Исследование процессов генерации и обращения волнового фронта при четырехволновом взаимодействии с обратной связью в диапазоне излучения CO2-лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Российская академия наук Институт прикладной физики

На правах рукописи

ЕРГАКОВ Константин Владиславович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГЕНЕРАЦИИ И ОБРАЩЕНИЯ ВОЛНОВОГО ФРОНТА ПРИ ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ В ДИАПАЗОНЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С02-ЛАЗЕРА

01.04.03 — оадиофизика, 01.04.04 — физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Нижний Новгород — 1994

Работа выполнена в Институте прикладной физики ГАН, г. Нижний Новгород.

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук А.А.Бетин,

кандидат физико-математических наук О.В.Митропольский

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Г.И.Фрейдман,

кандвдат физико-математических наук М.В.Золотарев

Ведущее предприятие: ГП "НПО Астрофизика",

г.Москва

Защита состоится " 25 " апреля 1994 г. в 14 час. на заседании специализированного совета К 003.38.01 в Институте прикладной физики РАН (603600, г. Нижний Новгород, ГСП-120, ул.Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики ГАН.

Автореферат разослан " 24 " марта 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат. наук А.М.Еелянцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время большое внимание уделяется исследованию явления обращения волнового фронта (ОВФ) при нелинейных волновых процессах, что связано с перспективностью использования этого эффекта для решения целого ряда важных научных и научно-технических задач.Существует два традиционных метода создания обращенных волн: вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна и четырехволновое смешение. В отличие от видимой и ближней ИК областей спектра в среднем инфракрасном диапазоне реализация эффекта ОВФ в процессах вынужденного рассеяния связана со значительными трудностями. Поэтому в среднем ИК диапазоне (х =2,5+и мкм), в котором работают мощные и эффективные химические, СО- и С02-лазеры, наибольшее развитие получил метод ОВФ на основе вырожденного четырехолнового взаимодействия (ЧВ). Традиционная схема ЧВ обладает рядом Несомненных достоинств. Однако, существенный недостаток этого метода состоит в необходимости идеально однородной нелинейной среды и точно обращенных друг другу мощных опорных волн, что значительно затрудняет реализацию ОВФ лазерного излучения с высокой мощностью. В этой связи особый интерес представляют разработки методов само-ОВФ в среднем ИК диапазоне, при которых ни к среде, ни к пучкам не предъявляются требования на идеальное оптическое качество.

Исследование само-ОВФ лазерного излучения среднего ИК-диапа-зона в настоящее время направлены, с одной стороны, на разработку метода ОВФ за счет четырехволнового взаимодействия с обратной связью (при котором реализуется самонакачивающееся нелинейное зеркало и отдельного источника накачки не требуется) и с другой, на поиск перспективных нелинейных сред и получение в них самообращения при вынужденном рассеянии. В связи с этим являются актуальными исследования, тему которых можно объединить под названием " четырехволновое взаимодействие с обратной связью" (ЧВОС). Принципиальная оптическая схема ЧВОС показана на рис.1. Сигнальная волна ег проходит через нелиней- Рис.1.

3

ную среду 1 и далее с помощью оптической схемы, включающей в себя в общем случав усилитель 2 и зеркала з, вновь направляется в нелинейную среду в виде волны £Гз. При определенных условиях происходит генерация сопряженных Е и Е3 волн Ег и Е , причиной возникновения которых может быть рассеяние на флуктуациях диэлектрической проницаемости среду или спонтанный шум усилителя в оптической схеме. Волна Е, совершив обход оптической схемы навстречу сигнальному пучку , трансформируется в сопряженную ему волну Ег, замыкая петлю обратной связи. Часть мощности волны Е2 проходит сквозь нелинейную среду без изменения направления и служит выходным излучением Процесс нарастания волн Е , Ei происходит в сформированном кольцевом резонаторе, в котором нелинейная среда за счет наведенных в ней в результате взаимодействия волн амплитудно-фазовых решеток диэлектрической проницаемости эквивалентна некоторому зеркалу. Размещение в петле обратной связи усилителя позволяет расширить класс используемых в схеме нелинейных сред и получать значительно превосходящий единицу коэффициент отражения сигнального излучения.

Актуальность исследований возможности осуществления само-ОВФ при ЧВОС без использования дополнительных волн накачек, связана с наибольшей важностью таких схем для приложений, поскольку построенные на их основе ОВФ-зеркала наилучшим образом сочетаются с мощными лазерными усилителями. Тем самым актуальной является и задача исследования возможности построения на основе схем ЧВОС лазерных систем с предельными физическими возможностями.

Схема ЧВОС с усилителем в петле обратной связи, исследованию которой посвящена настоящая диссертационная работа, представляет собой лазер, управляемый внешним оптическим сигналом. На начальном этапе развития лазеров задача управления характеристиками выходного излучения решалась достаточно простыми средствами - с помощью управления одним из параметров резонатора, накачки или параметрами специально введенного в резонатор элемента. Относительная их простота определяется тем, что они характеризуются небольшим числом степеней свободы. С общефизической точки зрения представляет значительный интерес исследование поведения и возможностей управления многопараметрическими оптическими, системами, обладающими сложными временными и пространственными характеристиками излучения (например, исследование захвата внеш-

4

ним оптическим сигналом пространственной структуры излучения лазера). В связи с этим перспективны теоретические и экспериментальные исследования, направленные на изучение лазеров с нелинейными голографическими зеркалами, управляемыми внешним оптическим сигналом, обладающим сложной пространственно-временной структурой, а также адаптивных систем на их основе. Разработка и исследование таких систем находятся в начальной стадии.

