Исследование многоцветного и широкополосного лазера с нарушенной конкуренцией мод тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Санкт-Петербургский государственный университет

_ _ _ На правах рукописи

Р Г Б ОД

■ О окт

Воротнев Петр Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОЦВЕТНОГО И ШИРОКОПОЛОСНОГО ЛАЗЕРА С НАРУШЕННОЙ КОНКУРЕНЦИЕЙ МОД

Специальность: 01.04.05 - оптика^ 01.04.21 - лазерная физика.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1894

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Применение активных сред, обладающих широким контуром усиления, позволило изменять длину волны генерируемого излучения в перестраиваемых лазерах с дисперсионным резонатором или получать генерацию участка оплошного спектра в лазерах с недисперсионкыми резонаторами. В последнем случае ширина спектра генерации оказывается значительно меньше своего принципиального предела - ширины спектра усиления активной среды.

Основной физической причиной, препятствующей генерации многоцветного и широкополосного излучения, является конкуренция мод. Она, как известно, приводит к сужению спектра генерации традиционных лазеров, активная среда которых обладает однородно уширенным контуром усиления, препятствует формированию желаемого спектрального распределения мощности генерации. Поэтому для получения многоцветного или широкополосного лазерного излучения необходимо нарушить конкуренцию мод. Таким образом, большой научный и практический интерес представляет исследование различных аспектов конкуренции мод и поиск путей ее нарушения. Наиболее перспективным способом нарушения конкуренции мод является, на наш взгляд, пространственное разделение каналов генерации о помощью точечно отображающих резонаторов.

Многоцветное или широкополосное лагерное излучение, спектральные характеристики которого можно изменять требуемым образом, необходимо для решения многих научных задач. Такие задачи, в частности, возникают в лазерной и внутрирезонаторной спектроскопии, при исследовании многокомпонентных и динамических объектов, в голографии, фотохимии, при хранении и передаче информации, при дистанционном зондировании атмосферы, в медицине и биологии, Поэтому следующим логическим шагом, иа наш взгляд, должно быть исследование, направленное на получение многоцветного и широкоплооного лазерного излученйя, с независимо перестраиваемыми в широкой спектральной области компонентами спектра. Вышеизложенное и . обусловливает актуальность данного диссертационного исследованияV

- s -

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры оптики 0П6ГУ в 1891-1994 годах, а также на следующих конференциях:

1. 2Snd EGAS Conf., Uppsala, Sweden, 1990.

2. VI Всесоюзной конференции по голографии, Витебск, 1990.

3. European Quantum Electronics Conf. and tenth National Quantum Electronics Conf., Edinburgh, UK, 1991.

4. Laser M2P Conf., Grenoble, France, 1991.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, опубликованы в 8 статьях, список которых приведен в конце реферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация содержит 137 страниц машинописного текста, 41 рисунок, 8 таблиц. Список литературы содержит 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертации и сформулирована цель исследования.

В первой главе дан обзор работ, посвященных методам расчета спектральных характеристик лазеров на красителе, расчету оптических резонаторов методами матричной оптики, а также получению многоцветного или широкополосного лазерного излучения.

Во второй главе теоретически исследованы точечно отображающие резонаторы, позволяющие нарушить конкуренцию мод за счет пространственного разделения каналов генерации излучения различных длин волн,

Традиционные резонаторы для создания многоцветных и широкополосных лазеров не подходят, т.к. в них излучение всех длин волн (в пределах полосы пропускания резонатора) усиливается одним и тем же участком активной среды. Поэтому в данной диссертационной работе разработаны и исследованы резонаторы нового типа, а именнно точечно отображающие резонаторы. Точечно отображающим называется резонатор, в котором существует хотя бы одна плоскость перпендикулярная оптической оси резонатора, такая что изображение точек этой плоскости формируется при последовательных проходах оптической системой резонатора в тех же самых точках. Любой резонатор о некоторой выделеной плоскостью, перпендикулярной оптической оси, может рассматриваться как совокупность двух оптических

жающих резонаторов как центрированных, так и нецентрированных, обладающих свойством углового соотвествия, Рассчитаны параметры таких резонаторов.

Для осуществления точечного отображения точек исходной плоскости, удаленных от оптической оси резонатора, необходимо, чтобы лучи, испущенные этими точками не были виньетированы оптическими элементами резонатора. Поэтому в диссертационной работе исследовано виньетирование лучей в точечно отображающих резонаторах. Для расширения области параметров лучей, распространяющихся в резонаторе без виньетирования, предложено использовать дополнительные антивиньетирующие линзы. Определены параметр« такого резонатора, при которых он обладает свойствами точечного отображения и углового соответствия. Показано, что указанная выше область в резонаторе с антивиньетирующими линзами оказывается значительно шире как по координате, так и по углу, чем у двухлинзового точечно отображающего резонатора.

