Керровская синхронизация мод твердотельного лазера на YAG: Cr4+ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ



МОСКОВСКИМ ФИЗИКО - ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

о

Со

На правах рукописи

г

БРОСЛАВЕЦ ЮРИЙ ЮРЬЕВИЧ

УДК 621.373.826

КЕРРОВСКАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ МОД ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА НА УАС.Сг4*

01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте на кафедре квантовой электроники.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор А.А.Фомичев.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор Н.В.Кравцов, кандидат физико-математических наук С.Ф.Богданов.

Ведущая организация:

Институт общей физики РАН, г. Москва.

Защита состоится 1997 года в Щ часов мин. на заседании

диссертационного совета Д.063.91.03 в Московском физико-техническом институте по адресу: г.Долгопрудный, Московской области, Институтский пер. 9, МФТИ, аудитория 204 Нового корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Лазерные системы сверхкоротких световых импульсов фемтосекундной длительности получают все более широкое распространение в современной физике и технологии. Использование таких лазеров раздвигает диапазон исследований в нелинейной физике и физике сверхсильных световых полей, спектроскопии быстропротекающих процессов, в области передачи и обработки информации [1]. Последние работы в области генерации сверхкоротких импульсов [2] выдвинули на первый план нелинейные явления, играющие решающую роль в формировании импульсов. В первую очередь это эффект Керра, обладающий характерными временами релаксации в области десятков фемтосекунд. Таким образом, стало возможным построение лазерных систем с самовоздействием импульсов на основе керровской линзы, сдвига частоты в процессе самомодуляции или нелинейного изменения поляризации. И в результате, получение необходимой конфигурации поля, как в пространстве, так и во времени при формирования импульсов в системе с подобранной величиной внутрирезонаторной дисперсии.

В лазерах с синхронизацией мод на основе эффекта Керра, в отличие от систем на световолокне, самовоздействие импульсов, будь то самомодуляция или изменение поперечной структуры поля на керровской линзе, пространственно отделено от дисперсионных элементов, способствующих формированию устойчивой структуры. Это позволяет, выборочно изменяя тот или иной параметр, воздействовать на условия формирования излучения и тем самым получать необходимую структуру излучения. В наиболее полной мере преимущества лазеров на основе керровской синхронизации мод (КСМ) проявляются при использовании в качестве активного элемента твердотельных сред с широкой полосой усиления, таких, как А^Оз.ТР"1", УАО:Сг4+ и других. Характерными особенностями таких лазеров являются в первую очередь сверхкороткие импульсы, длительность которых может быть сравнима с

несколькими периодами колебаний поля; большая величина энергии в импульсе выходного излучения; перестраиваемая длина волны; малое количество внутрирезонаторных элементов; высокая стабильность параметров получаемых импульсов при оптимальной настройке системы и выборе активного элемента; простота конструкции, позволяющая получать ультракороткие импульсы высокой интенсивности непосредственно из резонатора лазера.

Использование лазеров на основе керровской синхронизации мод позволяет достигать высоких интенсивностей электромагнитного поля и, таким образом, открывает большие возможности экспериментальных исследований различных нелинейных эффектов, проявляющихся в полях высокой интенсивности. Нелинейные эффекты в лазерных системах с сверхкороткими импульсами большой интенсивности, порождают класс интересных явлений, связанных с самоорганизующимися структурами различной сложности и динамикой их образования. Основной особенностью подобных структур в лазерных системах являются их очень малые характерные времена и то, что структурным элементом системы является конфигурация электромагнитного поля как в пространстве, так и во времени. Разработка таких лазеров сталкивается с проблемами, характерными для современной нелинейной стохастической динамики. Таким образом, изучение структур, а также динамики их формирования и условий, при которых они образуются, представляет несомненный интерес, особенно в связи с последними достижениями в области генерации сверхкоротких импульсов излучения с длительностями, соответствующими цугу в несколько длин волн.

