Модовая и частотная селективность резонаторов волноводных Со2-лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РГ8 00

2 2 Н/\им5окЬвСКИИ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ПШИКОВ Мустахим Искиндирович

МОДОЕАЯ И ЧАСТОТНАЯ СЕЛЕКТШЮСТЬ РЕЗОНАТОРОВ ВОЛИОВОДННХ СО^ - ЛАЗЕРОВ

Лазерная физика - 01.04.21

Автореферат '

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

«

Москва 1993

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор Проценко Е. Д.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических

наук, зав. лабораторией Очкин Б. Е

кандидат технических наук, нач. лаборатории КолосовскиЛ О. А.

Ведущая организация - НИИ газоразрядных приборов г. Рязань

Защита состоится 21 апреля 1993 г. в 16. 00 час.

на заседании специализированного совета К053.03. 08 в Московском инженерно-физическом институте' по адресу: Москва, 115409, Каширское ыоссе, '31, тел. 324-84-96.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан " " 1993 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь .

специализированного совета ^-М;/ 0. Т. Корнилов

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для решения ряда практических задач (контроль загрязнений в атмосфере, оптическая связь, спектроскопический анализ сложных, малоизученных газообразных веществ и отдельных молекул, накачка лазеров дальнего инфраскрасного диапазона и др.) широкое применение получили перестраиваемые по частоте волноводные СО^-лазеры. В значительной мере это обусловлено способностью излучения проходить через чистую атмосферу и перекрытием, представляющих интерес молекулярных линий в диапазоне 9-12 мкм, высоким удельным знергосъемом, КПД, компактностью и жесткостью конструкции, большим диапазоном плавной (в пределах генерируемого перехода) перестройки, что выгодно отличает их от СОд_ лазеров низкого давления.

Предметом исследований в данной диссертации является изучение частотно-селективных свойств дисперсионных резонаторов вол-новодного типа. Под этими свойствами понимается зависимость потерь резонатора от частоты или длины волны излучения. Результаты исследований дают глубокое . понимание физики формирования поля излучения, позволяют решать проблемы, связанные, с увеличением диапазона перестройки, управлением лазерным автографом, получением и сохранением высокого качества поперечного распределения интенсивности излучения в жестких условиях эксплуатации лазеров. К началу работы такой подход в решении названных проблем носил частный характер, либо полностью отсутствовал.

Из известных конддогураций дисперсионных волноводных резонаторов .наиболее распространенной является конфигурация I, для которой характерно расположение зеркала и дифракционной решетки вблизи торцов волновода. Это определяется ограничением диапазона перестройки областью свободной спектральной дисперсии резонатора и как следствие необходимостью обеспечения минимальной разницы медду длиной резонатора и длиной разрядного промежутка. В ранних публикациях рассматривались в основном резонаторы с круглым поперечным сечением волновода. В настоящее время основные перспективы применения волноводных лазеров связаны с использованием высокочастотного (ВЧ) способа накачки активной среды. Наиболее эффективна ВЧ накачка в лазерах с пленарным волноводом или вол-

новодом прямоугольного сечения. Кроме того, изготовление таких волноводов технологически проще. В этой связи возникла необходимость исследования частотно-селективных свойств резонаторов- конфигурации I именно с такими волноводами.

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния параметров резонатора на структуру поперечного распределения интенсивности излучения волноводного С0г лазера с дифракционной решеткой; исследование частотно-селективных свойств резонаторов конфигурации I с планарным волноводом квадратного сечения; исследование критичности волноводного СС^ лазера к разъ-юстировке; изучение возможности , использования селективных свойств волноводного резонатора для управления лазерным автографом.

Научная новизна работы.

1. Исследовано влияние геометрических параметров волноводного резонатора на структуру поперечного распределения интенсивности излучения лазера. Определены условия минимальной чувствительности волноводного резонатора к разъюстирэвке.

2. В рамках восьмимодового рассмотрения проведен расчет селективных потерь резонатора с волноводом планарной геометрии и дифракционной решеткой. ,

3. Изучены способы обеспечения надежной селекции рабочих переходов волноводного СО^лазера, основанные на результатах расчета селективных потерь резонатора.

4. Экспериментально определены селективные свойства резонаторов волноводного СО^лазера с дифракционной решеткой и квадратной геометрией поперечного сечения волновода.

5. Разработаны перестраиваемые по частоте водноводные С0г лазеры, сочетающе в себе широкий диапазон плавной перестройки, а в ряде конструкций и высокий уровень выходной мощности.