В третьей главе теоретически и экспериментально исследована многоцветная и широкоилосная генерации.при нарушенной конкуренции мод.

Для нарушения конкуренции мод в диссертационной работе использовано пространственное разделение каналов генерации излучения различных длин волн в лазерах с точечно отображающими резонаторами. Экспериментально показано, что область одновременной генерации лазера с двухлинзовым точечно отображающим резонатором определяется потерями, связанными с виньетированием излучения оптическими элементами, « составляет порядка 140 нм (при использований внутрирезонаторного спектрального прибора с обратной линейной дисперсией Ю т/т). Разработан и исследован широкополосный лазер с нарушенной конкуренцией мод, точечно отображающий резонатор которого содержит антивиньетирующие объективы. Экспериментально показано, что в широкополосном лазере антивиньетирующие объективы приводят к снижению потерь, обусловленных виньетированием излучения, и позволяют в два раза расширить область одновременной генерации. Проведено сравнение спектра широкополосного излучения, генерируемого лазером с нарушеной конкуренцией мод со спектром люминесценции активной среды и со спектром генерации лазера с недисперсионным резонатором в тех же экспериментальных

области шириной 240нм. Экспериментально продемонстрирована возможность управления спектральными характеристиками лазера с нарушенной конкуренцией мод за счет перераспределения мощности излучения накачки по активной среде. Получена генерация в лазерах с нарушенной конкуренцией мод одного или нескольких участков сплошного спектра, многолинейчатого спектра, линейчатого и оплошного спектров одновременно.

Теоретическое исследование формирования спектра генерации в лазере с нарушенной конкуренцией мод проведено на основе балансных уравнений

(1)

I. ■ " " - ■ ■

М- (■> \У1-г 1 _ » & {к IX Шх ИШ-Ф-

и

(3)

где я, П." и п.1 - плотности числа молекул в точке с координатой X (полная, в основном и возбужденном состоянии соответственно);

полное число фотонов в резонаторе в-момент времени с длиной волны Я , генерация которых осуществляется участком активной среды с координатой ОС ; Л) - время жизни фотонов в резонаторе; плотность мощности накачки в точке о коорди-

натой X; ^(3) спектральные зависимости коэффициентов

Эйнштейна для вероятностей оптических переходов между основным и возбужденным состояниями активной среды, £ - коэффициент заполнения фотонами активной среда.

Данная система уравнений (1-3) по сравнению с системой балансных уравнений для традиционных лазеров имеет ряд особенностей. Во-первых, пространственное разделение каналов генерации приводит к тому, что различные участки активной среды генерируют излучение разных длин волн. Поэтому необходимо рассматривать плотность числа молекул и число фотонов генерации как функцию' пространственной переменной ОС. Во-вторых," время жизни фотонов в резонаторе является функцией как длины волны, так и координаты дс , поскольку внутрирезонаторные потери могут быть не только селективными, но и пространственно распределенными. В работе получено решение системы С1-3) при полном пространственном разделении каналов генерации. В этом случае спектраль-

- 9 -

тично нарушенной конкуренции мод.

При экспериментальном исследовании лазеров с точечно отображающими резонаторами было обнаружено, что в некоторых случаях пространственное разделение кеналоз генерации не является полным, при этом между различными участками активной среды возникает оптическая связь, а в спектре генерации возникают дополнительные спектральные компоненты, которые могут быть не только линейчатыми, но и представлять собой участок сплошного спектра. Б результате возможна значительная трансформация спектра генерации лазера и перераспределение яркости мевду спектральными компонентами. В этом случае конкуренция происходит только между дополнительными и основными компонентами спектра (а основные компоненты непосредственно не конкурируют между собой). Такая ситуация и была названа частично нарушенной конкуренцией мод.

Для теоретического исследования частично нарушенной конкуренции мод между линейчатыми спектральными компонентами получена й решена система балансных уравнений, описывающая процессы генерации в лазере с учетом оптической связи между различными накачанными участками активной среды. Проведен анализ всевозможных решений этой системы при накачке двух участков активной среды. Показано, что каждому решению соответствует определенный вид.спектра генерации (для двух накачанных участков в стационарном режиме возможно шесть различных типов спектров). Проведено сравнение рассчитанных относительных яркостей спектральных компонент с экспериментально полученными при изменении положения одного из накачанных участков активной среды. Теоретические » экспериментальные результаты согласуются между собой. Экспериментально показано, что изменение интенсивности основных компонент при перемещении генерирующего участка активной среды в лазерах о частично и полностью нарушеной конкуренцией мод может значительно отличаться. Получены и исследованы спектральные и энергетические условия наблюдения различиях видов спектров. Результаты представлены в удобном для практического применения виде, что позволяет предсказать вид спектра генерации для конкретных экспериментальных условий. Показано, что перераспределение мощности накачки между двумя генерирующими

управление спектральными характеристиками лазера с нарушенной конкуренцией мод за счет перераспределения мощности излучения Накачки по активной среде. Рассчитанные и измеренные спектральные распределения мощности генерации лазера с нарушенной конкуренцией мод согласуются между собой.