Среди задач, наиболее актуальных на сегодняшний день в области нелинейного механизма формирования импульсов в лазерах с КСМ, можно назвать следующие: а) - выяснение конкретного механизма, ответственного за КСМ в данной лазерной системе; б) - нахождение областей устойчивой синхронизации мод; с) - формирование резонатора лазера с пространственными и временными параметрами, позволяющими получать требуемую структуру поля

импульсов при синхронизации мод; д) - стохастическая динамика формирования

структуры излучения.

Хотя существует^ большое число_ работ, проясняющих механизм КСМ, отдельные детали и особенности, присущие активному элементу YAG: Cr4"1" (сильная тепловая линза, деполяризация излучения), используемому в лазерной системе, до появления настоящей работы изучены не были. Кроме того, существует ряд вопросов, связанных со стохастическим поведением системы, которые мало изучены, но, тем не менее, являются критичными для устойчивой синхронизации мод в лазере.

Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое изучение синхронизации мод в широкополосном твердотельном лазере на YAGiCr4"1" с керровской нелинейностью. В работе решается следующий ряд задач:

• построение минимально-достаточной математической системы уравнений, описывающей керровскую синхронизацию мод и учитывающей взаимовлияние пространственных и временных характеристик излучения;

• определение в численном моделировании выходных параметров излучения для областей заданных величин пространственных и временных параметров экспериментальной системы, при которых устанавливается устойчивая керровская синхронизация мод;

• построение методики расчета Z - образного резонатора, оптимизированного для режима керровской синхронизации мод;

• экспериментальное измерение и определение оптимальных параметров (величина тепловой и керровской линзы, спектральный диапазон пропускания, дисперсия элементов и др.) лазерной системы с активной средой YAG^r4"1" : призменного компрессора, зеркал, диафрагмы и других элементов; исследование режимов синхронизации мод с акустооптическим модулятором, при синхронной накачке, при синхронизации мод, в основе

которой лежит формирование керровской линзы; при синхронизации мод, на основе керровской самомодуляции и сдвига частоты; определение областей устойчивости, сравнение полученных результатов с теоретической моделью.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

• построена система уравнений, описывающая керровскую синхронизацию мод в лазере; при изучении временного поведения импульсов применен метод, аналогичный методу лучевых матриц, применяемому для описания пространственного преобразования эрмит-гауссовых пучков;

• создан пакет программ, позволяющий численными методами определять параметры излучения при использовании данных экспериментальной лазерной системы с керровской синхронизацией мод;

• изучено влияние выходных флуктуаций направления излучения лазера накачки на стабильность синхронизации мод; обнаружено существенное влияние флуктуаций сильной термической линзы, формируемой лучом накачки, на стабильность генерации лазера; измерена динамическая оптическая сила наведенной линзы; обнаружен режим генерации прямоугольных импульсов с частотой до « 1000 Гц, обусловленный тепловыми процессами;

• сформулированы критерии выбора оптимальной конфигурации и параметров г- образного резонатора с компенсацией астигматизма для получения керровской синхронизации мод с учетом особенностей активного элемента УАС^г4"1", в частности, сильных тепловых явлений;

• получен режим самосинхронизации мод на основе керровского эффекта, в том числе в виде цугов импульсов; предложен метод для последовательной настройки системы на минимум длительности импульсов путем измерения внугрирезонаторной дисперсии при синхронизации мод с акустооптическим модулятором, и последующим уточнением настройки с использованием режима синхронизации при синхронной накачке.

Практическая ценность работы:

• создан экспериментальный образец перестраиваемого в диапазоне 1.35-8-1.55 мкм лазера на основе активной среды УАО^г4"1", работающего в режимах: керровской синхронизации мод (длина волны « 1.5 мкм), синхронизации мод при синхронной накачке, синхронизации мод с акустооптическим синхронизатором, формирования прямоугольных импульсов, обусловленных тепловой линзой;

• предложена оптимальная конфигурация резонатора, обеспечивающая получение керровской синхронизации мод при наличии сильной тепловой линзы в активной среде; показано, что существует оптимальное положение керровской линзы, обеспечивающее максимальный модулирующий эффект: апертуру следует располагать в плече резонатора, в направлении которого смещена керровская линза.

