Нелинейные оптические свойства активной среды импульсных электроионизационных СО2 и СО лазеров при внутрирезонаторном обращении волнового фронта тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени П.Н. ЛЕБЕДЕВА

на правах рукописи

РГо ШГ

- - '"ч Г

КОТКОВ Андрей Александрович

НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АКТИВНОЙ СРЕДЫ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННЫХ С02 и СО ЛАЗЕРОВ ПРИ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОМ ОБРАЩЕНИИ ВОЛНОВОГО ФРОНТА

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Физическом Институте им. П.Н Лебедева РАН

Научный руководитель доктор физико-математических наук А.А. Ионин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В.А. Гурашвшш доктор технических наук В.В. Морозов

Ведущая организация: Институт проблем лазерных и информационных технологий Российской Академии наук (ИПЛИТ РАН, г. Шатура, Моск. обл.)

Защита диссертации состоится "33" ехТЭ&ь 2000 г. в 6 ^ час на заседании Специализированного Ученого Совета К.002.39.01 в Физическом Институте им. П.Н Лебедева РАН

Адрес: 117924, Москва, Ленинский проспект, 53, Физический Институт им. П.Н. Лебедева РАН, ученому секретарю Специализированного Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического Института им. П.Н Лебедева РАН по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан"_" ____2000 г.

Ученый секретарь Специализированного Ученого Совета, кандидат физико-математических наук

В.А. Чуенков

Современные электроионизационные (ЭИ) СОг и СО лазеры, действующие в импульсно-периодическом режиме генерации излучения, обладают высокой средней мощностью излучения. Наряду с этим существуют и разрабатываются мощные лазерные системы, действующие по схеме «задающий генератор - усилитель». Высокий лазерный энергосъем в активной среде таких лазерных систем сопровождается возникновением оптических неоднородностей, которые приводят к изменению (искажению) диаграммы направленности лазерного пучка. Возможность улучшения направленности лазерного излучения связана с применением нелинейного оптического эффекта обращения волнового фронта (ОВФ). В значительной мере интерес к этому эффекту обусловлен свойством ОВФ сигнала восстанавливать структуру волны при обратном проходе по той же оптически неоднородной среде и, тем самым, осуществлять самокомпенсащда фазовых искажений [1,2].

В среднем ЙК диапазоне спектра, в котором действуют СОг и СО лазеры, наибольшее развитие получил метод ОВФ, основанный на вырожденном чегырехволновом смешении (ВЧВС). Дчя реализации схемы ВЧВС используются разнообразные типы нелинейности и нелинейные среды: полупроводники, жидкости и поглощающие газы. Вместе с тем, сами лазерные среды обладают сильно выраженными нелинейными свойствами. В резонансно усиливающей среде вклад в ОВФ-отражение при ВЧВС вносят как фазовые решетки показателя преломления, так и амплитудные решетки коэффициента усиления. Формирование этих решеток неразрывно связано с процессами, происходящими в нелинейной среде под действием вариаций интенсивности излучения. В зависимости от типа лазерной среды и условий генерации излучения, механизмы, определяющие оптическую нелинейность среды, могут быть различными. В одних случаях основную роль играет резонансный механизм, обусловленный нелинейностью коэффициента усиления. В других случаях определяющим является тепловой механизм, при котором вариации показателя преломления связаны с изменением плотности среды в результате светоиндуцированного тепловыделения.

При ВЧВС излучения мощных лазеров, генерирующих длинные импульсы лазерного излучения ?\гг) таких, как Эй СО2 и СО лазеры, выбор нелинейной среды для ОВФ зеркала существенно ограничивается из-за высокой тепловой нагрузки. Поэтому при создании мощных лазерных систем особый интерес вызывает возможность применения собственной среды лазера в качестве нелинейного элемента ОВФ зеркала. При этом с практической точки зрения представляется удобным использовать задающий генератор и как источник излучения, и как ОВФ зеркало, позволяющее компенсировать искажения в усилительном тракте лазерной системы. Значительный интерес, проявляющийся в последнее время, к таким усилительным лазерным системам [3 - 9] обусловливает актуальность темы всследовання нелинейных оптических свойств активной среды СО2 и СО лазеров, поскольку именно эти свойства определяют временные и энергетические характеристики ОВФ-этражеяия при внутрирезонаторном ВЧВС.

При ВЧВС в собственной среде лазера три исходные волны порождают в нелинейной среде четвертую волну - ОВФ сигнал (Рис. 1). При этом пробная волна кз направляется в лазерную среду под углом 9 к встречным опорным волнам к\ и кг. Под действием интерференционной картины поля »сходных волн в нелинейной среде образуются пространственные вариации (решетки) диэлектрической проницаемости. Рассеяние эпорных волн на этих объемных решетках приводит к формированию ОВФ сигнала

Рве. 1. Схема внугрирезонагорного ОВФ при

вырожденном чегырехволновом смешении.

