Когерентное излучение миллиметровых волн в нелинейных кристаллах, инициированное лазерами оптического даипазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ АРМЕНИЯ ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

ПОГОСЯН Погос Степанович

КОГЕРЕНТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН Б НЕЛИНЕЙНЫХ КРИСТАЛЛАХ, ИНИЦИИРОВАННОЕ ЛАЗЕРАМИ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Аштарак - 1990

Работа выполнена в Ереванском ордена Трудового Красного Знамени государственном университете.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор, член-корр. АН Республики Армения

М.Е.Мовсесян (ИФИ, г.Аштарак) доктор физико-математических наук, профессор, член-корр. АН Республики Армения

В.М.Арутюнян (ЕГУ, г.Ереван), доктор физико-математических наук, профессор

В.Д.Волосов (ЛГТУ, г.Ленинград) • »

Ведущая организация: Институт общей физики АН СССР.

Защита диссертации состоится г. в --

час.-, на заседании специализированного Совета ДР 005.01.99 при Институте физических исследований АН Рпгпуйтпшг Лрмптшп/Т-" по адресу: Республика Армения 378410, г.Аштарак-2 ИФИ АН Республики Армения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФИ АН Республики Армения.

Автореферат разослан "О^к^-^ЭЭО г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ , * физико-математических наук '

I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

М

.^-»' .уУ.актуальность темы. К числу основных задач лазерной физики "Сзгедузт'' отнести поиск новых возможностей дальнейшего расширения частотного диапазона квантовых генераторов. В настоящее время с использованием методов нелинейной оптики и квантовой электроники созданы перестраиваемые источники когерентных волн, частоты которых меняются, начиная от ультрафиолетовой вплоть до субмид-линетрозой областей спектра. В указанных областях преобразование лазерного излучения чаще всего осуществляется при помощи генерации гармоник»суммарных или разностных частот.

Иначе обстоит дело с генерацией излучения в миллиметровой и более длиноволновой областях спектра. Здесь возникают трудности как в экспериментальном, так и в теоретическом плане,связанные с тем, что поперечные размеры возбуждающих пучков (лазеров оптического диапазона) сравнимы с длиной волны возбуждаемого излучения. Вопрос этот далеко не тривиален. В этом случае нельзя применить стандартный метод нелинейной оптики - метод параболического уравнения, а необходимо исходить из полных (неукороченных) уравнений Максвелла. С точки зрения экспериментатора это означает, что при генерации миллиметровых волн обычные методы согласования фазовых скоростей не подходят. В данной области частот возникает новое явление, а именно, черенковское излучение от сгустка электромагнитных волн, сущность которого заключается в следующем; пучок интенсивного света в среде возбуждает усредненную по несущей частоте волну нелинейной поляризации, которая распространяется с его групповой скоростью.Если эта скорость превышает фазовую скорость возбуждаемых волн, то происходит когерентное излучение, аналогичное черепковскому излучению от дипольных моментов или токов.

На языке нелинейной оптики это соответствует генерации разностной частоты при условии сохранения;продольных компонент импульсов. 1

Вопрос об излучении Вавилова-Черенкова от сгустка электромагнитных волн был поднят Аскарьпном Г.А. еще на заре развития лазерной физики. Однако из-за низкого К.П.Д. этому явлению не было уделено должного"внимания. Только в самое последнее время наблюдается возрастающий интерес к методу черенковского излуче-

ния. Это связано с тем, что он является фактически единственным способом для исследования характеристик целого ряда быстро протекающих процессов. Недавно, при помощи черенковского излучения был открыт новый эффект - искажение формы ультракороткого импульса обусловленного полным внутренним отражением.

• Несмотря на достигнутые успехи излучение Еавилова-Черенкова от волны нелинейной поляризации все еще остается недостаточно изученным, особенно в миллиметровой области длин волн. Казалось, что исследования в этой области представляют чисто академический интерес, т.к. в радиотехнике имеются хорошо разработанные источники (клистрон, магнетрон, лампа обратной волны и т.д.). В то же время во многих областях науки и техники все более становится очевидным необходимость создания плавноперестраиваеыых и ультракоротких импульсов миллиметрового диапазона, как например, в радиоспектроскопии, биофизике, радиолокации, физике сверхпроводников (для изучения динамики разрушения энергетической щели) и т.д.

Черенковское излучение миллиметровых волн в нелинейных кристаллах удачно дополняет традиционные методы создания генераторов с широким диапазоном перестраиваемых параметров (длительность, частота перестройки и т.д.).

Цель работы заключается:

- в экспериментальном обнаружении и исследовании характерных особенностей черенковского излучения от волны нелинейной поляризации и развитии теории этого явления;

- в определении оптимальных условий для возбуждения излучения, широко перестраиваемого по частоте, в миллиметровом диапазоне длин волн;

- в получении аналог лазера ультракоротких импульсов в пи-косекундном и более коротких интервалах длительностей с помощью оптического квантового генератора с синхронизацией продольных мод$

- в получении антенны поверхностных волн в миллиметровом диапазоне;

- в определении при помощи черенковсного излучения: а) временных характеристик возбуждающих лазеров, 5) параметров нелинейных кристаллов.