• разработана высокостабильная система накачки для УАО:Сг4+ на основе УАО:Ыс1 лазера с параметрами: выходная мощность до 10 Вт в ТЕМоо моде, нестабильность мощности < 0.7%, нестабильность по углу < 0.03 мрад;

• разработан пакет программ, позволяющий, используя параметры стандартных элементов лазерной системы (зеркал, участков пространства, дисперсионных элементов, диафрагм и других элементов), составлять требуемую модель лазерной системы и наблюдать эволюцию запущенного в нее импульса в координатах: поперечный размер пучка - кривизна фронта, длительность импульса - величина "чирпа", энергия - число проходов системы; предусмотрена возможность оперативного изменения параметров элементов или их исключение.

На защиту выносятся следующие положения : 1. Оптимальной конфигурацией лазерной системы на УАО^г4"1" для получения керровской синхронизации мод следует считать схему на основе керровского

сдвига частоты, позволяющую уменьшить влияние сильной тепловой линзы на стабильность синхронизации мод.

2. Существует верхняя граница величины нелинейного взаимодействия, определяющая устойчивую керровскую синхронизацию мод, значение которой лежит ниже порога самофокусировки. На основе численного моделирования показано, что лазер с керровской линзой может иметь области параметров, при которых проявляется бистабильность - существование нескольких областей параметров излучения, в каждой из которых система может находиться сколь угодно долго.

3. Стабильная синхронизация мод получается в узком диапазоне изменений величин параметров системы, которые должны иметь еще и долговременную стабильность. Экспериментально обнаружена синхронизация мод с хаотически, а при определенной настройке, и с периодически повторяющимися параметрами импульсов; при изменении параметров системы (дисперсия, длина плеч резонатора) в соответствии с теоретическими оценками устанавливается керровская синхронизация мод.

4. Экспериментально впервые обнаруженный специфичный для данной активной среды режим работы лазера: режим генерации прямоугольных импульсов с частотой « 1кГц в виде меандра - обусловлен изменением сильной тепловой линзы, способной переводить резонатор из устойчивой зоны в неустойчивую и обратно, тем самым формируя "быстрое" выключение и включение генерации.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международных конференциях: "Laser Methods of Surface Treatment and Modification" (ALT'94, Konstanz, Germany), Opto'94 (Paris, France, 1994), "Advanced Materials for Optics and Optoelectronics" (ALT'95, Prague, Czech Republic, 1995), Opto'95 (Paris, France, 1995), IX Международной конференции "Ultrafast Processes in Spectroscopy" (UPS'95, Trieste, Italy, 1995), Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (ICONO'95, Petersburg,

Russia, 1995), "Laser Methods for Biological and Environmental Applications" (ALT'96, Heraklion, Crete, Greece, 1996), II Международной конференции "Перестраиваемые твердотельные лазеры" (TSSL'96, Вроцлав, Польша, 1996), конференциях МФТИ, семинарах Лазерного центра и кафедры квантовой электроники МФТИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 133 названий. Работа содержит 135 страниц, 55 рисунков и список литературы.

Содержание диссертации

Во введении обсуждается актуальность темы, цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, практическая значимость диссертации, а также коротко изложены содержание и структура диссертации.

В первой главе представлен обзор литературы, посвященной теоретическим и экспериментальным исследованиям широкополосных лазеров, работающих, в том числе, и в режиме керровской синхронизации мод. Излагаются основные принципы работы лазера в режиме КСМ. Рассмотрены различные методы получения КСМ.

Во второй главе проведено численное моделирование формирования

импульсов при керровской синхронизации мод для лазера с параметрами, соответствующими экспериментальной системе.

Для выяснения механизма формирования импульсов в лазере с активной средой YAGiCr4"1" и получения параметров системы для экспериментальной установки рассмотрена и численно промоделирована теоретическая модель лазерной системы с параметрами, соответствующими экспериментальной

системе, описывающая процесс трансформации импульсов при их последовательном прохождении лазерных элементов. В основу этой модели положено описание импульса в пятимерных координатах в гауссовом приближении. Для учета влияния линзы в активной среде на режим работы лазера проанализирован г-образный резонатор с линзой, образующейся в активном элементе. Пятимерная модель, описывающая импульс, строилась на основе представления импульса во временных координатах в виде:

1 .