Целью настоящей работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование пространственных, временных, спектральных и энергетических характеристик генерации при ЧВОС излучения С02-лазера, в том числе и исследование возможности самообращения волнового фронта пространственно неоднородного излучения в диапазоне л ю мкм. Наряду с этим, исследовались возможности создания на основе схем ЧВОС адаптивных лазерных систем среднего ИК диапазона для приема и отражения с ОВФ и усилением сверхслабых оптических сигналов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Впервые продемонстрирована возможность реализации ОВФ при ЧВОС пространственно-неоднородного излучения импульсного С02~ лазера. Реализовано отражение спекл-неоднородного сигнала с четко выраженной обращенной структурой на фоне шумовой компоненты.

- Построена теоретическая модель для анализа энергетических характеристик схемы ЧВОС импульсного излучения в приближении стационарной генерации плоских волн на наведенной самопересекающимся сигнальным пучком заданной решетке показателя преломления нелинейной среды.

- Предложен метод подавления одной из встречных волн генерации на выходе лазера с низкодобротным кольцевым-резонатором без использования внутрирезонаторных невзаимных элементов и дополнительных внешних возвратных зеркал. Эффект подавления реализуется благодаря обеспечению линейной связи между встречными волнами из-за их взаимного переотражения на рассеивающих элементах внутри резонатора. Реализована дискриминация одной из встречных волн генерации на выходе импульсного С02- лазера с коэффициентом подавления более зо. Использование этого метода позволило обеспечить в схеме ЧВОС однонаправленную генерацию отраженной волны.

- Впервые экспериментально реализована схема ЧВОС с внешним

5

возвратным четырехволновым зеркалом, которое позволило осуществить дополнительное управление как пространственно-временными характеристиками отраженного от ЧВОС-зеркала излучения, так и распределением энергии между встречными волнами генерации в схеме ЧВОС.

- Впервые экспериментально реализована схема узкополосного адаптивного многопроходового усилителя с четырехволновыми ОВФ -зеркалами. При накачке ОВФ-зеркал излучением двух независимых задающих генераторов реализован трехпроходовый С02-усилитель с двумя ЧВ-зеркалами на основе тепловой нелинейности в жидкости (сса^) с полным усилением 2-ю11.

Практическая значимость результатов исследований вытекает из следующего:

- Разработка схем ЧВОС с усилителем в петле обратной связи в принципе решает проблему самообращения волнового фронта не только на длине волны х = ю мкм, но и во всем среднем ИК диапазоне. Результаты экспериментов по отражению как одномодового, так и пространственно-неоднородного излучения С02 -лазера демонстрируют возможность использования схем ЧВОС с усилителем в петле обратной связи для реализации ОВФ.

- Модель, построенная для численного анализа энергетических характеристик схемы ЧВОС, может быть использована для оптимизации параметров импульсных схем ЧВОС с целью достижения предельных энергетических возможностей по приему и отражению сигнального излучения .

- Результаты исследования влияния обратного переотражения на внутрирезонаторных оптических элементах кольцевых лазеров на перераспределение энергии между встречными волнами генерации могут быть использованы для управления распределением энергии во встречных направлениях генерации. В лазерах с низкодобротным кольцевым резонатором линейная связь встречных волн генерации при переотражении волн друг в друга позволяет реализовывать существенное подавление одной из волн. Обеспечение дискриминации одной из волн таким методом возможно и в тех диапазонах длин волн, где использование невзаимных вентильных устройств затруднено.

- Построение схемы многопроходового усилителя, окруженного

6

двумя ЧВ-зеркалами, позволяет получать значительное усиление оптического излучения с корректировкой при каждом отражении от ОВФ -зеркала искажений волнового фронта, вносимых активной средой и оптическим трактом.

- Полученные результаты могут быть использованы при создании мощных источников высоконаправленного излучения среднего ИК диапазона, а также при построении адаптивных лазерных систем с предельными физическими возможностями.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации докладывались на v ,VI Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1986,1990), xiv Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991), Международной конференции "Оптика лазеров" (С.-Петербург, 19?з), International conference in Lasers (Lake Tahoe, 1993), а также на научных семинарах ИПФ РАН и ННГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей в отечественных и зарубежных научных журналах , 1 препринт ИПФ АН СССР, 7 работ в трудах международных и всесоюзных конференций.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы - 196 страниц, рисунков - 39, таблиц - 2, библиография - юг наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность избранной темы, формулируются цели работы и отражается практическая значимость полученных результатов. Кратко излагается содержание диссертации и приводятся основные положения, выносимые на защиту.-

первая глава диссертации посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию условия возбуждения генерации при ЧВОС излучения СО -лазера в поглощающей жидкости (тепловой механизм нелинейности). Исследована зависимость коэффициента отражения ОВФ -зеркала на основе ЧВОС и энергии волны генерации от различных параметров входного сигнального излучения, нелинейной среды и геометрии эксперимента. Выявляются пути оптимизации схемы ЧВОС и

7

проводится сопоставление результатов расчетов с данными эксперимента .