Научная новизна и значимость полученных результатов. Результаты, представленные в диссертации, развивают новое направление лазерной физики, основанное на получении и исследовании черен-ковского излучения от волны нелинейной поляризации и применении этого явления для определения характеристик возбуждающих лазеров и параметров нелинейных кристаллов.

При развитии этого направления получен ряд эффективных методов для создания когерентных источников электромагнитных волн миллиметрового диапазона. Показано, что применение черенковско-го механизма генерации лазерного излучения не ограничивается только созданием источников коротких плавно перестраиваемых по частоте импульсов.

По параметрам черенковского излучения можно определить временные характеристики возбуждающих лазеров. Малоинерционность нелинейных кристаллов и широксполосность приемной аппаратуры в миллиметровой области длин волн делают очевидным преимущество такого метода по сравнению с обычным фотосмешением.

Sin исследования приобретают большую ценность для лазеров, частота излучения которых лежит в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне спектра, т.к. в этих областях нет хорошо отработанных малоинерционных приемников.

i настоящее время для определения пикосекундных интервалов времени широко используются методы, основанные на генерации второй гармоники. Черенковское излучение также можно применить с такой целью, т.к. оно, как и вторая гармоника возникает за счет нелинейности второго порядка. Применение этого метода позволяет использовать также кристаллы, которые непрозрачны на частотах зторой гармоники.

Другим возможным применением предлагаемого метода является определение параметров нелинейных кристаллов. Такие измерения особенно важны для сегнетоэлектрических кристаллов, параметры которых трудно, а, во многих случаях, невозможно измерить прямым методом из-за большого значения их диэлектрической проницаемости.

Практическая ценность работы определяется следующими результатами:

I. Реализована плавно-перестраиваемая генерация электромагнитных волн миллиметрового диапазона: от 12 Ггц до 150 Ггц.

2. С помощью лазера на стекле с неодимом, работающего в режиме синхронизации иод в кристалле ниобата лития реализована генерация ультракоротких импульсов в ликосекундном и субликосе-кундном интервала длительностей.

3. С помощью черенковского излучения определены следующие .характеристики возбуждающих лазеров и параметры нелинейных кристаллов :

а) длительность (средняя по цугу) импульсов лазера на стекле с неодимом, работающего в режиме синхронизации мод;

б) взаимная корреляционная функция интенсивностей двух частотно-расстроенных рубиновых лазеров;

в) диэлектрическая проницаемость эрсенида галлия на длине волны Я =5,б мм;

г) диэлектрические потери в кристалле ниобата лития;

д) дисперсия нелинейной восприимчивости ниобата лития в диапазоне частот 12-150 Ггц;

ж) отноиение компонент тензора нелинейной восприимчивости ниобата лития. • .

. Основные положения, представленные к защите:

1. Результаты исследования характерных особенностей черенковского излучения от волны нелинейной поляризации.

2. Результаты экспериментально полученных данных:

а) получение широко перестраиваемого излучения в миллиметровой диапазоне;

б) получение ультракоротких импульсов с помощью смешения частоты лазера, работающего в режиме с синхронизацией мод. .

3. Результаты применения метода черенковского излучения для определения:

а) временных характеристик возбуждаемых лазеров;

б) параметров нелинейных кристаллов.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на: Всесоюзной конференции по нелинейной оптике (Минск,1972г.), Всесоюзном симпозиуме по световому эхо (Казань, 1973 г.), УШ Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Тбили -

#

си, 1976 г.), Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1977 г.), Всесоюзном совещании по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1978 г.), IX Всесоюзной радиоастрономической конференции по аппаратуре, антеннам и методам (Ереван, 1978 г.), Годичном собрании отделения физико-технических наук АН Армянской ССР (Ереван. 1978 г.), IX Всесоюзном совещании по сегнотоэяектричеству (Ростов-на-Дону, 1979 г.), Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982 г.), Li Всесоюзном симпозиуме по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (Минск, 1983 г.), У Неждуна-родном симпозиуме по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (Вильнюс, 1987 г.), ХД Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1988 г.), семинарах и межреспубликанских совещаниях института физических исследований АН Арм.ССР.

Публикации. Основные результаты опубликованы в печатных работах, перечисленных в конце автореферата.

В диссертации изложены результаты.работ, з которых личный вклад автора является определяющим на всех этапах исследований.

Структура диссертации, диссертационная работа изложена на 160 страницах основного машинописного текста (включая 47 рисунков и 3 таблицы), состоит из краткого введения, пяти глав и заключения. Имеется список литературы, включающей 140 названий цитируемых литературных источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описана актуальность темы, формулируется цель работы, приводится краткое содержание диссертации, ее новизна, практическая ценность, основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава является вводной. В ней на примере упрощенных, но в то же время близких к реальной ситуации задач, рассматриваются основные характерные особенности черенковского излучения от волны нелинейной поляризации. Показано, что черепковское излучение можно рассматривать как генерации разностной частоты при выполнении условия векторного синхронизма, а точнее при сохранении продольных; компонент импульсов взаимодействующих волн. .

Поэтому излучение Вавилова-Черенкова от волны нелинейной поляризации назовем также генерацией разностного излучения, учитывая, что последняя терминология чаще используется в литературе.