— + их. t.

t2),

E(t,z) = ^-A(t,z)exp(i[fflt-k0z]) + k.c., A(t,z) = A.exp(-^-

где A0- амплитуда, т0- длительность, aQ- 'чирп' импульса, и в пространственных координатах в виде:

UM(x,y) = A0exPi-i^[x2+y2]), ± = l-i_^f V. 2q 1 'J q R така

где R - радиус кривизны фронта, о - перетяжка излучения, п - показатель преломления; х, у - поперечные координаты. Таким образом, получено описание импульса, проходящего через элементы лазера в координатах: А0> т0) а0> R, ю.

В построенной модели рассмотрена лазерная система, состоящая из ряда элементов, для каждого из которых получены соотношения, связывающие "координаты" на входе и на выходе, а также между различными элементами. Для более детального исследования процессов формирования импульсов проведено численное моделирование на основе построенной модели.

На приведенных фазовых портретах рис.1. показаны сечения по временной, пространственной и энергетической плоскостям пятимерного пространства трансформации импульсов в лазерной системе с учетом взаимовлияния пространственных и временных параметров системы через взаимодействие на керровском элементе. Фазовые портреты приведены в виде сечений фазовой траектории в координатах: ("перетяжка")'2 и ("кривизна фронта")*1; "чирп" и ("длительность импульса")'2; "энергия" и число обходов системы.

Рис.1.

На основе численного моделирования получены различные виды областей устойчивости и условия сходимости к ним. Обнаружена бистабильность в формировании областей рис.1. Для расчетов в рамках предложенной системы создан пакет программ, позволяющий на основе стандартных элементов (зеркал, участков пространств, дисперсионных элементов, диафрагм и др.) составить требуемую модель лазерной системы и проследить эволюцию запущенного в нее импульса в координатах: поперечный размер пучка и кривизна фронта, длительность импульса и величина 'чирпа', энергия и число обходов системы. Предусмотрена возможность оперативного изменения параметров элементов или их исключение.

В третьей главе проведено исследование устойчивости лазерной системы при керровской синхронизации мод перестраиваемого лазера, учитывающие нелинейное взаимодействие пространственных и временных параметров излучения.

Результаты, полученные при моделировании реальной лазерной системы, хотя и позволяют в численном виде получить наиболее оптимальные параметры системы и определить по фазовым портретам зоны устойчивости, тем не менее не дают полного понимания процессов формирования импульсов, причин перехода системы в хаотический режим. Поэтому проанализирована упрощенная модель лазерной системы с керровской линзой и резонатором, образованным двумя зеркалами.

В описании системы выделялась часть, обеспечивающая керровскую синхронизацию мод: активный элемент, в котором и происходит формирование керровской линзы, диафрагмирование пучка, керровская самомодуляция, частотная фильтрация. Влияние всех остальных элементов описывалось (АВСО) - пространственной матрицей, построенной на основе теории описания гауссовых пучков и (А(В1С101) - временной матрицей, описывающей дисперсионную среду и другие элементы, обеспечивающие пространственное и временное формирование импульсов [3]. Указанные элементы обеспечивают

необходимые условия для керровской синхронизации мод. Для упрощения вычислений предполагалось, что все элементы, а также структура импульсов как в пространстве, так и во времени - гауссовые. Таким образом, трансформацию

импульсов можно определить основываясь на преобразованиях комплексных параметров системы:

И =

1_1 а ~ Я'

X

710) *

1 2 2 у = — = -а + 1—2 ц, с ст

= х-1у = X, + ¡у,

1

х = — ; у = — Я ли

й2

2 2

где ц , у- пространственный и временной комплексные параметры. Таким образом, объединив выражения для трансформации пространственного, временного комплексных параметров и энергии импульса за обход резонатора и задав импульс с необходимыми начальными параметрами, получаем систему рекуррентных уравнений, позволяющую проследить эволюцию импульса за определенное число обходов резонатора:

Е =Еа,..<——¡-ехр '.У + Р]

„ С + Ац' .