6. Обнаружен и объяснен эффект нарушения порядка следования переходов с малым значением вращательного квантового числа при изменении угла наклона дифракционной решетки.

Практическая ценность. Результаты.проведенных'исследований позволяют надлежащим образом подходить к разработке и создания) волноводных 00^ лазеров. Разработаны и созданы компактные, автономные Еолноводнке СО лазеры с управляемым лазерным автогра-

фом. Результаты работы были использованы при создании измерителя концентраций аммиака в выбросах ТЭС, внедренного на промышленном предприятии.

' Вклад автора. Изложенные в работе результаты получены автором лично или в соавторстве при его непосредственном участии.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 5-й Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (г.Ленинград, 1988 г.), на 2-й Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров" (г.Харьков, 1990 г.), на 16-й Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам (г.Лозанна, Швейцария, 1991 г.), на семинарах МИФИ, Физического института им. П. Н. Лебедева РАЕ

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 106 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок и список использованной литературы из 71 наименования.

Защищаемые положения: -

1. Результаты исследования частотно-селективных потерь вол-новодных лазеров с волноводом квадратного поперечного сечения 1ри больших расстояниях волновод-плоское зеркало.

2. Результаты экспериментального исследования влияния разъ-остировки зеркала на структуру поперечного распределения интенсивности излучения волноводного СО^ лазера при различной геометрии резонатора и их теоретическое обоснование.

3. Способы управления автографом волноводного СО лазера с дифракционной решеткой.

4. Экспериментально обнаружен и обоснован эффект нарушения юрядка следования рабочих переходов в волноводном СОА лазере с <алым значением вращательного квантового числа J при изменении ггла наклона дифракционной решетки.

. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В диссертации обоснована актуальность темы, сформулирована [ель и приведены основные результаты работы. В работе изложена

методика расчета селективных потерь. Мода волноводного резонатора является суперпозицией мод волновода. Строгий анализ частотно -селективных свойств предполагал многомодовое приближение. В работе обоснован расчет, проведенный в рамках восьмимодового приближения. При определении частотно-селективных свойств волноводного резонатора с дифракционной решеткой использовалась общепринятая физическая модель, согласно которой дифракционная решетка в отношении потерь эквивалентна плоскому зеркалу, наклоненному на некоторый угол, определяемый дисперсией решетки и частотой лазерного излучения. В расчете рассматривался резонатор с пла-нарным волноводом. В этом случае мода резонатора разлагалась по модам планарного волновода ТМ . При анализе использовались обоб-

т

щенные масштабы позволившие расширить область применимости результатов для резонаторов с различными геометрическими параметрами.

Отличительной чертой резонатора волноводного лазера является наличие помимо двух отражателей дополнительного элемента - полого диэлектрического волновода, оказывающего . существенное влияние на структуру мод резонатора и их потерь.

В работе исследована модовая селективность волноводных резонаторов с зеркалами, расположенными перпендикулярно оптической оси. В случае, когда зеркала расположены вплотную к торцам волновода, моды резонатора полностью совпадают с модами волновода, а их потери определяются только потерями на прохождение излучения по волноеоду', так как в этом случае перераспределение энергии мезду модами не происходит. Имеет место монотонный рост потерь по мере увеличения значения . приведенной длины волновода, обусловленный увеличением потерь на прохождение излучения по волноводу. Зависимость потерь. резонаторных мод для с1. =[0 ( сЬ -расстояние волновод-зеркало, 1=1,2) имеют характерный для много-модового рассмотрения вид с экстремумами, положение которых определяется фазовым соотношением для мод волновода к, где к=1,2,... . Физически явление резкого изменения потерь при Д^-2&к обусловлено эффективным перераспределением энергии между соответствующими модами волновода, выражающимся б увеличении вклада моды ТМ^ т>0) в моду Тм£. По мере увеличения расстояния волновод-зеркало участки аномального изменения потерь наблюдаются

б

сначала при значениях го-1, а затем и при т>1, точнее при т=2р (р - целое число), т.е. имеет место перераспределение энергии не только между соседними модами волновода. Малые значения с!с

<о,1 , где Л - длина волны излучения, 2а - поперечный размер волновода) характерны тем, что разность потерь резонатор-ных мод тм' и тм' определяется в основном степенью дискриминации мод волновода и эффективностью их согласования. Увеличение расстояния волновод-зеркало должно приводить с одной стороны к возрастанию степени селекции высших мод волновода и, следовательно резонатора, а с другой стороны, к увеличению обмена энергией между модами волновода и, при определенных фазовых соотношениях к снижению степени селекции высших резонаторных мод. Полученные результаты расчета позволили определить параметры волноводного резонатора с удаленным плоским зеркалом и малыми неселективными потерями. Параметры такого резонатора должны удовлетворять условиям:

где Ь - длина волновода. Возможно одновременное выполнение этих условий, что является немаловажным при создании перестраиваемых волноводных лазеров.