В начале первой главы приводится схема эксперимента и результаты исследований по возбуждению генерации в схеме ЧВОС с усилителем в петле обратной связи при отражении излучения импульсного СО -лазера. В качестве нелинейной среды использовался органический растворитель (сс1применяемый для ОВФ при ЧВ. В реализованной схеме генерация носила пороговый характер и развивалась с задержкой во времени относительно сигнального импульса. Причем одновременно происходила генерация как во встречном, так и в попутном с сигналом направлении. Пороговая энергия входного сигнала, необходимая для запуска генерации, зависела от частоты сигнальной волны, оптической толщины нелинейной среды и геометрии эксперимента.

Схема ОВФ при ЧВОС с усилителем в петле обратной связи представляет собой лазер, управляемый внешним оптическим сигналом. Особенность ЧВОС-генератора состоит в том, что характеристики генерации сложным образом зависят от параметров сигнала , нелинейной среды, усилителя и оптического тракта петли обратной связи. Например, увеличение коэффициента отражения нелинейного зеркала за счет повышения энергии сигнала V сопровождается уменьшением коэффициента усиления усилителя еще до начала генерации из-за выедания инверсии в активной среде сигнальной волной, вследствие чего генерация в схеме может вообще не наступить.

Анализ условий возбуждения генерации в схеме ЧВОС с усилителем в петле обратной связи и расчет энергетических характеристик проводится в первой главе в рамках некоторых простых моделей: имея ввиду условия эксперимента считаем, что голограмма записывается сигнальным достаточно коротким импульсом ( - о,2-мкс) в отсутствии волн генерации; генерация развивается на заданной голограмме с некоторой задержкой во времени ( > 0,2 мкс); усиление в активной среде рассматривается в рамках стационарной двухуровневой модели; уравнения, описывающие взаимодействие волн в нелинейной среде, записываются с учетом ослабления волн в нелинейной среде и взаимного влияния волн дифрагировавшей и подлежащей дифракции .

Исследования условия возбуждения генерации в схеме ЧВОС показали, что существует оптимальная длина ь , которой соответст-

8

вует минимальная пороговая плотность энергии сигнала. Расчеты продемонстрировали, что величина £ ь определяется не только зависимостью дифракционной эффективности от оптической толщины голограммы, но и влиянием эффекта насыщения входным излучением активной среды усилителя, используемого в схеме ЧВОС. Минимальная пороговая энергия сигнала составила - 8 мДж. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными. Также показана возможность понижения порога возбуждения ЧВОС за счет использования в петле обратной связи перед усилителем' по ходу сигнала расширяющих телескопических систем и, при определенных условиях, невзаимного элемента, вносящего потери в сигнальную волну без ослабления излучения генерации. Однако, согласно расчетам, увеличение кратности телескопа приводит к возрастанию нестабильности отраженной энергии при флуктуациях энергии .сигнала и к резкому чередованию областей наличия и отсутствия генерации при вариации энергии сигнального импульса. Отсутствие генерации при некоторых значениях энергии входного сигнала, превышающих порог возбуждения схемы, связано с периодичностью зависимости дифракционной эффективности голограммы от энергии сигнала.

Несомненно одними из ключевых характеристик ЧВОС-зеркала являются коэффициент отражения схемы в целом и энергетика отраженного излучения. В связи с этим актуальны исследования, проведенные далее 4 в первой главе, по оптимизации данных характеристик. Подбор параметров ЧВОС-зеркала (в первую очередь длины нелинейной среды, кратности телескопа и коэффициента пропускания невзаимного ослабителя), как показали расчеты, может привести к достижению максимального значения энергии отраженного излучения примерно в два раза превышающего реализованную в первых экспериментах величину. Использование результатов численного счета позволило повысить энергию генерации в эксперименте в 1,5 раза. Значение энергии отраженной волны и коэффициент отражения составили и - о, б Дж и я - 5.

о

Однако, помимо повышения полной энергии генерации в схеме для оптимизации работы ЧВОС-зеркала важной задачей является достижение по возможности однонаправленной генерации отраженной волны. Существенное перераспределение энергии генерации во встречную к сигналу волну генерации позволило бы не только дополнительно повысить энергию отраженной волны и коэффициент отражения систе-

9

мы, но и исключить влияние попутной с сигналом волны генерации на пространственную структуру отраженного пучка.

вторая глава диссертации посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию возможности реализации подавления попутной с сигналом волны генерации при ЧВОС излучения импульсного СО -лазера.

Как отмечалось выше, возникающая с уровня спонтанных шумов активной среды используемого усилителя генерация при ЧВОС развивается, в общем случае, одновременно в двух направлениях и выводится через нелинейную среду в виде полезной встречной по отношению к сигналу отраженной волны и попутной с ним паразитной волны . Причем, как следовало из результатов экспериментов [8,9], энергия паразитной волны £р оказывалась, зачастую, выше энергии отраженной волны Е.