Впервые эффект ОВФ при внутрирезонаторном ВЧВС в среде СОг лазера, генер1фующего короткие импульсы излучения глю~Ю'7 с < тут, наблюдался в работал [10,11]. В качестве механизма нелинейности лазерной среды в этих работах предлагалось рассматривать только резонансный механизм формирования ОВФ сигнала на решетках насыщенного коэффициента усиления [12]. Теоретическая модель этого механизма нелинейности в приложении к активной среде СОг лазера получила дальнейшее развитие в работах [13,14]. В среде ЭИ С02 лазера с длинным импульсом излучения гям~10"5с возможность реализации внутрирезонаторного ОВФ была экспериментально продемонстрирована в работах [3 - 6]. При этом было предложено учитывать только фазовые решетки показателя преломления, возникающие из-за тепловой нелинейности лазерной среды [15 - 17].

Внерезонаторное ОВФ-отражение многочастотного излучения СО лазера в среде ЭИ СС лазерного усилителя наблюдалось в работе [7]. Оптическая схема экспериментов, которая применялась в этой работе, относится к схемам ВЧВС с петлей обратной связи. Вслед зг этими экспериментами встал вопрос о возможности применения собственной среды СС лазера в качестве нелинейного элемента ОВФ зеркала в схеме внутрирезонаторного ВЧВС Однако эксперименты по исследованию такого внутрирезонаторного ОВФ в среде СО лазерг ранее не проводились. Кинетические процессы в среде СО лазера существенно отличаюта от процессов, происходящих в среде СОг лазера. В частности, генерация излучения СС лазера происходит в условиях частичной инверсной населенности в многоуровневой систем» молекулы СО с возможностью каскадных лазерных переходов. В работах [18, 19 высказывалось предположение о том, что при ВЧВС в среде СО лазера основную роль игра» резонансная нелинейность. При этом указывалось на сложность анализа кинетически? процессов в среде СО лазера, происходящих при ВЧВС многочастотного излучения.

Таким образом, к моменту публикации первых результатов нашего исследования [1* была продемонстрирована возможность ОВФ-отражения при внутрирезонаторном ВЧВС 1 активной среде ЭИ СО2 лазера и в условиях внерезонаторного ВЧВС в среде ЭИ СО лазера В теории были предложены разнообразные (аналитические и численные) модели механизме: оптической нелинейности. При этом было теоретически показано, что формирование ОВЗ сигнала при внутрирезонаторном ВЧВС неразрывно связано с неравновесным кинетическими процессами, происходящими в активной среде. Для развития теорш оптической нелинейности активной среды СОг и СО лазеров потребовалось провесп сопоставление расчетных данных с результатами экспериментов по исследованию свойсп внутрирезонаторного ОВФ. Нужно было, прежде всего, понять каким образом и на какго временных масштабах различные (резонансный и тепловой) механизмы оптическо! нелинейности оказывают влияние на формирования ОВФ сигнала. Следовало выяснить каюл нелинейные оптические свойства активной среда С02 и СО лазеров проявляются пр! внутрирезонаторном ОВФ в его временных и энергетических характеристиках, сведения < которых также необходимы для практического применения внутрирезонаторного ВЧВС Однако, эксперименты, в которых исследовались бы эти нелинейные свойства, ранее в проводились. В настоящей работе представлены результаты экспериментальноп исследования нелинейных оптических свойств активной среды ЭИ СО2 и СО лазеров в основе анализа временных и энергетических характеристик внутрирезонаторного ОВФ.

Цель диссертапионной работы заключается в том, чтобы исследовать каким образо« пространственные решетки коэффициента усиления и показателя преломленш образующиеся в активной среде ЭИ СОг и СО лазеров под действием резонансного ] теплового механизмов нелинейности при внутрирезонаторном ВЧВС, влияют н формирование ОВФ сигнала и какие нелинейные оптические свойства активной среды эти лазеров проявляются во временных и энергетических характеристиках ОВФ-отражения.

В результате этого исследования были решены следующие задачи.

. Проведенные эксперименты показали, каким образом параметры активной среды ЭИ СОг шзера (энерговклад, давление и состав лазерной смеси) и лазерного излучения спектральный состав и интенсивность опорных волн) оказывают влияние на временные и 1нергетические характеристики ОВФ-отражения и, соответственно, какие свойства »езонансной и тепловой нелинейности проявляются при внутрирезонаторном ВЧВС в среде ЭИ СО2 лазера.

!. Анализ экспериментальных данных показал, что в активной среде ЭИ СОг лазера именно >езонансная нелинейность определяет временную динамику переднего фронта импульса ЗВФ сигнала, а формирование ОВФ сигнала в средней части и в конце импульса лазерного {злучения происходит преимущественно на тепловой нелинейности. В среде ЭИ СО лазера [юрмирование ОВФ сигнала обусловлено проявлением только резонансной нелинейности на 1ротяжении всего импульса ихтучения.

