Кинетика генерации лазера на красителях с распределенной обратной связью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I

ГЕНЕРАЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛАЗЕРАХ НА КРАСИТЕЛЯХ

С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ / РОС /

§1. Общие сведения о генерации излучения в лазерах на красителях с РОС.

1.1 Способы осуществления пространственной модуляции оптических параметров лазерной среды

1.2 Принципы генерации излучения в лазерах с РОС

§2. Экспериментальные результаты исследований

РОС-л аз ера на красителях.

§3. Исходные уравнения для теоретического расчета кинетики генерации РОС - лазера.

§4. Некоторые спектрально-люминесцентные свойства органических красителей.

ГЛАВА II

КИНЕТИКА ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРА НА КРАСИТЕЛЯХ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ , ОБЕСПЕЧИВАЕМОЙ АМПЛИТУДНОЙ РЕШЕТКОЙ

§1. Генерация лазера на красителях с РОС в случае амплитудной решетки.

§2. Автомодуляция добротности и генерация коротких импульсов

§3. Генерация лазера с РОС при оптической задержке одного из интерферирующих импульсов накачки относительно другого

§4. Двухчастотная генерация в лазерах на красителях с распределенной обратной связью.,

ГЛАВА III

КИНЕТИКА ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРА НА КРАСИТЕЛЯХ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ

ОБРАТНОЙ СВЯЗНО НА ОСНОВЕ ТЕГШОВОЙ РЕШЕТКИ

§1. Основные уравнения для исследования кинетики генерации РОС-лазера на основе тепловой решетки

§2. Двухфотонная модуляция излучения лазера на красителях с распределенной обратной связью

§3. Изменение частоты генерации в лазерах на красителях с РОС.

§4. О генерации лазера на красителях с РОС на основе амплитудно-тепловой решетки.

ГЛАВА 1У

ПОЛЖЯАССйЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЛАЗЕРА С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

§1. Постановка задачи и исходные уравнения.

§2. Расчет поляризации и других характеристик генерации РОС - лазера.

ЗЖЛЮЧЕНИЕ.

Актуальность работы .В последние годы в квантовой электронике большое внимание уделяется возможноностям использования распределенной обратной связи / РОС / . Интерес к лазерам на основе РОС , находящим все широкое применение в физическом эксперименте , вызван с одной стороны стремлением выяснить их физические особенности а с другой - возможностью улучшения технических характеристик некоторых типов лазеров .

Лазеры на красителях на основе РОС отличаются простотой устройства и компактностью , позволяют получать достаточно интенсивное узкополосное излучение с непрерывной перестройкой частоты генерации в широких пределах без использования сложных резонаторных устройств .

Задачи расчета и оптимизации характеристик лазеров на красителях на основе РОС с целью выяснения их новых свойств и схемых решений определяют актуальность исследования теоретических моделей таких устройств . Изучение кинетики генерации лазеров на красителях на основе светоиндуцированной РОС представляет интерес с точки зрения физического механизма генерации , который дополнительно к обычным процессам , характерным для активных сред на основе красителей , включает также процессы формирования и деградации периодических пространственных решеток оптических параметров среды . Кроме того , теоретическое исследование кинетики генерации РОС-лазеров необходимо для понимания особенностей различных режимов работы лазеров такого типа .

Целью работы , в соответствии с вышеизложенным , являлось теоретическое рассмотрение механизма и особенностей генерации излучения лазерами на красителях на основе РОС при различных условиях возбуждения , а также возможностей управления временными характеристиками излучения РОС-лазеров . В частности в диссертации решались следующие задачи :

1. Теоретическое излучение кинетики генерации лазера на красителях с РОС , обеспечиваемой амплитудной и тепловой решетками .

2. Исследование работы лазера с РОС в рамках полуклассической теории .

Научная новизна работы заключается в следующем :

1. Детально проанализирована кинетика генерации лазера на красителях с РОС на основе амплитудной и тепловой решеток при различных условиях возбуждения .

2. Предложен метод для расчета характеристик лазера с РОС в рамках полуклассической теории .

Практическая значимость работы .Результаты теоретического исследования играют важную роль для выяснения механизма и особенностей генерации РОС-лазера . Проведенные расчеты помогают определить требования к параметрам активной среды и накачки , необходимые для практической реализации заданных режимов генерации . Большой практический интерес представляет реализация предложенных в диссертации способов генерации сверхкоротких импульсов излучения в РОС-лазерах на красителях .