- Исследована оптическая схема лазера с нарушенной конкуренцией мод с использованием двухлинзового точечно отображающего резонатора. Исследованы причины, ограничивающие спектральную область генерации этого лазера. Показано, что основной причиной является виньетирование световых лучей. Разработан широкополосный лазер с нарушенной конкуренцией мод с использованием точечно отображающего резонатора с двумя дополнительными антивиньетирующими объективами. Экспериментально показано, что применение активиньетирующих объективов • позволяет в два раза расширить спектральную область генерации.

- Теоретически обоснована и экспериментально показана возможность генерации в лазерах с нарушенной конкуренцией. излучения сложного спектрального состава. Получена перестраиваимая многоцветная генерация в спектральной области шириной до 240нм, а также генерирация участка сплошного спектра шириной до 115нм

- Разработан метод гетерохромной фотометрии с эталонным источником непрерывного действия для регистрации многоцветных и широкополосных импульсных лазерных излучений.

2. Обнаружена частично нарушенная конкуренция мод в лазерах с точечно отображающими резонаторами, теоретически и экспериментально иоследовано ее влияние на спектр генерации:

- Экспериментально продемонстрирована генерация в лазерах с точечно отображающими резонаторами дополнительных спектральных компонент, которые могут быть как линейчатыми, так и представлять собой участок сплошного спектра. Показано, что при этом возможна значительная трансформация спектра генераций лазера и перераспределение интенсивности между его различными компонентами. Физической причиной, приводящей к таким результатам, является частично нарушенная конкуренция мод.

- Получена и решена система балансных уравнений, описывающая процессы генерации в лазере при наличии оптической связи между различными накачанными участками активной среды. Обменено

вого соответствия. Показано, что точечно отображающий резонатор, обладающий угловым соответствием, оказывается устойчивым, а также позволяет отображать самих в себя протяженные вдоль оптической оси резонатора объекты,

- Исследована возможность построения двухлинзовых точечно отображающих резонаторов. Изучено виньетирование лучей• оптическими элементами резонатора. Показано, что при наличии углового соответствия, виньетирование происходит только на первом проходе. Получены значения параметров лучей, проходящих через резонатор без диафрагмирования.

- Предложен и исследован точечно отображающего резонатор' с антивиньетирующими линзами. Найдены условия, при которых этот резонатор обладает свойством точечного отображения при каждом проходе через исходную опорную плоскость. Показано, что область параметров лучей, распространяющихся без виньетирования, в таком резонаторе оказывается значительно шире (как по координате, так и по углу), чем в двухлинзовом точечно отображающем резонаторе.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях:

1. A.G.Zhiglinskiy, A.M.Izmajlov, G.G.Kund, I.A.Smirnova,

1.G.Stuklov, P.A.Vorotnev..New type of dye lasers: polychromatic superbroadwand tunable laser. - Journal de physique IV. 1991. Colloque С7, Vol.1.

2. А.Г.Виглинский, A.M.Измайлов, И.А.Смирнова, П.А.Воротнев. Спектр излучения лазера с полным пространственным разделением каналов генерации. - Вестник Ленинградского Университета Серия 4: Физика, химия. 1891. Вып.2 (МИ).

3. П.А.Воротнев, А.М.Измайлов, Г.Г.Кун,д, И.А.Смирнова, Гетерохромная фотометрия излученйя импульсных полихроматических лазеров. - Журнал научной и прикладной фотографии и кинематографии. 1981. Т.35, вып.З.

4. П.А.Воротнев, А.Г.Жиглинский, A.M.Измайлов. Исследование спектральной области генерации лазера о нарушенной конкуренцией мод. - Вестник СПбГУ. Серия 4: Физика, химия. 1892. Вып.4 (N25).

5. М.Е.Абраменко, П.А.Воротнев,-А.Г.Яиглииский, A.M.Измайлов. Исследование частично нарушенной конкуренции мод в

Подписано * печати 21.09.94 Заказ 312 Тираж 100 Объем I п.л. ПМЛ СПГУ

199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова,б,