Ц =-г - ф - 5

А + Вц' р " „ С.+А.у'

а. [ У + Р ехр< а.

'♦г [у + 2р] , , Е'(У + Р) РЕ,

А, + В,у'

где

1епз

|е'[у^]+Е "[(У+Р)2,/^]! т„ =аЛ1ф|Е'[>у,^] + Е"[(у + р)(у, +р,)л/у.+Р1]}

В полученном описании: Е', Е"- энергия импульсов до, и после прохождения системы, 8п и Тп - малые нелинейные добавки являющиеся следствием образования керровской линзы и частотной модуляции импульса , ие > «камеп* > «Лф " постоянные коэффициенты, включающие в себя физические параметры среды.

Полученная система рекуррентных уравнений была численно и аналитически проанализирована. Численное моделирование выявило согласование результатов с полученными при моделировании системы с реальными параметрами. Аналитический анализ системы показал, что основной механизм перехода системы в стохастическое состояние связан с возрастанием нелинейного взаимодействия временных и пространственных параметров излучения при увеличении пиковой интенсивности импульсов. Определено, что вид нестационарного поведения системы определяется отношением аргументов коэффициентов сходимости системы в стационарном режиме. При слабом нелинейном взаимодействии фазовая траектория рассматриваемой системы представляет собой закручивающуюся к стационарной точке спираль как во временных, так и в пространственных координатах, причем скорость закручивания является характерным временем установления КСМ. Взаимодействие пространственных и временных параметров излучения через систему "керровская линза" + "диафрагма" приводит к возмущениям траектории фазовой кривой.

Сильное увеличение взаимодействия приводит систему к нестабильности и появлению периодического или хаотического поведения, когда длительность импульсов, энергия, размер перетяжки случайным образом изменяется от импульса к импульсу. Устойчивость стационарных точек системы определяется их положением относительно определенной в работе окружности, являющейся границей зоны устойчивости. Определено, что при слабом взаимодействии существует две стационарных точки, одна из которых устойчивая, а вторая - нет. Иными словами, если начальная точка не совпадает с неустойчивой стационарной точкой, то последовательность итераций сходится к устойчивой стационарной точке. Система в окрестности стационарных точек имеет два вида фазовых кривых. В одном случае стационарные точки располагаются вблизи мнимой оси комплексной плоскости фазового портрета, то есть имеют большее значение длительности импульса и размера перетяжки. В другом - стационарные

точки располагаются вблизи действительной оси и имеют большие величины 'чирпа' и кривизны фазового фронта, но малые размеры перетяжки и

длительности импульса. При отсутствии ограничивающих апертур как по_____________

частоте, так и в пространстве, то есть при отсутствии диссипации энергии, проекции фазовой траектории будут представлять собой набор точек, расположенных на окружности.

Область допустимых для рассматриваемой системы величин нелинейного взаимодействия ограничена порогом мощности самофокусировки излучения. Для работы механизма, обеспечивающего КСМ, можно использовать наряду с системой "керровская линза" и "диафрагма" систему "керровская самомодуляция" и "диафрагма", расположенная за призмой и имеющая увеличивающееся от центра к краям пропускание, либо систему "керровская самомодуляция" и "односторонняя диафрагма", работающая на основе отклонения частотно-модулированного пучка при прохождении призмы и, при определенным образом установленной диафрагме, модуляции потерь.

Полученные выводы об устойчивости стационарных точек можно применить к анализу и более сложных лазерных систем, используя замену оптической схемы на эквивалентную с меньшим числом элементов.

В четвертой главе проведено исследование и оптимизация оптической схемы в области устойчивости ъ - образного резонатора для получения керровской синхронизации мод.