Изучено влияние оптических характеристик волновода на величину потерь резонаторных мод. В волноводе с большим уровнем потерь, а следовательно с большей степенью дискриминации мод волновода полного сближения потерь мод резонатора в областях взаимодействия не происходит, а наблюдается лишь тенденция к этому.

Проведены экспериментальные и теоретические исследования влияния параметров резонатора на структуру пространственного распределения интенсивности излучения волноводных С02. лазеров с волноводами тех же геометрий. Результаты расчета показывают, что при значениях <0. 5 ( 2 - расстояние от плоскости наблюдения до источник^! излучения) форма зависимости I ( ), где к= 2 Ц

г

практически не изменяется при увеличении г. Получены особенности пространственного распределения интенсивности излучения мод пла-нарного волновода (¿¿-о), связанные, во-первых, с наличием провала в центральной части зависимости К^^ ) для моды ТМ0 (ТЕ0.) в ближней зоне, во-вторых, трансформацией трех- и четырехлепестко-вой диаграммы ближнего поля мод ТМ2 (ТЕ 2 ) и ТМ 3 (ТЕ 3 ) в практически двухлепестковую диаграмму в дальней зоне. Результаты расчета позволили определить расходимость излучения различных волно-водных мод. .

Показано, что при значениях -¿¿¡г . соответствующих

аномальным областям зависимости потерь резонатора, поперечное рас пределение поля основной резонаторной моды отличается от структу! поля моды ТЫ0 . Это приводит к увеличению расходимости лазерной излучения. Проанализирована трансформация структуры поля основно* моды резонатора при его разъюстировке. По мере отстройки зеркала от нормального положения доля высших полноводных мод в основной резонаторной моде будет возрастать, а доля моды ТМр уменьшаться. Показано," что при происходит существенное изменение структуры поля моды ТМ£ . В этом случае волноводный резонатор наиболее критичен к разъюстировке. С увеличением расстояния волновод-зеркало вклад высших волноводных мод возрастает, а доля моды ТЫ 0 уменьшается. Наиболее эффективно этот процесс происходит ПРИ Кт=2п,с-

Таким образом, удаление зеркала от волновода должно приводить к увеличению расходимости излучения. При значительном же уд; лении зеркала ( >0,3 ) при значениях возможно вы-

равнивание потерь резонаторных мод и ТМ£ и, следовательно, видоизменение структуры поля осноеной моды резонатора. Изменение оптических характеристик материала стенок волновода модат привести как к исчезновению этого эффекта, так и к проявлению его при других значениях ¡з)3 . Полученные экспериментальные данные находятся в качественном соответствии с результатами расчета.

Рассмотрены частотно-селективные свойства резонатора только для основной резонаторной моды Тм£ , так гак именно такие свойства представляют наибольший практический интерес. В рачках мно-гомодового приближения показано, что частотно-селективные потери волноводного резонатора представляют 'сложную функцию его пара-

метров. Анализ полученных результатов показывает существенное различие скоростей нарастания потерь разонатора с увеличением угла наклона плоского зеркала (моделирующего дифракционную решетку) при многомодовом и одномодовом рассмотрениях. По сравнению с одномодовым в многомодовом представлении наблюдается понижение частотной селективности резонатора в широком диапазоне значений , связанное с "перекачкой" энергии высших волноводных мод в основную резонаторную моду. Однако при ДД2-^ происходит эффективное "подмешивание" высших волю водных мод в ыоду ты£

р а

которое приводит к увеличению потерь моды ТМ в силу возрастания

9

в ней доли мод с большими потерями. Последнее в свою очередь связано со своеобразием структуры мод планарного волновода и их комбинации при синфазном взаимодействии. Значительное увеличение с!; (приводит к заметному улучшению частотной селективности резонатора при сочетании его параметров, удовлетворяющих условию и соответствующих минимуму неселективных. потерь

основной резонаторной моды, Следует отметить, что области высокой частотной селекции совпадают с областями -наибольшей критичности резонатора к разъюстировке.