Первые два параграфа посвящены обзору литературы и качественному рассмотрению черенковского излучения от сгустка электромагнитных волн. В § 3 приводится решение задачи о генерации разностного излучения в диэлектрической пластине с учетом как граничных условий, так и пространственной ограниченности возбуждающих пучков. Исследованы влияния линейной и нелинейной границ на процесс генерации разностного излучения. В § 4 исследуются особенности генерации разностного излучения в кристалле, помещенном в прямоугольный металлический волновод. Показано, что в этом случае, возбуждаются только волны типа Н— с нечетным индексом ™ , з угол распространения черенковского изйучения совпадает с углом распространения парциальных волн волновода. Указана возможность возбуждения основной волны Ню путем соответствующего выбора размера широкой стенки волновода при условии, что диэлектрическая проницаемость на частоте возбуждаемого излучения небольшая. В общем случае размер широкой стенки волновода определяется из следующего простого выражения:

а = ,.тЛ , , > (I)

где а - размер широкой стенки волновода, Д- длина волны излучения, £ - диэлектрическая проницаемость нелинейного кристалла на частотах возбуждаемого излучения, С/у , а V - груп-

повая скорость лазерного излучения.

В § 5 исследовано влияние диэлектрических потерь на процесс генерации разностного излучения. Получено, что наличие потерь в нелинейном диэлектрике приводит к насыщению мощности разностного излучения в зависимости от длины кристалла. При больших значениях потерь , т.е. когда выполняются условия: Ж и л (где I. - длина кристалла, л К - фазовая расстрой-

ка), мощность излучения не зависит от фазовой расстройки. В § б показано,-что фокусировка возбуждающего излучения приводит к незначительному росту мощности разностного излучения. Так, например, на волне Н10 рост мощности, за счет фокусировки, сос-

тавляет примерно 2,5 раза, в то время, когда с помощью фокусировки мощность излучания на второй гармонике можно увеличить 10^-10^ раз . Зто обусловлено тем, что при генерации разностного излучения оптимальные размеры диаметров возбуждающих пучков порядка длины волны черепковского излучения. В случае дуплета монохроматических лазерных пучков гауссовского профиля, оптимальные размеры ä определяются условием: KJ &ч = \[з , где К - волновое число возбуждающих пучков, &ч - характерный угол черенковского излучения.

Вторая глава (§§ 7-12),в основном, посвящена экспериментальному исследованию характерных особенностей черенковского излучения от волны нелинейной поляризации. В качестве нелинейного кристалла был применен эрсенид галлия, а возбуждение осуществлялось с помощью импульсного С02 лазера.

Исследование проводилось на частоте 54,3 Ггц (Я =5,6 мм), что соответствует разности двух соседних линий Р(20) и Р(22) перехода 00°1 - 10°0 молекулы С0£. Настройка лазера на две соседние линии была получена путем подбора парциальных давлений смеси COgi N^itte и параметров резонатора лазера.

Измерение углового распределения черенковского излучения проводилось с помощью специальных рупорных антенн. СВЧ сигнал с антенны детектировался диодами Д407 или Д606 и наблюдался на экране осциллографа С8-2. Кристалл арсенида галлия вырезался и ориентировался так, чтобы векторы напряиенностей возбуждающих пучков были параллельны кристаллографическому направлению III . Выбор длины образца кристалла арсенида галлия проводился исходя из его потерь на волне разностного излучения. С помощью стандартного волноводеого метода был измерен коэффициент поглощения на длине волны 5,6 мм. Он составил ~0,2 см~* и поэтому Зыло нецелесообразно использование кристаллов длиной L 7 i/.'х"~5см. Применяемые образцы имели длину 56 мм. Так как черенковский угол в арсениде галлия (как и во многих других кристаллах) превышает угол полного внутреннего отражения, то для вывода излучения выходной торец кристалла был срезан под углом 90o- Q% =68°. В эксперименте исследовалась зависимость эффективности генерации излучения на разностной частоте в направлении черенковского угла от радиусов возбуждающих лазерных пучков. Максимум эффективности

генерации излучения на разностной частоте наблюдался при Я =1,3 мм, что находится в хорошем согласии с теоретической оценкой. При таком радиусе возбуждающи* пучков исследовалось угловое распределение мощности разностного излучения. Измерения показали, что излучение идет по черенковскому конусу и угловая ширина составляет ~10°. Мощность излучения на разностной частоте в направлении черенковского угла при этом составляла ~30 мВт.

Хотя численные расчеты показывают, что угловое распределение излучения на разностной частоте имеет лепестковую структуру, однако при используемом радиусе пучка Я =1,3 мм мощность боковых лепестков значительно меньше мощности главного и поэтому экспериментально они не регистрировались.

Исследована зависимость эффективности генерации разностно-го'излучения в направлении первого бокового лепестка от радиуса возбуждающих пучков. Найдено значение радиуса пучка, при котором эффективность генерации на этом лепестке максимальна. Он составляет = 2 мм, что достаточно близко к расчетному значе-' нию. Для такого радиуса возбуждающих лучков изучено угловое распределение черенковского излучения от волны нелинейной поляризации. Показано, что мощность излучения на первом боковом лепестке составляет уже порядка 1/3 от мощности главного. В конце параграфа указано на возможность изменения диаграммы направленности излучателя (нелинейного кристалла) путем изменения радиуса возбуждающего пучка.