Традиционные методы получения однонаправленной генерации в кольцевых лазерах основаны на использовании внутрирезонаторных невзаимных устройств.или дополнительных внешних (возвратных) зеркал. К однонаправленной генерации может также приводить взаимодействие встречных волн в активной среде кольцевого лазера, однако в этих условиях выбор направления генерации носит, как правило, случайный характер, что неприемлемо с практической точки зрения. К сожалению в диапазоне излучения СО -лазера использование внутрирезонаторных вентильных устройств затруднено с технической точки зрения.

Известно, что существенное влияние на генерацию в кольцевом лазере может оказывать всегда имеющее место на практике обратное переотражение излучения . на • внутрирезонаторных неоднородностях, являющееся причиной дополнительной связи встречных волн генерации. При этом в наших работах [Ю,и,1б] впервые акцентируется внимание на том, что внутрирезонаторное обратное переотражение при определенных условиях может приводить и к существенной дискриминации по интенсивности излучения в одном из направлений на выходе кольцевого лазера. В первом разделе второй главы теоретически и экспериментально демонстрируется, что даже в тех случаях, когда в лазере с низкодобротным кольцевым резонатором не используются невзаимные элементы и возвратные зеркала, а также отсутствует дискриминация из-за взаимодействия волн в активной среде, внутрирезонаторное обратное переотражение может приводить к зна-

10

чительному подавлению той или иной волны генерации на выходе из резонатора. Эффект реализуется благодаря обеспечению линейной связи между встречными волнами из-за их взаимного переотражения на рассеивающем элементе. В зависимости от расположения этого элемента относительно выходного зеркала и активной среды происходит подавление той или другой волны генерации, причем меньшей интенсивностью обладает волна, которая при распространении по резонатору от усилителя к выходному зеркалу проходит через рассеивающий элемент. Показывается, что в установившемся режиме отношение энергий встречных волн генерации на выходе из резонатора определяется величиной коэффициента отражения выходного зеркала и практически не зависит от коэффициента переотражения этих волн друг в друга на перерассеивающем элементе.

В эксперименте использовался кольцевой импульсный лазер на основе TEA СО -усилителя с коэффициентом усиления по слабому сигналу g -зоо. Выходным зеркалом служил клин из Naci. Внутрирезона-торное обратное рассеяние моделировалось оптическими элементами, обеспечивающими переотражение от з-ю"2 до 1,7-ю"1 (по интенсивности) . В эксперименте достигнуто значение коэффициента дискриминации по энергии выходного излучения в одном из направлений до 1,5-ю"? Показано, что наличие потерь излучения генерации в резонаторе между выходным зеркалом и рассеивающей поверхностью приводит к дополнительному усилению дискриминации. Обсуждаются особенности рассматриваемого механизма дискриминации в импульсном режиме генерации. Исследован случай с двумя рассеивающими элементами, расположенными по обе стороны от усилителя. В проведенных экспериментах при различии коэффициентов переотражения на два порядка наличие второго рассеивателя практически не сказывалось на степень дискриминации одной из волн, при отличии коэффициентов рассеяния менее чем в 5 раз подавления не наблюдалось.

Далее в разделе 2.2 на основе выводов, полученных в предыдущем параграфе, проводится исследование по управлению распределением энергии между встречными волнами генерации в схеме ЧВОС. Для уменьшения трудно, контролируемого переотражения волн генерации друг в друга на оптических элементах в эксперименте использовался вариант схемы ЧВОС на основе зеркальной (отражательной) оптики. Это позволило реализовать режим генерации при ЧВОС излучения С02~ лазера в ccit, при котором энергия отраженной волны была пример-

11

но равна или даже несколько превышала энергию паразитной волны. Для эффективного подавления попутной с сигналом волны генерации за усилителем по ходу сигнала помещался клин из Nací, настройка которого осуществлялась таким образом, чтобы ось ЧВОС-генератора была ортогональна одной из поверхностей клина. Введение переотражения волн генерации друг в друга привело к значительному перераспределению энергии между встречными направлениями и обеспечило эффективное подавление (примерно в зо раз) попутной с сигналом генерации на выходе ЧВОС-генератора. При этом энергия отраженной волны увеличилась в 1,5-2 раза [12,13]. Оценки возможной в данной схеме степени дискриминации одной из волн иллюстрируют адекватность теоретической модели, рассмотренной в предыдущем разделе, условиям эксперимента.

В то же время, расположение рассеивателя за усилителем по-ходу сигнала в схеме ЧВОС приводит к дополнительному снятию запа- -сенной в активной среде энергии сигнальной волной, отраженной от рассеивателя и повторно прошедшей через усилитель еще до начала генерации. В целях устранения обратного отражения сигнала от рассеивающей поверхности и нежелательного дополнительного съема инверсии, рассеивающий клин был заменен составным отражателем, состоящим из ответвляющего клина из ZnSe, возвратного зеркала и помещенной между ними пластины из si, установленной под углом Брюстера. Она служила поляризационной развязкой, ослабляя более 1 чем на два порядка за два прохода сигнальное излучение и не внося' потери в волну генерации. В этой схеме хотя полного подавления и не было ( - 20 раз), но энергия отраженной волны достигала 1 Дж.

В целом экспериментальные результаты; приведенные в этом разделе, согласуются с теоретическими представлениями.