В лазерах, работающих в режиме керровской синхронизации мод, требуется сильная фокусировка излучения в среду, где происходит самовоздействие, а также хорошая стабильность излучения. Одним из наиболее оптимальных для этих целей является ъ - образный четырехзеркальный резонатор, обеспечивающий фокусировку излучения в активной среде для создания достаточной интенсивности излучения, при которой начинает заметно работать эффект Керра, и позволяющий скорректировать астигматические искажения пучка, вносимые кристаллом активной среды, ориентированным для

работы под углом Брюстера. Выбор параметров резонатора, обеспечивающих формирование оптимального пучка и определение области стабильности параметров пучка, в которой будет работать керровская синхронизация мод, требует рассмотрения зон устойчивости резонатора, а также величин изменения размеров перетяжек при формировании керровской линзы в среде. Используя матричный подход, проведены расчеты и оптимизация резонатора с учетом сильной тепловой линзы и деполяризации излучения.

W/ х 10" (m) Wo* (Ао,) (W„- waist of laser)

2.5 2 1.5 1

0.5 0

-0.5 -1

to,/

• /f,

\) ;

я ;

•

v

• * i ift

Aoi - length (with A,„=Aoi) (m)

Aoi

Рис.2.

На рис.2, показаны зоны устойчивости резонатора (у/04 > 0) для двух величин оптической силы линзы в резонаторе (Го1=10гп; ^2=0.02т). 2. - образный резонатор позволяет получить перетяжку излучения заданного размера в активной среде, одновременно являющейся и керровским элементом, в котором формируется линза и происходит самомодуляция излучения. Длинные концевые плечи резонатора обеспечивают хорошо коллимированный пучок, в котором расположены элементы дисперсионной линии и перестройки длины волны лазера. Для получения максимальной модуляции размера перетяжки керровской линзой рабочая точка выбирается на границе зоны устойчивости, для несимметричного резонатора - на границе, ближайшей к провалу между

областями устойчивости. Существует наиболее оптимальное положение для

расстояния между керровской линзой, фактически активной средой и перетяжкой излучения при отсутствии возмущений, обусловленных керровской линзой, в котором эффективность воздействия на величину перетяжки максимальна. Для получения избирательного прохождения более интенсивных импульсов взаимное расположение керровской линзы и диафрагмы должно быть вполне определенным: керровская линза и диафрагма должны располагаться в одном плече резонатора, если резонатор представить разделенным на два плеча положением перетяжки при отсутствии керровской линзы. Диафрагма может располагаться вблизи концевого зеркала. В этом случае более интенсивный пучок в активной среде должен иметь меньшую перетяжку на концевом зеркале.

При выборе размера перетяжки накачки, в случае использования внешней диафрагмы (если нет необходимости использовать аберрации в качестве диафрагмы), пучок накачки должен иметь такое сечение, чтобы вызываемая им деполяризация излучения не оказывала сильного влияния на излучение генерации.

Наклонное прохождение гауссовым пучком активной среды вызывает в нем астигматические искажения. Для их компенсации необходимо выбрать определенный угол падения излучения на сферические зеркала. Однако, при этом полного устранения искажений достичь не удается - пучок остается эллиптическим. Излучение накачки корректируется аналогичным образом -поворотом фокусирующей линзы на определенный угол.

В пятой главе приведено описание экспериментальной установки с лазером на УАС^г4"1" и проведенные на ней исследования.

Для исследования синхронизации мод использовалась лазерная система с активной средой на УАО^г4^ . В качестве резонатора лазера использована ъ -образная четырехзеркальная схема, с компенсацией астигматизма ( величина угла поворота сферических зеркал, обеспечивающая максимальную фокусировку излучения я 22° ). При выборе положения рабочей точки резонатора в области