На рис.1 приведено угловое распределение черенковского излучения. Сплошная кривая - расчетная. Точки - эксперимент.

Последний двенадцатый параграф второй главы посвящен получению и исследованию перестраиваемой генерации излучения на разностной частоте в миллиметровой и субмиллиметровой областях длин волн при неколлинеарном фазосинхронном смешении излучения двухканэльного импульсного TEA С02-лазера в кристалле арсенида галлия.

В этом параграфе кроме получения эффективной генерации в кристалле врсенида галлия при комнатной температуре (на длине волны 0,34 мм получена мощность 1,4 Вт), продемонстрировано, что в миллиметровом диапазоне наиболее эффективным является

черенковский механизм излучения.

В третьей главе (§§13-17) приводятся результаты экспериментальных исследований характерных особенностей генерации разностного излучения в кристалле помещенном в прямоугольный волновод, с целью получения плавно-перестраиваемой генерации в миллиметровом диапазоне. ¿Эксперименты проводились с помощью двух частотно-расстроенных рубиновых лазеров в кристалле ниобата лития.

Сдвиг частот излучения лазеров осуществлялся путем нагревания одного из рубинового лазера в интервале температур от 20°С по 80°С составляет 4 Ггц/грэд). Необходимая разность температур поддерживалась постоянной с помощью автоматического блока терморегулировки. Контроль параметров лазеров проводился с помощью приборов ФЗК-09, И2-7 и измерителя энергии ИКТ-1М.

Излучение разностной частоты через аттенюатор подавалось на детекторную секцию. Сигнал с детекторов регистрировался осциллографами С1-11 и С8-2 после прохождения через усилитель УЗ-ЗЗ. В зависимости от диапазона, регистрация разностного излучения проводилась приемником П5-13 и детекторными головками на диодах Д407 и Д607, частотные характеристики которых были измерены. Калибровка приемного тракта производилась с помощью стандартных

генераторов ГЗ-ЗО, Г3-37 и ГЗ-38.

Две разные модификации экспериментальной установки позволили исследовать генерацию разностного излучения при трех различных ориентациях кристалла ниобата лития, при которых эффективно работают компоненты , Xtl и Хц тензора квадратичной нелинейной восприимчивости кристалла.

На первой установке временная синхронизация и пространственное перекрытие излучений лазеров осуществлялось следующим образом: 90°-ые рубиновые кристаллы помещались в один резонатор так, что их оптические оси были взаимоперпендикулярны. Такое расположение исключает также взаимное влияние двух оптических генераторов. Модуляция добротности резонатора производилась пассивным затвором, помещенным около глухого зеркала. Параметры излучений лазеров были следующие: мощности 7 МВт и 15 МВт, длительности импульсов 20 не, а диаметры пучков порядка 3 ым. Следует отметить, что дальнейшее увеличение плотности мощности лазерного излучения приводило к разрушению кристалла. Поскольку в условиях эксперимента поляризации лазерных излучений были взаимноперпендикулярны, имелась возможность осуществления генерации разностного излучения при двух различных ориентациях кристалла ниобаха лития. Более интенсивная генерация, как и ожидалось, происходила в случае, когда эффективное значение тензора нелинейной восприимчивости равнялось X-ie . Получена генерация импульсного излучения в области частот 15-150 Ггц. Максимальная мощность разностного излучения наблюдалась на частоте 70 Ггц и составляла ~500 мВт. Замена плоскопараллельной формы кристалла на клинообразную с углом наклона ~ 25° приводила к росту мощности разностного излучения примерно в 2-2,5 раза. с)то, по-видимому, связано с улучшением согласования в тракте.

Исследовалось также влияние фокусировки лазерных пучков на величину мощности разностного излучения. За счет фокусировки возможно было достигнуть увеличения мощности более чем в 2 раза.

На второй установке получена генерация при такой ориентации кристалла, когда эффективно работает нелинейный коэффициент XJ3.. Здесь в отличие от первой установки для включения добротности резонаторов обоих лазеров был использован специально разработанный электрооптический затвор, с помощью которого можно было также регулировать временную задержку между лазерными импульсами. Дли-

тельность лазерных импульсоз составляла ~30 не, а суммарная мощность —150 МВт/см при диаметре пучков ~Ъ ми. При этом значение мощности разностного излучения составляло ~200 МВт, а длительность выходного импульса 50-60 не. -

В § 17 приводятся результаты исследований, посвященные нахождению эффективных методов для вывода излучения из кристалла. С этой целью анализируется угловое распределение мощности разностного излучения и исследуется ее лепестковая структура. Показано, что, когда радиусы лазерных пучков намного меньше длины волны разностного излучения, то основная мощность излучается под углом черенковского излучения. С увеличением радиусов происходит перекачка мощности из главного лепестка в боковые, причем в основном в лепесток, расположенный ближе всего к осям пучков. При этом не только увеличивается максимальное значение мощности лепестка, но и происходит его сдвиг в сторону малых углов. Зтот результат мотет быть использован на практике для получения направленного излучения в волноводних системах, в которых на основной моде черенковские углы обеспечить невозможно. Исследована такие возможность выбора оптимального радиуса пучков для эффективной генерации.