В разделе 2.з исследуется другая возможность управления параметрами выходного излучения ЧВОС-генератора. Среди различных методов дискриминации одной из встречных волн генерации в кольцевых лазерах наиболее простым в реализации в среднем ИК является использование внерезонаторного возвратного зеркала. Однако для сохранения возможности реализации ОВФ при ЧВОС необходимо, чтобы возвратное зеркало не искажало структуру мод ЧВОС-генератора. Для этой цели можно использовать ОВФ-зеркала, обращающие сигнальное излучение, прошедшее по петле обратной связи. В начале раздела проводится анализ (в приближении стационарной генерации плоских

12

волн) ЧВОС-генератора с внешним возвратным зеркалом. Рассматриваются варианты ~ схемы с простым глухим возвратным зеркалом и ОВФ -возвратным зеркалом на основе четырехволнового взаимодействия. Опираясь на результаты расчета осуществляется сопоставление энергетических характеристик обоих вариантов схемы.

Расчет энергетических характеристик схемы ЧВОС с внешним ЧВ -зеркалом показал возможность реализации однонаправленного режима генерации отраженной волны при использовании для накачки ЧВ-зер-кала маломощного по сравнению с усилителем в петле обратной связи внешнего источника. Основываясь на полученных данных была экспериментально реализована схема ЧВОС с внешним ЧВ-зеркалом. В проведенных экспериментах достаточно подробно была исследована динамика развития генерации как во встречном, так и в попутном с сигналом направлении при наличии и отсутствии•накачки ЧВ-зеркала внешним источником. Включение внешнего ЧВ-зеркала, например, позволило ускорить развитие генерации отраженной волны и сделать время развития генерации в этом направлении меньше времени развития генерации в противоположную сторону и одновременно обеспечивало значительное ( -2 раза) увеличение энергии отраженной волны. Регистрация доли энергии отраженного излучения, идущей в телесный угол, соответствующий входному сигнальному пучку, показала, что внешнее ЧВ-зеркало позволяет также увеличить направленность отраженного излучения (в эксперименте эта доля возрастала в 1,5-2 раза).

в третьей главе диссертации экспериментально исследуется возможность реализации само-ОВФ при ЧВОС с усилителем в петле обратной связи как однородного, так и спекл-неоднородного сигнального излучения импульсного СО -лазера.

Хотя схема ЧВОС с усилителем в петле обратной связи была реализована с целью осуществления обращения волнового фронта излучения, однако уже первые экспериментальные исследования, проведенные нэ С02 и неодимовых лазерах, показали, что без принятия дополнительных мер селекции генерация (при одномодовом сигнальном пучке на входе схемы) является пространственно неоднородной и обращения волнового фронта не происходит. Поэтому на первом плане, оказались вопросы, связанные с пространственной структурой излучения генерации.

Согласно теории [1-3], необходимым условием генерации в схе-

13

ме ЧВОС волны Е2, обращенной по отношению к одномодовому сигнальному пучку £:, является формирование неустойчивого резонатора за счет обужения прошедшего по петле сигнального пучка £3 по сравнению с пучком Е, а точность ОВФ должна повышаться с ростом увеличения м = такого резонатора. В первом разделе третьей главы представлены результаты экспериментов, в которых исследовалась структура генерации при ЧВОС в условиях обеспечения различного увеличения М. В эксперименте М составляло о,9; 1,3; 2. Однако выявить устойчивой закономерности влияния увеличения м на качество ОВФ не удалось [9].

'В [4,5] указывалось, что снижение добротности ЧВОС-резонато-ра для необращенных структур поля генерации возможно за счет использования либо помещенной внутри ЧВОС-генератора сильно-неоднородной фазовой пластинки, либо длинной по сравнению с длиной дифракционного расплывания неоднородностей сигнального поля (гк) нелинейной средой (при сильно неоднородной поперечной структуре сигнала). Высокая эффективность первого способа фильтрации была продемонстрирована экспериментально при ЧВОС излучения СО -лазера в нашей работе [9]. Этот способ основан на осуществлении дискриминации несопряженных компонент путем внесения в них дополнительной расходимости, превышающей угол зрения системы, и, как следствие значительных амплитудных потерь, отсутствующих для сопряженной волны генерации. В параграфе з.1 представлены результаты экспериментов, в которых было реализовано само-ОВФ одномодо-вого сигнального пучка С02-лазера при ЧВОС в ссл^с использованием фазовой пластинки внутри петли обратной связи. Исследованы пространственные характеристики отраженного излучения и его спектральный состав. Также приводятся результаты экспериментального исследования зависимости качества ОВФ при ЧВОС в схеме с фазовой пластинкой от длины нелинейной среды ( ь ), которая варьировалась от 0,1 мм (1/гк~ 0,2) до 7 мм (Ь/2к~ 14>* Доля энергии отраженной волны, содержащаяся в пределах угла расходимости исходного гауссова сигнального пучка, с ростом ь несколько возрастала ( с о,5 до 0,75), что согласуется с высказанным в [6,7] предположением о возможности повышения точности ОВФ за счет включения дифракции излучения по мелкому масштабу на длине нелинейной среды.