устойчивости резонатор должен настраиваться таким образом, чтобы величина керровской линзы была достаточна для получения устойчивой синхронизации мод, то есть рабочая точка должна выбираться на границе зоны устойчивости. В то же время, для обеспечения лучшей стабильности рабочая точка должна располагаться как можно ближе к точке минимума наклона кривой зависимости размера перетяжки от величины линзы. Указанное противоречие можно разрешить при использовании схемы синхронизации мод, основывающейся на сдвиге частоты при керровской самомодуляции. В этом случае работает не механизм изменения размера пучка за счет формирования линзы, а сдвиг пучка в поперечном направлении, в результате преломления на призме пучка с изменяющейся частотой. Рабочая точка выбирается таким образом, чтобы изменения величины наведенной линзы в активной среде минимально влияли на размер перетяжки. При этом необходимо использовать одностороннюю диафрагму, расположенную за призмой и вырезающую излучение с частотой, которая соответствует меньшей интенсивности. В оптической схеме, работающей с керровской линзой, изменение размера перетяжки в основном происходит в плоскости поворота кристалла под углом Брюстера, поэтому в качестве диафрагмы можно использовать щель, расположенную перед концевым зеркалом. Для получения максимальной модуляции потерь на диафрагме, она помещалась в плечо резонатора, в направлении которого смещена активная среда с керровской линзой. При этом пучок большей интенсивности имел меньшие потери. Самомодуляция излучения вызывает расширение спектра излучения и, как следствие, расширение пучка после прохождения призмы. Таким образом, установка диафрагмы после призмы приводит к дискриминации более мощных пучков и уменьшению эффекта, связанного с керровской линзой. Поэтому диафрагму необходимо располагать в плече, где отсутствуют призмы. Активный элемент, в котором формируется линза, должен быть смещен в эту же сторону относительно перетяжки излучения.

Используемые фокусирующие зеркала имели радиус кривизны R=100 мм, концевые зеркала использовались плоские, с клиновидными подложками: одно с пропусканием « 0.03%, а второе - выходное » 0.5%. Для обеспечения^ внутрирезонаторного сжатия импульсов, частотно модулированных в результате керровского эффекта в активной среде, в резонаторе использовалась пара кварцевых призм, вырезанных для работы под углом Брюстера и обеспечивающих отрицательную величину дисперсии. В режиме активной синхронизации мод использовался кварцевый акустооптический модулятор с гранями, вырезанными для работы под углом Брюстера. Излучение накачки фокусировалось в перетяжку порядка 50 мкм в центре кристалла активной среды линзой с фокусным расстоянием 10 см.

В качестве источника накачки использовался лазер на YAG:Nd, оптимизированный на минимум флуктуаций выходного излучения, с выходной мощностью до 10 Вт. Для устранения угловых флуктуаций выходного излучения была сделана система стабилизации на основе биморфной пьезокерамики, обеспечивающей поворот зеркала, и системы обратной связи, отслеживающей отклонения луча. Длительность импульсов оценивалась по увеличению интенсивности преобразования во вторую гармонику излучения при переходе из режима с несинхронизированными модами к синхронизации мод. Измерение спектральных характеристик излучения проводилось с использованием монохроматора МДР-6У с двумя дифракционными решетками 600 штр./мм. В нем для снятия спектров излучения в реальном времени на место выходной щели была встроена камера INF-500 многоканального оптического анализатора 'HEROS'. Вся система измерения спектров была автоматизирована с использованием компьютера, блока управления шаговым двигателем и аналого-цифрового преобразователя. Разрешение системы при использованном раскрытии щелей составляло 0.17 нм.

В результате проведенных исследований по оптимизации параметров лазера на YAG: Cr4"1" получена активная синхронизация мод с длительностью

импульсов и 45 пс, синхронизация мод с синхронной накачкой, длительность импульсов составляла « 30 пс и самосинхронизация мод (КСМ) с длительностью я 400 фс.

В заключении сформулированы основные результаты проведенных исследований:

1. Найдена оптимальная конфигурация лазерной системы на УАО^г4"1" для получения керровской синхронизации мод, учитывающая такие особенности используемого активного элемента, как сильная тепловая линза и деполяризация излучения.

2. Определены области устойчивой работы лазера в режиме керровской синхронизации мод; показано, что увеличение нелинейного взаимодействия вначале приводит к переходу в нестационарный режим работы, а затем к самофокусировке излучения. Проведен детальный теоретический и экспериментальный анализ путей повышения стабильности керровской синхронизации мод широкополосного твердотельного лазера с активной средой УАО:Сг4+; установлено, что величина нелинейного взаимодействия пространственной и временной структуры излучения, ограничена определенным диапазоном значений, в пределах которых в системе осуществляется стабильная керровская синхронизация мод.