Экспериментально изучена зависимость эффективности разностного излучения от углов падения лазерных пучков на кристалл и от угла между пучками. Найдены оптимальные условия для эффективного возбуждения разностного излучения в волноводе. Получено достаточно хорошее согласие с расчетными данными.

Четвертая глава (§§ 18-23) посвящена исследованию черенковского излучения при прохождении коротких лазерных импульсов через нелинейную среду. Эксперименты проводились с помощью лазера на стекле с неодимом, работающего з режиме синхронизации мод. В качестве нелинейного элемента был применен кристалл нио-бата лития.

В §§ 18-21 рассматриваются характерные особенности генерации разностного излучения зэ счет смешения спектральных компонент лазерных импульсов.

В §§ 18 и 19 изложены результаты теории возбуждения черенковского излучения в металлическом волноводе, заполненным нелинейным диэлектриком в случае, когда оно обусловлено прохож-

дением одиночным коротким лазерным импульсом. Получены аналитические выражения, которые позволяют выяснить влияние дисперсии волноводе на спектральную ширину черенковского излучения. В частности, для импульса гауссовой формы показано, что энергетический спектр излучения определяется произведением двух функций и В(^) . функция ВЫ характеризует син-

хронизм преобразования и очевидно, что она будет максимальна на частотах, определяемых условием согласования фазовых скоростей взаимодействующих волн. Эффективная полоса частот, в пределах которой эта функция принимает максимальное значение, определяется выражением:

l(é-n^)

(2)

где L - длина нелинейного кристалла.

Функция фМпринимает максимальное значение на частоте и& = , где<7" - ширина спектральной линии возбуждаю-

щего импульса. Выбирая подходящим образом размер широкой стенки волновода, можно достичь равенства и тем самым

обеспечить высокую эффективность возбуждения. Через обоз-

начена частота первой моды волновода. В большинстве практических случаев с » дсяг .

В § 20 проводится изучение влияния синхронизации продольных мод лазера на эффективность процесса генерации разностного излучения. Представляя лазерное поле в виде совокупности волн с одинаковой амплитудой и частотами пьи* М) ,

находим, что при полной синхронизации мод спектральная плотность разностного излучения на частоте рды^- возрастает в N-p раз (по сравнению, когда моды лазера не синхронизированы). Этот результат объясняется довольно просто. Излучение на частоте раит есть суперпозиция N-p элементарных излучений, возбуждаемых при нелинейном взаимодействии N эквидистантно расположенных мод. Когда моды синхронизованы из-за интерференции, мощность разностного излучения растет в N-p раз.

Показывается также, что общая мощность разностного излучения (т.е. просуммированная по всем частотам спектра) за счет полной

синхронизации мод растет в 2 У/3 раза. Проводится исследование зависимости спектральной плотности разностного излучения от ширины линии возбуждающего излучения. Показано, что при генерации разностного излучения несинхронизированными модами оно имеет явно выраженный максимум, а в случае синхронизованных мод носит насыщающийся характер.

В §§ 21-23 приводятся описание экспериментальной установки, результаты проведенных исследований и их обсуждение.

Контроль параметров возбуждающего лазера и регистрация разностного излучения осуществлялись той же аппаратурой с помощью которой были проведены исследования с рубиновыми лазерами (см. предыдущую главу). Только для изучения временных характеристик разностного излучения осциллограф CI-II был заменен более широкополосным осциллографом C7-I0A.

Осциллограмма лазерного излучения представляла собой цуг ультракоротких импульсов с периодом повторения Т— 7 не. Общая длительность цуга в зависимости от концентрации раствора (начальное пропускание 40-60?ь) насыщающегося поглотителя менялось в пределах 100-300 не. анергия лазерного излучения при длительности цуга ~-300 не составляла ~0,5 дж. Изменением начального пропускания затвора можно было получить различные режимы генерации. Так, например, когда начальное пропускание насыщающегося поглотителя доводилось до 10%, длительность импульса излучения составляла 80 не (режим близкий к генерации гигантского импульсе) .

Основные экспериментально полученные результаты следующие: а) общая мощность в полосе частот 12-150 Ггц составляет ~21,6 Вт, б) спектральная плотность излучения (за исключением окрестности частоты 70 Ггц, где она ~4 раза боль^) не меняется во всей полосе частот и составляет ~ 1,8. 10 Вт/гц.

В § 23 приводится обсуждение полученных результатов и проводится сравнение с теоретическими расчетами.

Пятая глава (§§24-28) посвящена определению временных характеристик возбуждающих лазеров и параметров нелинейных кристаллов по данным черенковского излучения. Исследованы также возможности создания антенн поверхностных волн в миллиметровом диапазоне. В § 24 приводятся результаты экспериментальных исследований по определению пикосекундных интервалов времени с помощью

лазера на стекле с неодимом, работающего в режиме синхронизации мод. Для смешения спектральных компонент импульсов применяется кристалл ниобата лития. Приводится описание экспериментальной установки, включающей в себя пикосенундный неодимовый лазер, систему контроля параметров лазерного излучения и автокоррелятор. В автокорреляторе излучение лазера расщеплялось примерно на две одинаковые части, которые, приобретая взаимоортогональные поляризации, направлялись коллинеарно на нелинейный кристалл ниобата лития. Последний помещался в прямоугольный волновод и ориентировался так, чтобы сигнал разностного излучения был обусловлен взаимодействием спектральных компонент только взаимоортогонально поляризованных волн (регистрация проводилась на частоте 15 Ггц). В этом можно было убедиться по результатам контрольного эксперимента, в котором измерялась мощность излучения на разностной частоте в зависимости от угла поворота плоо-кости поляризации возбуждающего лазерного излучения. Оказалось, что рассматриваемый сигнал разностного излучения определяется проекцией вектора Р на направление,параллельное узкой стенке волновода. В условиях нашего эксперимента эта проекция отлична от. нуля только при наличии двух взаимоортогональных поляризованных излучений.