Сравнение результатов исследований частотно-селективных свойств резонатора с планарным волноводом и волноводом квадратного поперечного сечения показывает их близкое сходство. Сравнение также показывает, что частотно-селективные свойства резонаторов с планарным волноводом и волноводом квадратного поперечного сечения хуле свойств резонатора с цилиндрическим волноводом. Это связано с различием модового состава названных волноводов.

Результаты расчета и проведенные экспериментальные исследования показали возможность оптимизации и регулирования частотно-селектиЕНЫх свойств волноводных резонаторов с дифракционной решеткой. Первая из них связана с выбором резонатора с заранее определенным значением^при минимальном расстоянии волновод-зеркало. Это позволило разработать и создать волноводный С02 лазер с диапазоном плавной перестройки частоты на переходе ЮР (20)

д^ =1200 УГц. Следует подчеркнуть, что аналогичный результат-бил получен и в более ранней работе при использовании дифракционной решетки с более высокой ( ~ эффективностью в первом

порядке дифракции, но без учета специфики селективных свойств "волноводного резонатора.

Вторая возможность обеспечения режима "жесткой" селекции выделяемого перехода в волноеодном лазере связана с увеличением расстояния волновод-зеркало при заданном . В результате был разработан и создан волноводный С02 лазер с диапазоном, перестройки ~ 750 МГц на 10 переходах ЮР-ветви и 7 переходах 10И-ветви, причем для настройки на тот или иной переход было достаточным лишь изменить угол наклона решетки без дополнительной юстировки зеркала.

Продемонстрирована возможность создания перестраиваемого волноводного С02 лазера, сочетающего в себе широкий уровень выходной мощности и широкий диапазон перестройки частоты излучения. Параметры лазера подбирались таким образом,, чтобы значение находилось в области высокой селективности резонатора конфигурации I. Максимальный уровень выходной мощности на центре .линии, при которой.перестройка частоты излучения реализовывалась в пределах всего межмодового расстояния = 405 МГц, сос-

тавил 3,8 Вт на переходе ЮР (20). При этом уровень выходной мощности на границе диапазона достигал 2,2 Вт. Последнее , значение могло быть увеличено до уровня 2,7 Вт при другом наполнении лазера или использовании дифракционной решетки с большим значением эффективности в первом порядке дифракции, но тогда уровень мощности на центре перехода уменьшался до 3,5 Вт. .Максимальный уровень ' выходной мощности на переходе ЮР (20) в лазере с дифракционной решеткой мог быть увеличен как для данной решетки при изменении давления рабочей смеси в сторону увеличения коэффициента усиления в лазере, так и при использовании решетки с большей эффективностью. В последнем случае выходная мощность составила 6 Вт. Однако диапазон перестройки частоты при этом не превышал 200 МГц, что заметно меньше, чем межмодовое расстояние резонатора. Последнее объясняется тем, что при увеличении превышения усиления над потерями конкурирующее влияние начинает оказывать генерация на других колебательно-вращательных переходах и других модах. Таким образом, если не рассматривать переход к более сложным системам селекции, то представляется целесообразным

изменение поперечных размеров волновода с целью получения в лазере более "жесткого" режима селекции рабочих переходов.

Экспериментальные исследования показали, что при генерации волноводного С02 лазера на переходах с малым значением вращательного квантового числа J наблюдается нарушение порядка их следования при изменении угла наклона дифракционной.решетки к оси резонатора. Суть наблюдаемого эффекта в случае генерации лазера в Р-ветви полосы 00 1 - ю'о заключается в следующем. По мере уменьшения угла наклона дифракционной решетки к оси резонатора в зависимости выходной мощности от длины резонатора поочередно исчезают переходы с большим значением J и возникают переходы с меньшими значениями Причем распределение интенсивности излучения в д&цьней зоне Цх) на каждом из переходов либо гауссово, либо близко к гауесовому. После исчезновения генерации на переходе Р(б) при дальнейшем уменьшении угла наклона следовало бы ожидать возникновения генерации на переходе Р(4) или же на переходах ветви. Однако этого не происходит, а возникает генерация на переходе РС12} с поперечной структурой, кардинально отличающейся от гауссовой. Нарушение порядка следования переходов обусловлено особенностями функции частотно-селективных потерь резонатора для лазера с дифракционной решеткой. Следует также отметить, что рассчитанное поперечное распределение интенсивности излучения для этого перехода совпадает с наблюдаемым экспериментально.