В 3.2 приведены результаты экспериментальных исследований обращения волнового фронта при ЧВОС излучения СО -лазера после

14

его прохождения через амплитудный проволочный транспарант (отдельная проволока, трехконечная звезда, сетка). Транспарант помещался на входе ЧВОС-зеркала на расстоянии от кюветы с нелинейной средой, превышающем длину дифракционного расплывания по мелкому масштабу [12,13,17]. Далее в разделе 3.2 исследуется возможность реализации схемы ЧВОС с большим углом зрения для приема и отражения с ОВФ сигналов с расходимостью, значительно превышающей дифракционную (9^ [14,20]. В случае С02-лазеров ситуация осложняется тем, что для осуществления генерации при ЧВОС требуется достаточно протяженный усилитель. Необходимое увеличение угла видения системы было достигнуто включением в петлю обратной связи оптической линии с использованием сферической оптики, удерживающей неоднородный сигнальный пучок.по всей длине усилителя в пределах его апертуры. Во избежание изменения геометрии распространения излучения по активной среде при вариации ру--:::одимости входного сигнального пучка фазовая пластинка внутри петли обратной связи располагалась не после (как это было в предыдущих экспериментах), а до усилителя по ходу сигнального пучка. В данной серии экспериментов была реализована генерация для сигналов с расходимостью от 8 до - 20-е<1 (расходимость сигнала варьировалась при помощи фазовых пластинок, располагавшихся на пути сигнала перед ЧВОС-зеркалом). Существенное поглощение в сел не позволило использовать нелинейную среду с толщиной (I. > 0,5 см), заметно превышающей длину расплывания характерной неоднородности сигнального поля (г - о,з см). Таким образом не в полной мере реализовалась возможность дискриминации шума за счет селекции в протяженной нелинейной среде, имеющей место при I » гк. Тем не менее калориметрические измерения и фоторегистрация продемонстрировали наличие ярко выраженного керна, соответствующего обращенной волне, на фоне шумов. Доля энергии отраженного излучения, содержащаяся в керне, составила 35-40% при одномодовом и 15-20% при спекл -неоднородном сигнале. В заключении раздела обсуждаются возможности повышения достигнутого качества ОВФ.

четвертая глава диссертации посвящена исследованию одного из вариантов использования разработок ЧВ- и ЧВОС- зеркал для создания высокочувствительной узкополосной адаптивной лазерной системы, осуществляющей операцию ОВФ слабого сигнального излучения в сочетании со значительным усилением и требуемым управлением пара-

15

метрами обращенной волны (например, поворот на заданный угол, задержка во времени, изменение длительности импульса, частоты и поляризации излучения). Например, данная схема может обеспечивать самонаведение излучения на объект за счет ОВФ отраженного от объекта излучения подсвета [12,13,17].

Принцип построения адаптивной лазерной системы может быть основан на использовании двухпроходового усилителя с ОВФ-зерка-лом. Для достижения высокой энергии обращенной волны, обеспечивающей эффективный энергосъем в активной среде основного усилителя, в качестве ОВФ-зеркала возможно использование самонакачиваемого ЧВОС-зеркала. Однако, поскольку данные устройства обладают пороговым характером возбуждения генерации обращенной волны , для осуществления приема слабых сигналов необходимо произвести предварительное усиление до уровня срабатывания ЧВОС-генератора поступающего на вход системы излучения без искажения его пространственной структуры.

В начале четвертой главы проводятся оценки необходимой плотности энергии импульса подсвета объекта для обеспечения уверенного приема и срабатывания адаптивной лазерной системы на основе СО -лазеров.

Вследствие значительной сложности предложенного варианта схемы высокочувствительной адаптивной лазерной системы на первом этапе выполнения работ целесообразно было провести ее последовательную поэлементную проработку.

В параграфе 4.1 приводятся результаты экспериментальной отработки трехпроходовой схемы предварительного усиления с двумя беспороговыми ЧВ-зеркалами. В условиях накачки ОВФ-зеркал двумя независимыми задающими генераторами на макете тракта предварительного усиления с двумя ЧВ-зеркалами на тепловой нелинейности в СС1при усилении по слабому сигналу за один проход -ю5 реализован режим работы схемы с полным усилением 2-ю11; проанализированы возможности увеличения полного-усиления до 1,5-ю13[21]. Минимальный уровень, энергии входного сигнала в эксперименте составил около 4-ю-14 Дж. Этой величине соответствует минимальная энергия сигнала, поступающего на ОВФ-зеркало после первого прохода по усилителю а 5-ю-11 Дж.

Реализация высокой чувствительности ОВФ-зеркала и столь значительного усиления в отсутствие самовозбуждения оказывается воз-

16

можной благодаря сочетанию целого ряда свойств: узкополосный характер отражения; эффективная развязка циклов усиления за счет изменения частоты, состояния поляризации и временной задержки импульса излучения при отражении.

Кроме того, наряду с возможностью работы в составе адаптивной лазерной системы схема предварительного усиления представляет самостоятельный интерес, поскольку сама по себе может быть использована для значительного усиления без существенных искажений слабых оптических сигналов с целью последующей регистрации. В разделе 4.1 также экспериментально демонстрируется возможность осуществления в реализованной лазерной системе двухпроходового и четырехпроходового режимов усиления.

В разделе 4.2 приведены результаты эксперимента по реализации высокоэнергетического ЧВОС-зеркала, проблема создания которого вытекает из необходимости построения мощных высокоэффективных лазерных систем по схеме двухпроходового усилителя с ОВФ-зерка-лом. Деятельность в этом направлении развивается, главным образом, по пути масштабирования ЧВОС-зеркал за счет увеличения объема используемого в петле обратной связи усилителя.