Меняя величину временной задержки Ъ между импульсами двух взаимоортогонально поляризованных лазерных излучений и измеряя мощность излучения на разностной частоте, снималась кривая зависимости 1(ъ) . Исходя из этого, проводилась оценка длительности ультракороткого лазерного импульса.

В§ 25 приводятся результаты экспериментальных исследований эффективности генерации разностного излучения в зависимости от временного перекрытия, возбуждающих импульсов.

Приводится также сравнение экспериментальных результатов с расчетными. Полученные данные, в пределах точности измерения, хорошо согласуются с расчетными. Проведенные исследования показывают, что метод генерации разностной частоты можно успешно использовать для определения временных параметров лазерных импульсов и взаимно-корреляционных свойств лазеров. с

В § 26 приводятся результаты исследований для определения диэлектрических потерь кристалла ниобата лития.

Методика основана на измерении мощности разностного излучения в кристаллах различной длины и дальнейшем сравнении этих данных с расчетными. Весь набор используемых кристаллов был получен из единого образца длиной 16 мм путем его поочередного вырезания, с целью уменьшения ошибки измерения, вызванной флук-туациями величины X в различных кристаллах ниобата лития. Задняя поверхность кристаллов была матовой для ликвидации отражения светового излучения. По данным эксперимента ^ Г составил 0,05+0,01.

Е § 27 приводятся результаты экспериментальных исследований по определению отношения компоненты тензора нелинейной восприимчивости ниобата лития. Сущность этих исследований заключается в следующем: при различных орнентациях кристалла и поляризации возбуждающих лазеров измеряется отношение мощностей разностного излучения. Результаты измерения показали, что отношения компонент тензора нелинейной восприимчивости ниобата лития по величине близки к данным, полученным из экспериментов по линейному электрооптическому эффекту (см.таблицу).

Таблица

/Хц

ЛЗО 7,8 3,6 7,6

ГВГ 21 10 2

Отношение компонент нелинейных восприимчивостей для кристалла ниобата лития по данным линейного 'электрооптического эффекта (Л&О) и по генерации второй гармоники (ГВГ).

В § 28 изложены результаты экспериментальных исследований по созданию антенн поверхностных волн миллиметрового диапазона при помощи черенковского излучения в тонких диэлектрических пластинах. Получен СВЧ аналог лазера ультракоротких импульсов.

В заключении сформулированы основные результаты, приведенные в диссертации. Они заключаются в следующем:

I. Впервые экспериментально обнаружено и исследовано черен-новское излучение от волны нелинейной поляризации в миллиметро-

вом диапазоне длин волн. Изучено пространственное распределение интенсивности черенковского излучения. Получено, что:

а) диаграмма направленности излучения имеет лепестковую структуру;

5) существует оптимальный радиус возбуждающего пучка, при котором мощность излучения в направлении черенковского угла максимальна;

в) с увеличением радиуса возбуждающего пучка происходит «перекачка" излучения из главного лепестка в боковые.

2. Экспериментально исследована эффективность генерации разностного излучения (X =4 мм и 8 мм) в зависимости от углов падения пучков на кристалл, а также от угла между ними. Выявлены оптимальные условия для эффективности возбуждения разностного излучения в волноводе.

Показано, что при оптимальном выборе указанных углов эффективность генерации (мощность излучения на разностной частоте) растет ~ 14 раз по сравнению с нормальным падением возбуждающих пучков.

3. Получена широкоперестраиваемая генерация в миллиметровом диапазоне путем смешения частот двух температурно-раостроен-ных рубиновых лазеров в кристалле ниобата лития, помещенного

О DU.iIlUiUft.

Основные параметры генератора следующие: а) частота перестройки от 30 Ггц до 150 Ггц, что соответствует области длин волн от 2мм до 10мм; б) пиковая мощность излучения (за исключением длины волны X =4,3 мм) одинакова во всей области от 2мм до 8 мы и составляет ~ 0,7 Вт. На длине волны А =4,3 мм получена мощность ~ 2,8 Вт; в) длительность импульсов ~ бОнсек. на уровне половины мощности^ г) спектральная ширина: 30 МГц во всей полосе перестройки; д) стабильность частоты: (уход частоты от выстрела к выстрелу) 1,5 - 6%; е) плавность перестройки определяется уходом частоты, т.е. не хуже чем 30 МГц; ж) квантовая эффективность преобразования на частоте 70 Ггц (т.е. в лучшем случае) составляла ~0,4%. Для остальной части спектра она

Указаны пути для повышения квантовой эффективности преобразования.

4. Исследованы особенности черенковского излучения в крис-

тзлле помещенного в волновод. Определено влияние синхронизации мод на эффективность черепковского излучения. Изучено также влияние поглощения в нелинейном кристалле на процесс возбуа-дения черенковского излучения.