Изучение работы РОС-лазера при оптической задержке одного из импульсов накачки позволяет выработать критерии для управления и укорочения длительности импульса генерации .

Результаты исследования генерации на двух спектральных линиях могут найти применение в экспериментах по активной спектроскопии комбинационного рассеяния .

Апробация работы .Основные результаты диссертации докладывались на У1 республиканской научной конференции аспирантов вузов Азербайджана , Баку , октябрь 1983 г. , республиканской научно-практической конференции "Университетская наука - производству" , Баку , апрель 1984 г. , УП республиканской научной конференции аспирантов вузов Азербайджана , Баку , 1984 г.

Данная работа посвящена теоретическому анализу кинетики генерации в лазерах на красителях с РОС . Диссертация состоит из введения , четырех глав , заключения и списка литературы .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Рассмотрены механизмы формирования светоиндуцированных периодических структур в красителях . Расчеты показывают , что при возбуждении активной среды короткими импульсами накачки , основную роль играет решетка инверсии населенностей .

2. Теоретически исследована кинетика генерации лазера на красителях с РОС , обеспечиваемой амплитудной решеткой . Показано, что режим релаксационных колебаний является характерным для зтих лазеров . Получено условие наличия или отсутствия релаксационных колебаний .

3. Показано , что при возбуждении РОС - лазера импульсами гауссовой формы вблизи порога он генерирует одиночный сверхкороткий световой импульс с длительностью - 10""^ с . С увеличением накачки число генерируемых импульсов растет . Причиной формирования коротких импульсов является автомодуляция инверсии населенностей .

4. Рассмотрена кинетика генерации лазера на красителях с РОС , обеспечиваемой тепловой решеткой . Показано , что в этом случае при наличии двухфотонной модуляции населенностей генерация происходит в виде отдельных коротких импульсов с длительностью ¿Ос.

5. Рассмотрены механизмы , приводящие к изменению частоты генерации лазера с РОС . Расчеты проведены для прямоугольной формы импульса накачки . Показано , что в случае тепловой решетки частота генерации с течением времени увеличивается .

6. Проанализирован резким двухчастотной генерации РОС - лазера . Определены условия устойчивого характера двухчастотного режима генерации .

7. В рамках полуклассического подхода проведен анализ работы РОС-лазера . Вычислена поляризация среды . Получены аналитические выражения для пространственного распределения инверсии населенности , а также мощности усиления встречных волн .

- 97

1. С. А. Ахманов , Г. А.Ляхов . проекты неоднородности оптической накачки в лазерах и в вынужденном рассеянии . С амо во з буж дение за счет распределенной обратной связи . 2Ж> , 1974 , т. 65 , 1Г< 1., с. 95 - 103 .

2. Франсон tJoprio . Голография . Пер. с франц. С.И.Балашовой . Под ред. Ю.П.Островского . ГЛ., "Мир" , 1972 , -¿345 с .

3. Т.in. Офенднев , А.II.Рубинов . Перестраиваемый лазер на красителе с распределенной обратной связью и узкой линией излучения . ШС . 1974 , т.21 , Ш , с. 1325 КЗ .

4. A.li.Рубинов , Т.Ш. ЗТюндиев . Лазеры на красителях с распределенной обратной связью . ШС . 1977 , т.27 , "Л 4 , с. 657 545 .

5. В. II. Лукьянов , А. Т. Семенов , П. В .Шелков , С. Д. Лкубович. Лазеры с распределенной обратной связью / обзор / . Квантовая электроника . 1.975 , т.2 , '"II , с. 2J72 2d98 .

6. С.Ю. Мирза , А.П.Солдатов , В.В. Суханов . Лазеры на красителях с распределенной обратной связью , возбуждаемый излучением лазера на парах меди . Ш1С . 1982 , т.39 , '«-4 , с. Ь4в 553.

7. Ю. КджиповI-Р., yJtkn.Н Р.: cAandnoss Е. Аpoly (мтпуЫтпаглуЩ- 98

8. Pi/e Lase/l VJiik InUnrUil diFFaticUon. улссЬиъу Rtsorudo^ . APPl. pfys. Шел?. ПИ } V13 ^ No -iij P-U W-k

9. Fonj^L Incased Resistance to pU^uulUm. Of RliocUmLne 66 ¿n CooUcl SoU Mcdrwm. APPi.ittiins .mij v■ юJ No.iz, p. m-им.

10. МЩшуЯй.ЗтМ,, Е.Сг.Эрмилп. and M.F. Orafan ■fypl. pfyS- ЫШЛЗ.Ш; V.24, No 10j Р.Щ-МЬ

11. PeUiL W/2. osilbdum- UL ilwy Coa,ruujcctU opiiccct Wawzyuides AppP. piyS. Letie/iS • W3 , \/-11 p.128.

12. Т.Ш.Эфендиев , A.H.Рубинов . Лазеры на красителях с распределенной обратной связью , индуцируемой излучением второй гармоники неодимового ОКГ . Квантовая электроника . 1975 , т.2 , Р 4 , с.858 831 .