В выполненном нами эксперименте для возбуждения генерации в схеме ЧВОС использовался С02-усилитель с полезным объемом активной среды около 8 литров и полным усилением по слабому сигналу на линии юк(20) около ю3. Энергия отраженной волны в проведенных экспериментах составила около б Дж, минимальная пороговая энергия сигнальной волны около бо мДж, максимальный коэффициент отражения более зо.

В заключение параграфа приводятся результаты экспериментов, выполненных нами совместно с НПО "Астрофизика", по реализации высокоэнергетического самонакачиваемого ЧВОС-зеркала на тепловой нелинейности в жидкости для излучения С02- лазера, а также

по построению силового контура адаптивной С02- лазерной системы по схеме двухпроходового усилителя с ЧВОС-зеркалом [19].

Достигнутые значения энергии отраженной волны и коэффициента отражения по энергии ЧВОС-зеркала составили - 12,8 Дж и з,7 соответственно. Реализован импульсный режим работы силового контура с энергией выходного излучения до 1,5 кДж при длительности импульса около 20 мкс. Рекордное для данного эксперимента значение расходимости излучения составило - 2,5-10-4рад при размере выходной

17

апертуры - 200 мм.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1.Впервые продемонстрирована возможность реализации самообращения волнового фронта спекл-неоднородного излучения при ЧВОС излучения импульсного СОг-лазера с использованием тепловой нелинейности в жидкости (ее! ). Экспериментально исследована зависимость качества обращения волнового фронта (ОВФ) от параметров схемы ЧВОС и определены пути его улучшения.

2. Исследованы временная и пространственная структура излучения генерации при ЧВОС, а"также теоретически и экспериментально исследованы энергетические характеристики схемы с целью их оптимизации. Показано, что существует оптимальная оптическая толщина нелинейной среды, которой соответствует минимальная (для данных условий возбуждения генерации) энергия сигнального импульса, необходимая для возбуждения генерации в схеме ЧВОС. Минимальная пороговая энергия сигнальной волны, необходимая для возбуждения генерации, составила - 8 мДж. Установлено, что за счет использования в схеме дополнительного ослабления сигнальной волны на входе усилителя возможно значительное увеличение энергии отраженного импульса. В проведенных экспериментах за счет выбора оптимального ослабления сигнала внутри петли обратной связи энергия генерации в схеме ЧВОС была увеличена в 1.5 раза и составила - о,6 Дж.

3. Теоретически исследованы возможности подавления попутной с сигналом паразитной волны генерации при ЧВОС за счет использования внешнего возвратного зеркала. Проанализированы энергетические характеристики генерации обращенной волны при использовании как обыкновенного возвратного зеркала, так и четырехволнового ОВФ -зеркала. Экспериментально реализована схема ЧВОС с внешним четы-рехволновым ОВФ-зёркалом. Использование внешнего четырехволнового зеркала позволило повысить быстродействие схемы и увеличить энергию отраженного импульса за счет перераспределения энергии между встречными волнами генерации.

4. Предложен метод подавления одной из встречных волн генерации в кольцевом лазере с низкодобротным резонатором без использования внутрирезонаторных невзаимных элементов и внешних возвратных зеркал. Эффект подавления реализуется за счет линейной связи между встречными волнами из-за их взаимного переотражения на рассеивающих элементах внутри резонатора. Проведено теорети-

ческое и экспериментальное исследование степени подавления одной из встречных волн генерации в зависимости от коэффициентов отражения выходного зеркала и рассеивающих элементов, а также от их взаимного расположения относительно активной среды кольцевого лазера. Реализована дискриминация одной из встречных волн генерации на выходе импульсного' С02-лазера с коэффициентом подавления более зо. Использование этого метода позволило обеспечить в схеме ЧВОС однонаправленную генерацию отраженной волны с энергией 1,1 Дж.

5. Реализована схема узкополосного адаптивного многопроходо-вого усилителя с четырехволновыми ОВФ -зеркалами. При накачке ОВФ -зеркал излучением двух независимых задающих генераторов реализован трехпроходовый СО -усилитель с двумя ЧВ-зеркалами на основе тепловой нелинейности в жидкости (cci^) с полным усилением - 2-10'1.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Бельдюгин И.М., Галушкин М.Г., Золотарев М.В., Каменец Ф.Ф. Фазовое сопряжение в кольцевом резонаторе с четырехволновым зеркалом. // Изв.АН СССР, сер.физ.- 1987.- T.5i,-N.2.~ С. 35в

- 361.

2. Бетин A.A., Русов Н.Ю. О формировании обращенной волны в схеме*четырехволнового взаимодействия с обратной связью. // Изв.ВУЗов, Радиофизика." 1987.- Т.ЗО, N.5.- С. 676-678.

3. Бельдюгин И.М., Денисов A.A., Золотарев М.В., Куликов О.Л., Пилипецкий Н.Ф. Кольцевые лазеры с зеркалами на четырехволно-вом взаимодействии: Препринт ИПМ АН СССР.- 1988.- N.334.-бзс.

4. Бельдюгин И.М., Галушкин М.Г.,Земсков Е.М. Обращение волнового фронта светового излучения с использованием обратной связи при четырехволновом взаимодействии. // Квантовая электроника.