Экспериментально получено, что: а) зависимость мощности черенковского излучения от ингенсивности возбуждающего лазера имеет квадратичный характер; б) фокусировка возбуждающего лазера приводит к росту мощности излучения примерно в 2,5 раза. ¿Эти результаты находятся в хорошем согласии с теоретическими расчетами.

5. С помощью лазера на стекле о неодимом, работающего в режиме синхронизации мод в кристалле ниобата лития получена генерация ультракоротких импульсов миллиметрового диапазона. Общая мощность излучения в диапазоне частот 12-150 Ггц состав-.' ляет 21,6 Вт, что соответствует спектральной плотности мощности Ю~12 Вт/гц.

6. Разработан метод измерения ультракоротких длительностей лазерных импульсов, основанный на исследовании зависимости мощности черенковского излучения от времени задержки между импульсами. Метод опробован на пикосекундном неодииовом лазере при возбуждении черенковского излучения в кристалле ниобата лития.

Предложен также метод определения взаимной корреляционной функции интенсивности двух независимых лазеров. Была определена взаимная корреляционная функция двух частотно расстроенных рубиновых лазеров на данном эффективности генерации черенковского излучения в зависимости от временного перекрытия возбуждающих пучков.

7. Исследованы характеристики кристалла ниобата лития по 'методу черенковского излучения. Определены следующие параметры:

а) тангенс угла диэлектрических потерь (был равен 0,05+

0,01);

б) дисперсия квадратичной нелинейной восприимчивости;

в) отношения компонент тензора нелинейной восприимчивости на частоте разностного излучения 15 Ггц они составляли

¿Эксперименты показали, что в области частот 12-150 Ггд (за исключением окрестности частоты 70 Ггц) дисперсия квадратичной нелинейной восприимчивости отсутствует, а отношения компонент тензора нелинейной восприимчивости близки к соответствующим значениям, полученным при помощи линейного электрооптического эффекта.

8. Экспериментально исследованы характерные особенности черенковского излучения в тонких пластинках из нелинейного диэлектрика. На основе этих исследований реализован СЕЧ аналог лазера ультракоротких импульсов.

Основные результаты, приведенные в диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. Гюзалян Р.Н., Костэнян P.E., Логосян Л.С. Влияние резонансного поглощения на фазу лазерного излучения. - ДАН Арм.ССР,

1973, т.57, й 3, с.145-149.

2. Гюзалян Р.Н., Костанян P.E., Логосян П.С. Измерение фазы излучения при нелинейном квазимодействии с резонансной средой. - Квантовая электроника, 1973, й 6(18),с.Ю7-1Ю.

3. Костэнян Р.Б., Погосян Л.С. Влияние когерентности на спектральный состав излучения при встречном распространении волн в рубине. - Изв.АН СССР, серия физическая, 1973,т.37,№ 10, c.2III-2II4.

4. Аветисян Ю.О., Погосян П.С. Генерация разностной частоты

в кристалле ниобата лития с помощью пикосекундного лазера. - Письма в ЖТФ, 1976, т.2, вып.24, с.1144-1146.

5. Аветисян Ю.О., Погосян П.С. Преобразование лазерного излуче-

ния в миллиметровый диапазон длин волн при помощи нелинейного взаимодействия в кристалле ниобата лития. - Тезисы докл.на I Вс.есоюзн.конфер."Оптика лазеров". - JI.': 1977, с.275-276.

6. Мовсисян K.M., Погосян П.С. Синхронное детектирование модулированного лазерного излучения. - Ученые записки ЕГУ, 1977, № 2(135), с.69-73.

7. Погосян П.С., Симонян В.Г. Нелинейное рассеяние лазерного излучения в кристаллах рубина.- ДАН Арм.ССР, 1977, т.15, № 5, с.284-288.

- 21 -

* —

8. Аветисян Ю.О., Мартиросян P.r.i., ;1ирзабекян З.Г., Погосян П.С. Генерация лазерного излучения разностной частоты в прямоугольном волноводе миллиметрового диапазона. - Квант.электроника, 1978, т.5, Й 3, с.659-661.

9. Никогосян А.С., Погосян П.С., Симонян Е.Г. Релеевское рассеяние пикосекундных импульсов з рубине. - G5. Тезисы докладов IX Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике.

- Л.: 1978, с. 143-144.

10. Аветисян Ю.О., Погосян U.C. Определение нелинейных характеристик с помощью генерации разностной частоты лазерного излучения. - Сб. Тезисы докладов IX Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике. - Л.: 1978,с.216-216.

11. Аветисян Ю.О., Лакарян А.О., Мовсисян К.М., Погосян П.С. Генерация излучения с перестраиваемой частотой в диапазоне миллиметровых длин волн путем нелинейного смешения излучения двух рубиновых лазеров. - Письма в НТФ, 1979, т.5, вып.4,

с.233-235.

12. Аветисян Ю.О., ^овсисян К .ni., Погосян U.C. Генерация разнос-

тей частоты лазерного излучения и определение характеристик нелинейного кристалла. - Уч.записки ЕГУ,1979,№1(140),с.58-62.

