильно зависит от фазовой расстройки на гшно среды. Для импульсов большой длительности скорость нарастания пропорциональна нелинейному усилению на длине фазовой расстройки. Слишком большие фазовые расстройки на длине среды приводят к срыву генерации.

3. При взаимодействии в схеме само-ОВФ на основе ВРКБ нелинейности при достаточной входной интенсивности в спектре выходного излучения появляется набор всех высших стоксо-вых компонент. В режиме истощения опорных волн рост высших стоксовых компонент приводит к снижению коэффициента отражения и эффективности энергосъема о усилителя в отряженную волну.

4. В схеме само-ОВФ с встречным сведением пучков в локальной среде возможна генерация отраженного излучения за счет невзаимности набега фаз волн, распространяющихся в противоположные направления по петле обратной связи. Для минимизации порога и достижения максимальной скорости нарастания выходного излучения необходимо выполнение определенных розовых соотношений.

5. При само-ОВФ на локальной нелинейности в случав широкополосного входного сигнала пороговое значение входной интенсивности пропорционально произведению ширины линия на время релаксации, а также определяется статистической зависимостью спектральных компонент входного сигнала.

Рис. 1. Схема четырехволнового взаимодействия с петлей обратной связи с учетом волн нулевого, первого и минуо первого порядков дифракции.

Рис. 2. Петлевая схема ОВФ на ВК1Б нелинейности.

Рив. 3. Схема оамо-ОВФ на среде о локаяыши отктаком в навэа-имном фазовой элементе в петле обратной связи. 1 - нелинейная среда, 2 - усилитель, 3 - пластинка V4 , 4 - ячеПка Фара доя, поворачивающая поляризацию на СГ , 5, 6 - зеркала.

Результаты, представленные в диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бельдюган И.Ы., Золотаров Ы.В., Цолькучов U.B., Свиридов К.А. Изв. АН СССР Сер. фязичоская, т. 54, > 12, о. 2475-2479 (19Э0) . Режим генерации при четырехволновом взаимодействии о петлей обратной связи.

2. Бельдюгин И.М., Золотарев U.B., Молькумов И.В., Свиридов К.А. в кн, Тезчса всесоюзной конференции "Оптика лазеров - 90". Ленинград 1990, с. 435. Мультистабилышй режим в схеме ЧБВ о петлей обратной связи.

3. Бельдвгин И.М.,.Мелъи}-мов Ц.В., Свиридов К.А. Квантовая электроника, т. 19, Л 2, о. 156-159 (1992У .

О влиянии высших отоксовых компонент на генерацию излучения при ВШБ в петле них схемах.

4. Больдюгин U.U., Бельдюгина Н.И., Мелькумов U.B., Свиридов К.А. Квантовая электроника, т. 19, ä 10, с.2047-2051 (1992) . Взаимное ОВФ в средах с локальным откликом.

5. 1ШУиЯ.Л .M., Be)cJyn<j>»a il. 1, Heft U.V. Sv.rJov KV).

«hj ./¡i'phcatiovi s • 32. On м poüii LiliÎy of double

ccrj ii^efi ои local reipo «ce weJift.

С. Т.Н., BeUy^i«« Hl. Н»1'кч

' roc.

cf CIE0-92. I'tac e coy, jujjaïed wnvc genei-atio* Y^ß e*-,? t" ciouLîe pliCl.se conjH^ofiOn >и letal rfSpcw»

7. Болъдюгип И.Ы., Цзлькумов U.B., Свиридов К.А. Квантовая электроника, т. 17, * 9, о. 1872 (1990) . Двойное OBï в средах с локальным откликом.

8. Белъттмган И.М., Бельдюгина 1I.U., Малькумов М.В., Свиридов К.А. Квантовая электроника, т. 18, J6 10, с. 115С-1151 (1991)

, Особенности генерации при взаимном ОВФ излучения двух независимых лааеров я среде с локальным откликом.

Цитированная литература. 1. Кардою» У.С, я др. Квантовая электроника, т. 17, Я> 6, е. 709-711 ( 1990 ) . Генерация излучения в твердотельном кольцевом лазере с БР!ДБ зерцалом.

РоПЧПуЭИНГ МФТИ. 1ир(1.<«. -<00 .»tcj 3<* коз

Л Vvab