13. К.Ф.Гороть , В.Н.Ващук , Е.И.Забело , Н.М.Малыхина . Лазеры с РОС , формируемой расходящимся пучками . Квантовая электроника . 1977 , т.4 , № 3 , с.бЖ 684 .

14. СМ. мгК } bp/uiUm. J. B.t KoqeinlK Tunalte. DhimtulecL FwdfacK Pye Lase/L .fypi .fys.LebtviS Jtfi V-M^No-S Р-Звб-Зве

15. Б.А.Бущук , В.А.Запорожченко , А.Л.Киселевский , А.Н.Рубинов, А.П.Ступяк , Т.Ш.Эфендиев . Генерация одиночного импульсав лазере на красителях со светоиндуцированной обратной связью . Письма в ЖГФ. 1979 , т.4 , Р 14 , с.880 884 .

16. А.И.Рубинов , Т.Ш.Эфендиев . Лазеры на красителях со свето-индуцированной распределенной обратной связью . Квантовая электроника . 1982 , т.9 , № 12 , с.2359 2366 .

17. Ж.Бор . Генерация пикосекундных импульсов за счет самомодуляции добротности в лазере на красителе с распределеннойобратной связью . Изв. АН СССР. 1984 , т.48 , Р 8 , с. 1527 -1533 .

18. H.A.Борисевич , В.А.Поведайло , В.А.Толкачев . Лазеры с распределенной обратной связью на парах ПСПОП . Квантовая электроника. 1981 , т.8 , Г- 6 , с. 1369 1371 .

19. Т.Ш.Эфендиев , А.Н.Рубинов , В.А.Запорожченко . Генерация сверхкоротких импульсов в лазере на красителях с распределенной обратной связью . Письма в ЖГФ . 1977 , т.З ,с. 114 116 .

20. Ф.П.Шефер . Лазеры на красителях . Перевод с англ. под ред. Л.Д.Деркачевой . М. "Мир" , 1976 , -329 с.

21. Н.А.НаиЛ Crain. Scitufudion in cUsbwßu,üd feeclßacK Lclôtas.

22. Appt. opt. Mfy У.1k, P-Z650- Z65Z. .

23. S. ci in- Rqiacojtioyi, OsUßiatLorlS lït- cibfri/iÄ^wbtcL, FCCdêacK Lase^i. opt. Comn7. 1Я6 , V-H/ No. P. Ш-Ш

24. Б.И. Степанов . Оптические квантовые генераторы на растворах органических красителей . УВД. 1968 , т. 5 , № I , с.74-95.

25. Б.И. Степанов , В.А.Мостовников , А.Н.Рубинов . Оптическая генерация в растворах сложных молекул . Письма в БТЭФ . 1957 , т. 5 , № 5 , с. 144 148 .

26. А. М. Самсон , Р. А.Карамалиев . Расчет режима генерации красителей с постоянной частотой излучения . ЖПС . 1970 , т.13, № 5 ,с. 793 804 .

27. Б.И.Степанов , А.Н.Рубинов . Генерация растворов органических красителей . ЖПС . 1967 , т.7 , № 4 , с.501 5Ш .

28. А.М.Самсон , Р.А.Карамалиев . Двухчастотная генерация на веществе с расщепленным метастабильным уровнем . MC . 1968, т. 8 , № I , с. 56 66 .

29. Б.И. Огепанов . Квантовая электроника . Шнек " Наука и техника " , 1979 , 120 с.

30. Б.И. Огепанов , А.Н.Рубинов . Влияние стоксового сдвига на рабочую частоту квантового генератора . ЖПС. 1966 , т. 4 , № 3 , с. 222 229 .

31. А.Н.Рубинов . Т.Ш.Эфендиев , А.В. Адамушко . Лазеры на красителях с распределенной обратной связью , работающей в режиме часто повторяющих импульсов . Квантовая электроника . 1976 , т.З , Р 8 , с. 1816 1817 .