13. Аветисян Ю.О., Погосян П.С. Дисперсия квадратичной нелинейной восприимчивости в миллиметровом диапазоне длин волн.-Сб.

Тезисы докладов IX Всесоюзного совещания по сегнетоэлекгри-честву. Ростов, 1979, с.24-25.

14. Аветисян Ю.О., Ловсисян К.id., Погосян li.C, Детектирование квазимонохроматического света в волноводе, заполненном нелинейным диэлектриком. - Уч.записки ЕГУ, 1979, it! 3(142), с.82-88. -

15.

Makarian fi.H., Movsessi.-in К.M., F'ogoseiar: г-.S. The determination of lover cliir дс tcristics by the method of frequency mining in <ч IIO'11 inE?i<r crystal .- Opt.. Commun., 19SO, v. ' 1, p.147-148.

16.Аветисян ¡0.0., Багдасарян Д.А., Погосян П.С., Семерок А.Ф., Соболенко Д.Н. Широкоперестраиваемая генерация в субмиллиыет-

ровой области длин волн с помощью нелинейного смешивания частот импульсных С02-лэзеров. - Изв.АН Арм.ССР, Физика, 1980, т.15, вып.б, 0.455-457.

17. Григорян ü.M., Никогосян A.C., Погосян П.С» Рассеяние цуга пикосекундных импульсов на хаотически вкрапленных неоднород-носгях в рубине. - Изв.АН Арм.ССР, Физика, 1981f т.16,вып.

3, с.219-221.

18.. Погосян П.С., Симонян В.Г., Хачатрян A.M. Влияние поглощающих включений на пространственное распределение лазерного излучения в рубине. - Уч.записки ЕГУ, 1981, т.148, № 3, с.65-70.

19. Аветисян И.О., Багдасарян Д.А., Нерсисян H.H., Погосян П.С., Саркисян B.C. Исследование диэлектрических свойств нелинейных кристаллов методом генерации разностной частоты.- Сб. Тезисы докладов XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике. - Ер.: 1982, т.1, с.106-107.

20. Погосян П.С., Симонян В.Г., Хачатрян A.M. Влияние тепловой самофокусировки на временные характеристики ОКУ. - ДАН Арм.

. ССР, 1983, ь.77, Ш 4, с.182-185.

21. Погосян П.С., Симонян В.Г., Хачатрян A.M. Влияние самофокусировки на процесс усиления регулярных пучков. - Изв.АН Арм.ССР , Физика, 1983. т.18, вып.б, с.358-360.

22. Багдасарян Д.А., Макарян А.О., Погосян П.С. Черенковское излучение от распространяющейся нелинейной поляризации среды. - Письма в ЫзТФ, 1983, т.37, вып.10, с.398-500.

23. Багдасарян Д.А., Макарян А.О., Погосян П.С. Генерация разностной частоты в миллиметровой области длин волн с помощью С02 лазера. - ДАН Арм.ССР, 1984, т.78, ш 2,с.66-70.

24. Аветисян Ю.О., Багдасарян Д.А., Никогосян A.C., Погосян П.С. Временные измерения в пикосекундном интервале с помощью генерации разностной частоты. - Изв. АН СССР, серия физическая, 1984, т.48, Щ 3, с.577-579.

25. Нерсисян М.Н., Погосян П.С., Саркисян ü.C. Влияние пространственной ограниченности возбуждающих волн на процесс генерации лазерного излучения с разностной частотой.- Уч.записки

ЕГУ, 1984, № I, с.79-86.

26. Нерсисян М.Н., Погосян П.С., Саркисян Э.С. Особенности отражения излучения разностной частоты от нелинейной генерации. - Изв. АН Арм.ССР, сер.Физика, 1984, т.19, вып.4,

с.192-197.

27. Макарян А.О., ¡¿овсисян К.М., Погосян П.С. Исследование эффективности генерации лазерного излучения разностной частоты в волноводе. - ЖПС, 1984, т.41, !,; 6, с.908-911.

28. Нерсисян М.Н., Погосян И.С., Саэкян Л.В. Излучение от линейной границы при генерации разностной частоты. - ДАН Ары. ССР, 1985, т.81, 1,5 5, с.223-227.

29. Нерсисян М.Н., Погосян II.С. СВЧ - аналог лазера с полной синхронизацией продольных иод. - Тезисы докл. на У Международном симпозиуме "Сверхбыстрые процессы в спектроскопии". Вильнюс, 1987, с.551

30. Погосян П.С. Энергетический спектр черенковского излучения от сгустка электромагнитных волн. - ДАН Арм.ССР, 1988,

т.87, !й 2, с.75-78.

31. Нерсисян М.Н., Погосян II.С. Определение временных параметров пикосекундного лазера при помощи измерения спектральных характеристик черенковского излучения. - Тезисы докл. на

ХШ Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике. Минск, 1988, ч.1, с.204-205.

32. Нерсисян М.Н., Погосян П.С. Аналог лазера ультракоротких импульсов в рэдиодиэпэзоне частот. - письма в ИФ, 1988, т.14, вып.19, с.1776-1779.

Сдано в производство 16.10.1990г. Бум. 60x84 печ. 1,5 листа

Заказ 180

Тираж 100

Цех "Ротапринт" Ереванского госуниверситета. Ереван, ул. Мравяна № I.