- 1984.- N. 5.- С. 887 - 893.

5. Бетин A.A., Русов Н.Ю. Структура мод генерации при четырехволновом взаимодействии с обратной связью. // Квантовая электроника.- 1988.- Т.15, N.5.- С. 1021 - 1031.

6. Бетин A.A., Жуков Е.А., Митропольский О.В., Русов Н.Ю. Обращение и самообращение волнового фронта излучения СО -лазера' на основе ЧВ в поглощающих жидкостях. // Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах: Сб.на-

1.9

учн.тр. / ИФ АН БССР.- Минск, 1987.- С. 5 - 21.

7. Антипов О.Л., Беспалов В.И., Пасманик Г.А. Об условиях формирования обращенной волны при попутном BP пересекающихся лазерных пучков. // Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах: Труды Всес.Конф. / ИФ АН БССР.-Минск, 1987.- С. 23 0 - 235.

8. Горячкин Д.А., Калинин В.П., Козловская И.М., Шерстобитов В.Е. Экспериментальное исследование самообращения излучения С0г . -лазеров. // Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах: Тр. Всесоюз. конф. / ИФ АН БССР.- Минск,

1990.- С. 131 - 138.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

9. Бетин A.A., Ергаков К.В., Митропольский О.В. Исследование самообращения волнового фронта излучения СО -лазера при четы-рехволновом взаимодействии. // Письма в ЖТФ.- 1988.- Т.14, ВЫП.22.- С. 2028 - 2032.

ю. Бетин А.А, Ергаков К.В., Митропольский О.В. О возможности однонаправленной генерации в кольцевом лазере без невзаимных элементов: Препринт ИПФ АН СССР.- Горький, 1990.- N.225.-17с.

11. Betin A.A., Ergakov K.V., Mitropol'sky O.V. The posibility of unidirectional generation in a ring lasers without nonreciprocal elements. // Optics Communie.- 1991.- V.86, N.6.- P. 491 - 496.

12. Беспалов В.И., Бетин A.A., Ергаков К.В., Жуков Е.А., Митропольский О.В., Осипов Д.В., Тургенев С.Г. Исследование самообращения волнового фронта излучения среднего ИК-диапазона в процессах четырехволнового взаимодействия и вынужденного рассеяния. // Известия Академии Наук,, сер.физическая.- 1992.Т. 56, N".12.- С. 29 - 42.

13. Bespalov V.l., Betin A.A., Ergakov K.V., Zhukov E.A., Mitropol'sky O.V., Osipov D.V., Turgenev S.G. Self-phaseconjuga-tion of middle infrared radiation by four-wave mixing and stimulated scattering. // Nonlinear Optical Processes in Solids: Proc.of SPIE, ICONO'91.- 1992. - V.1841.- P.124 -134.

14. Бетин А.А, Ергаков K.B., Митропольскйй О.В. Отражение спекл-неоднородного излучения С02~лазера при четырехволновом

20

взаимодействии с обратной связью. //_Квантовая электроника.-1Э94.— N. 1.- С. 1-4.

15. Бетин А.А., Ергаков К.В., Митропольский О.В., Русов Н.Ю. Четырехволновое взаимодействие с обратной связью излучения СО -лазера. // Тезисы докладов v Всесоюзной конференции'

"Оптика лазеров". / ГОИ.- Ленинград, 1986.- С. 343.

«

16. Бетин А.А, Ергаков К.В., Митропольский О.В. О возможности перераспределения энергии между встречными волнами генерации в кольцевом лазере без невзаимных элементов. // Тез. докл. V' Всес.конф. "Оптика лазеров". / ГОИ.- Ленинград, 1990.- С.¿л

17. Беспалов В.И., Бетин А.А, Ергаков К.В., Жуков Е.А., Митропольский О.В., Осипов Д.В., Тургенев С.Г. Само-ОВФ излучения среднего ИК диапазона в процессах BP и ЧВВ. // Тр. x~v Межд.конф. по Когерентной и Нелинейной Оптике.- Ленинград, 1991.- Т.1.- С. 4 - 5.

18. Betin A.A., Ergakov K.V., Mitropol'sky O.V. The posibility n" energy redistribution between the counterpropagating waves in ring lasers without nonreciprocal elements. - Abstracts of International conf. in Lasers, San-Diego(USA),1991, p. 9.

19. Babajev I.K., Betin A.A., Bulaev V.D., Cheburkin N.V. Ergakov K.V., Mitropol'sky O.V., Seregin A.M. High Power Amplifier With . FWR Hirror. // Abstracts of International conf. in Lasers.-*Lake Tahoe,USA, 1993. - P. 257.

20. Бетин A.A, Ергаков К.В., Митропольский О.В. Исследование ОВФ спекл-неоднородного излучения СО -лазера при четырехволновом взаимодействии с обратной связью. // Тез. докл. Межд. конф. "Оптика лазеров".- С.-Петербург, 1993.- С.358.

21. Бетин А.А, Ергаков К.В., Митропольский О.В., Осипов Д.В. Многопроходовый СО -усилитель с четырехволновыми ОВФ-зеркала-^ ми. II Тез. докл. Межд. конф. "Оптика лазеров".- С.-Петербург, 1993.- С. 359.