32. Г.М.Страховский , А.В.Успенский . Основы квантовой электроники. М. "Высшая школа" , 1979 , 448 с.

33. Г. А.Ляхов , С.Пономарев . Стационарный нелинейный режим генерации лазера с распределенной обратной связью . Квантовая электроника . 1976 , т.З , PI , с. 107 III .

34. Б.И.Огепанов . Методы расчета оптических квантовых генераторов . т.1 , Минск , "Наука и техника" . 1966 .

35. Б.И.Степанов , А.Н.Рубинов , В.А.Мостовников . Оптическая генерация раствора родамина С при возбуждении импульсами лампами ШС . 1967 , т.7 , Р I , с. 116 120 .

36. А.М.Самсон , Р.А.Карамалиев . Преобразование каналов генерации и одновременная генерация двух частот в четырехуровневых системах . ШС . 1958 , т.8 , й°- 2 , с. 227 237 .

37. А.С.Банковский , Р. А.Карамалиев . К теории двухчастотных 0КГ . ШС . 1970 , т. 12 , с.217 222 .

38. Л.С.Василенко , В.П.Черботаев . 0 конкуренции переходов и излучения генерации на линии 6401 А без дипергирующей призмы в резонаторе Не Ng лазера . Опт. и спектр. 1966 , т.20 , №5 , с. 915 - 916 .- 101

39. А.Н.Рубинов . Длительность генерации растворов органических красителей . ЙПС . 1970 , т.12 , 13 I , с. 57 64 .

40. Б.И.Степанов , Методы расчета ОКГ на органических красителях при монохроматическом возбуждении .4.1, преп . Ш>АН БССР , 1958 £ Минск .

41. Б.И.Степанов « Расчет мощности генерации растворов органических красителей в поперечном варианте резонатора . 1956 , т.9, КЗ 3 , с.383 391 ,

42. Г.Н.Дульнев , В.И.Земский , Б.Б.Крынецкий , И.К.Метковекий , А.М.Прохоров , 0.М.Слельмах > Твердотельный перестраиваемый лазер на микрокомпазиционном матричном матрице . Письма в ЖГФ . 1978 ,т.4,1Ч,с, 1041 1042 .

43. Г, Б. Альтшулер , Е.Г.Дульнева , И.К.Мшковский , К. И.Крылов . Твердотельные активные среды на основе красителей . Ш1С . 1982 , т.35 , $ 4 , с. 592 598 .

44. Р. А.Карамалиев . О формировании светоиндуцированных периодических структур в веществе . Тематический сборник научных трудов АТУ им.С.М.Кирова . 1983 , с. 95 100 .

45. Суязов Н,В. Предельные спектральные характеристики лазера с распределенной обратной связью . Квантовая электроника . 1978 , т.5 , ¡з I , с. 2445 2448 .

46. А. Ляхов . О рент гетто веком лазере с распределенной обратной связью : выходная мощность и когерентность . Квантовая электроника . 1976 , т. 3 , ¡з 4 , с. 338 342 .

47. А.Н.Рубинов , Эфендиев Т.Ш. , Адачупгсо А.В. , Немнович Н.А, Лазеры на красителях с распределенной обратной связью , работающий в режиме часто повтаряющихся импульсов . Письма в ЖТФ . 1975 , т.2 , № 15 , с. 704 708 .- 102

48. P. А.Карамалиев , Дао Суан Хой . Автомодуляция добротности и генерация коротких импульсов в лазерах с распределенной обратной связью . ДАН Азерб. ССР . 1984 , т. XL, № 8 ,с. 31 33 .

49. Р. А.Карамалиев , Дао Суан Хой . Кинетика генерации в лазерах на красителях с распределенной обратной связью при оптической задержке одного из интерферирующих импульсов относительно другого . Известия АН Азерб. ССР , серия физ.-мат наук .в печати / .

50. Р.А.Карамалиев , Дао Суан Хой . Генерация лазера с распределенной обратной связью на двух длинах волн . Тезисы докладов республиканской научно-практической конференции "университетская наука производству" . Баку апреля 1984 г.,с.93-94.

51. Дао Суан Хой . Многочастотная генерация лазера с распределенной обратной связью . Тезисы докладов У11 республиканской научной конференции аспирантов вузов Азербайджана . Баку 1984 , серия тех. наук с. 104 .

52. АН Азерб. ССР , сер.физ.-тех. и маг. наук . 1984 , т.5 , 1{3 I , с. 76 80 .