4. Показано, что в лазерной системе, в частности с четырехзеркальным, г -образным резонатором, наряду со стабильной синхронизацией мод существует и нестабильный, стохастический режим работы лазера.

5. Экспериментально наблюдалась нестационарная синхронизация мод в виде периодически повторяющихся импульсов излучения. При изменении параметров системы (дисперсии, длин плеч резонатора) в соответствии с теоретическими оценками на короткое время устанавливалась самосинхронизация мод. Тем самым доказано, что стабильная керровская синхронизация мод получается в достаточно узком диапазоне параметров системы, которые должны иметь еще и долговременную стабильность.

6. Экспериментально впервые обнаружены специфичные для данной активной среды режимы работы лазера: а) режим генерации прямоугольных импульсов с частотой « ТкГц в виде меандра (указанный режим обусловлен изменением сильной тепловой линзы, способной переводить резонатор из устойчивой зоны в неустойчивую и обратно, тем самым формируя "быстрое" выключение и включение генерации); б) режим синхронизации мод на основе керровского сдвига частоты.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. J.J.Broslavez, A.A.Fomichov, V.D.Lokhnygin, O.O.Silichev "The Cr4+:Y3A15012 laser crystal in tunable sub-picosecond laser under strong aberration" Proc. of International Conference on Advanced Laser Technologies, Konstanz, Sept. 5-9, 1994, Vol. 2498, p. 193-201.

2. Ю.Ю.Брославец, М.А.Якшин " Модификация ВТСП пленок лазерным излучением", МФТИ, Москва, 1994, С. 91-107.

3. J.J.Broslavez, A.A.Fomichov, M.A.Yakshin "Investigation of high - Tc superconducting tunnel junction after laser radiation processing, "Proc. of International Conference on Advanced Laser Technologies, Konstanz, Sept. 5-9, 1994, Vol. 2498, p. 107-114.

4. J.J.Broslavez, A.A.Fomichov, V.D.Lokhnygin, O.O.Silichev "Tunable Cr4+:Y3A15012 - laser in pico - and femtosecond time regions", ESI publications, Opto'94, Quatorzièmes Journees Professionnelles, 1994, p. 79-84.

5. J.J.Broslavez, A.A.Fomichov, V.D.Lokhnygin, O.O.Silichev "Investigation of structure of transformation phase space in tunable sub-picosecond Cr4+:Y3A15012 laser" Proc. ESI publications, Opto'95.

6. J.J.Broslavez, A.A.Fomitchev, V.D.Lokhnygin, O.O.Silichev "Investigation of structure of nonlinear transformation phase space and chaotic instabilities in tunable Cr4+: Y3 A15 012 laser" Proc. of International Conference on Advanced Laser Technologies, 1995, Vol. 2777, p. 220-226.

7. J.J.Broslavez, A.A.Fomichov, V.D.Lokhnygin, O.O.Silichev "Investigation of structure of transformation phase space and chaotic instabilities in tunable Cr4+:Y3A15012 laser" Proc. of International Conference on UPS'95, 1995.

8. J.J.Broslavez, A.A.Fomitchev "Investigation of mode-locked tunable from 1,350 to 1,550 nm Cr4+:Y3A15012 laser for medical application" Proc. of International Conference on Advanced Laser Technologies, Herakleion , May, 1996, Vol. 2965, p. 160-167.

9. J.J.Broslavez, A.A.Fomitchev "Investigation of chaotic instabilities in mode-locked tunable from 1,350 to 1,550 nm Cr4+:Y3A15012 laser", Abstr. of International Conference on TSSL'96, 1996.

Список литературы

1. С.А.Ахманов, В.А.Выслоух, А.С.Чиркин "Оптика фемтосекундных лазерных импульсов", Наука, 1988.

2. French, PMW "Ultrafast solid-state lasers", CONTEMPORARY PHYSICS, 1996, Vo.37, No.4, p.283-301.

3. O.O. Силичев "Матричный метод расчета распространения когерентных лазерных импульсов", Квантовая электроника, 20, 1993, №10, С.983-990.