Возможность управления автографом перестраиваемого волноводного С02 лазера позволяет простым образом получать требуемый режим работы лазера. Результаты исследования селективных свойств волноводного резонатора с дифракционной решеткой были применены в процессе создания перестраиваемого по частоте С0г лазера с БЧ накачкой, работающего в режиме периодического переключения длин волн генерации кевду двумя соседними переходами 10!? (18) и 10И (16). Известно, что излучение лазера на переходе 101?(1б) нет. На основании вышеизложенного был разработан измеритель концентрации аммиака в выбросах ТЭС функционирующий'по методу дифференциального поглощения. Следует также отметить, что выбор рабочих переходов 10Н(18) и 10К(1б) осуществлен с целью устранения интерференции по отношению к другим "мешающим" газам.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ влияния геометрических параметров водно-водного резонатора на структуру поперечного распределения интенсивности излучения лазера. Показано, что при определенных их значениях имеет место усиление взаимодействия мод волновода, которое может привести к увеличению расходимости излучения. Исследована трансформация поперечной структуры поля основной моды резонатора при изменении угла наклона одного из зеркал. Определены условия минимальной чувствительности резонатора к разъ-юстировке. Совпадение экспериментальных результатов с расчетными данными показывает корректность численного решения задачи. В рамках восьмимодового рассмотрения' проведен расчет селективных потерь резонатора с волноводом планарной геометрии и дифракционной решеткой.

2. На основании результатов расчета селективных потерь волноводного резонатора рассмотрены два способа обеспечения надежной селекции рабочего перехода лазера: 1) за счет увеличения расстояния волновод-зеркало при заданном значении приведенной длины волновода Ак ; 2) за счет выбора резонатора с заранее определенным значением Лк. при минимальном расстоянии волновод' зеркало. ' . а

3. Экспериментально определены селективные свойства резонаторов волноводногй СО^' лазера с дифракционной решеткой и квадратной геометрией поперечного сечения волновода. Показано сходство селективных свойств резонаторов с планарной и квадратной геометриями волновода.

4. Продемонстрирована возможность управления селективностью волноводного резонатора путем подбора соответствующим образом

' его параметров. Это позволило разработать и сконструировать перестраиваемые по частоте волноводные СО^ лазеры, сочетающие в себе широкий диапазон плавной перестройки, а в ряде конструкций и высокий уровень выходной мощности. Регулирование частотно-селективных свойств позволяет простым образом получить требуемый вид лазерного автографа.

5. Обнаружен и объяснен эффект нарушения порядка следования переходов с малым значением вращательного числа J при изменении

угла наклона дифракционной решетки, сопровождающийся изменением структуры поперечного распределения. Этот эффект связан с особенностями функции частотно-селективных потерь волноводного резонатора.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Корнилов С. Т., Пшиков М. И., Чириков С. а Волноводные СО, лазеры с высоким уровнем выходной мощности и широким диапазоном перестройки частоты. - Тезисы докладов 5-й Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1987, с. 71.

2. Корнилов С. Т. , Пшиков М. JL , Чириков С. Н. Волноводный С0Д лазер с селективным резонатором и высоким уровнем выходной мощности в пределах диапазона перестройки частоты излучения. В кн. Газовые лазеры для измерительных систем (под. ред. Е. Л. Проценко), М. , Энергоиздат, 1990, с. 53-62.

3. Корнилов С. Т.', Проценко Е. Д. , Пшиков МИ., Чириков С. IL Структура поперечного распределения интенсивности излучения волноводного газового лазера. - Препринт МИФИ, М. , 1989, N-61, 20с.

4. Chirikov S. N. , Kornilov S. Г. , Protsenko E. D. , Pschikov M. I. Formation details of a waveguide gas-laser intensity distribution. - Infrared Phys. , 1990, V. 30, No. 6, pp. 455-464.

5. Корнилов С. Т. , Пшиков М. IL , Чириков С. Н. Управление селективностью резонатора перестраиваемого волноводного СО^лазера. - Тезисы докладов 2 -й Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров.", Харьков, 1990, с. 38-39. '

6. Корнилов С. Т. , Проценко Е. Д. , Пшиков М. И. , Чириков С. Е Нарушение порядка следования рабочих переходов в волноводном С0Д лазере с селективным резонатором. - Квантовая электроника, 1990, Т. 17, N-7. с. 854-865.

7. Chirikov S. N., Korni lov S. Т. , Protsenko E. D. , Pschikov M. I. Frequency-selective properties of waveguide CQ2 laser with distant plane mirror. - 16 th. Int. conf. on Infrared and millimeter waves, Lausanne, Switzland, 1991, report w. 3.6, pp. 323-324.