53. Р. А.Карамалиев , Дао Суан Хой . Изменение частоты генерациив светоиндуцированных решетках . Тематический сборник научных трудов АТУ им.С.М.Кирова . 1984 , с. 83 86 .

54. Батырев В. А. , Корольков М.В. , Бигармоническая накачка в лазерах на красителях с РОС . ЖГГС . 1984 , т.Х , №2 ,с. 195 202 .

55. А.С.Рубанов . Динамические светоиндуцированные структуры в растворах сложных органических соединений . Препринт ИФАН БССР . Минск 1978 .

56. Б.Я.Зельдович , Н.Ф.Пилипецкий , В.В.Рагульский , В.В.Шкунов. Образование волного фронта методами нелинейной оптики . Квантовая электроника . 1978 , т.5 , № 8 , с. 1800 1803 .

57. Афанасьев А.А. , Батырев В.А. , Корольков М.В. Влияние развития тепловой решетки на ширину линии генерации лазера на растворах красителей с распределенной обратной связью . ЖПС . 1982 , т. 37 , № 2 , с. 230 233 .

58. П.А.Апанасевич , А.А.Афанасьев , А.Л.Киселевский , Т.Ш.Эфен-диев . Тезисы II Всесоюзной конференции " лазеры на основе органических соединений и их применение " . Душанбе, 27-30 сентября , 1977 , с. 12 14 .

59. Н.В.Кухтарев , Тезис II Всесоюзной конференции " лазеры на основе органических соединений и их применение " . Душанбе , 27 30 сентября 1977 , с. 37 - 38 .

60. С.А.Ахманов , Г.А.Ляхов . Распределенная обратная связь в лазерах с нестационарной накачкой возможности безрезонаторной генерации в ультрафиолетовом диапазоне . Письма в ЖЭТФ .1974 . т. 19 , № 3 , с. 470 474 .

61. А. А. Афанасьев , В. А. Ватырев . Тезисы II Всесоюзной конференции "Лазеры на основе органических соединений и их применение" . Душанбе 1977 , с. 42 44 .

62. Ландберг Г.С. Оптика . М., "Наука" . 1976 .

63. Д • Bamiuw ■) R- Mattcuuil., Я-Камппайьу. Scdu/uibjwL. effects and Я ¿mil-Uieci Sccvttenuuj in. -Ь^о-SUnJm^ mode opt/udcott of cc Casing System. \iktL fiaUona/iji cd&mS . pkyscuii Rm'euy A. MtffV-1f 613-16#5•

64. Г.А.Ляхов , Н.В.Суязов . Теория нестационарной генерации лазера с распределенной обратной связью . Модель эффективной добротности . Квантовая электроника . 1983 , т. 10 , № 8 , с. 1572 1580 .

65. Ярив Амнон . Квантовая электроника и нелинейная оптика . Перевод с англ. А.А.Барыбина и др. под ред. О.Г.Вендика , Я.И.Ханина . М., "Сов. радио" , 1973 , -455 с.

66. Кольер .Р , и др. Оптическая голография . Пер. с англ. под ред. Ю.И.Островского . М., "Мир" , 1973 , -686 с.

67. Б.И.Степанов . Введение в химию и технологию органических красителей . М. "Химия" , 1971 , -448 с .

68. Н.Н.Столяров . К теории распределения волн в периодических структурах . Квантовая электроника . 1978 , т. 5 , № 8 ,с. 1853 1857 .

69. Микаэлян А.Л. , Тер-Микаэлян М.Л. , Турков Ю.Г. Оптические квантовые генераторы на твердом теле . М. "Сов. радио " , 1967 . -384 с.

70. Пантел Р. , Путхор Г. Основы квантовой электроники . Пер.с англ. Э.С.Вороника и В.С.Соломатина . Под ред.Ю. А. Ильинского -С предисл. чл.-кор АН СССР Р.В.Хозлова . М. "Мир" ,1972 , 384 с.

71. Пестов Э.Г. , Лапшин Г.М. Квантовая электроника . М. , Воениздат . 1972 , -335 с.76.,Л.Д.Ландау , Е.М.Лифшиц . Квантовая механика , нерелятивиская теория . М. "физ.мат. литературы" , 1963 . -702 с.

72. Франсон Моще и Сланский С. Когерентность в оптике . Пер. с франц. Е.М.Шифриной . Под ред. К.С.Шифрина . М. "Наука" , 1967 , -80 с.