!. Экспериментальное исследование нелинейных оптических свойств среды ЭИ СО лазера гродемонстрировало, что при внутрирезонаторном ВЧВС в собственной среде СО лазера цюисходит уменьшение эффективности ОВФ-отражения на порядок величины в режиме ■енерации многочастотного излучения яо сравнению с режимом генерации одночастотного 1азерного излучения в результате взаимного ослабления решеток усиления при резонансной ¡елинейности.

Эксперименты проводились автором на импульсной ЭИ лазерной установке в тборатории Газовых лазеров Отделения Квантовой Радиофизики (ОКРФ) Физического Института им. П.Н. Лебедева Российской Академии наук (ФНАН). Численные расчеты «стационарного ОВФ-отражения при ВЧВС в активной среде СОг лазера с учетом условий жспериментов были проведены к.ф.-м.н. М.Г. Галушкиным (ИПЛИТ РАН, г. Шатура, Уг1оск. обл.) и к.ф.-м.н. К.В. Митиным (ГУЛ "НПО Астрофизика", Москва) в рамках ¡овместного экспериментально-теоретического исследования свойств внутрирезонаторного ЗЧВС в среде ЭИ СО2 лазера. Расчеты на основе нестационарной кинетической модели наивной среды СО лазера с учетом экспериментальных условий были проведены в ГРИНИТИ (г.Троицк, Моск. обл.) проф. А.П. Напартовичем и к.ф.-м.н. А.К. Курносовым в замках совместного экспериментально-теоретического исследования внутрирезонаторного ЗЧВС в среде ЭИ СО лазера.

Научиая новизна диссертационной работы заключается в следующем. I. Разработан и экспериментально апробирован метод исследования нелинейных штических свойств активной среды СО: и СО лазеров, основанный на регистрации и анализе зременной динамики формирования ОВФ сигнала при внутрирезонаторном ВЧВС в ¡обствеиной активной среде этих лазеров.

I. Показано, что при уменьшении давления активной среды ЭИ СОг лазера, генерирующего шшшые импульсы излучения, наряду с тепловой нелинейностью все более значительную золь играет резонансная нелинейность, которая определяет временное поведение ОВФ :игнала на переднем фронте импульса излучения при внутрирезонаторном ВЧВС в среде ЭИ ЗО2 лазера.

5. Продемонстрировано, что время жизни тепловых решеток при внутрирезонаторном ЗЧВС в активной среде ЭИ СО2 лазера, генерирующего длинные импульсы излучения, 1'меныпается при увеличении интенсивности лазерного излучения, т.е. помимо теплопроводности в лазерной среде проявляются процессы, приводящие к увеличению жорости релаксации тепловых решеток.

Впервые экспериментально исследованы временные и энергетические характеристики внутрирезонаторного ВЧВС в активной среде ЭИ СО лазера. Результаты этого исследования продемонстрировали, что нелинейные оптические свойства активной среды СО лазера эпределяются в основном резонансным механизмом нелинейности.

5. Временная динамика импульсов излучения при внутрирезонаторном ВЧВС в активной среде ЭИ ССЬ и СО лазеров впервые исследована с наносекундным временным разрешением на протяжении более двух десятков микросекунд. Результаты этого исследования указывают на высокую скорость образования решеток усиления при ВЧВС в этих лазерных средах.

В диссертационной работе автор защищает следующие положения:

1. Экспериментально показано, что формирование ОВФ сигнала в активной среде импульсного электроионизационного СОг лазера при внутрирезонаторном ОВФ обусловлено двумя механизмами оптической нелинейности. Амплитудный резонансный механизм нелинейности, который связан с насыщением усиления, определяет время нарастания огибающей ОВФ сигнала ¿ 10'7 с. Фазовый тепловой механизм нелинейности, связанный со светоиндуцированным тепловыделением в лазерной среде, определяет формирование ОВФ сигнала на временных интервалах ^ 10"5 с.

2. Энергетические характеристики внутрнрезонаторного ОВФ в активной среде импульсного электроионизационного COj лазера (тген~ 10+30 мкс) обусловлены в основном свойствами теплового механизма нелинейности и наиболее значительное влияние на эффективность ОВФ-отражения по энергии оказывают удельный энерговклад и давление рабочей смеси газа.

3. Формирование ОВФ сигнала при внутрирезонаторном ВЧВС в активной среде импульсного электроионизационного СО лазера в течение импульса излучения (тген ¿500 мкс) обусловлено проявлением амплитудного резонансного механизма нелинейности с временем нарастания огибающей ОВФ сигнала % 10"7 с.

4. Эффективность внутрнрезонаторного ОВФ-отражения по энергии составляет ~ 0.2% в активной среде СО лазера при генерации излучения на 10-30 спектральных линиях и возрастает до 2% при генерации излучения на одной выделенной спектральной линии.

Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что результаты экспериментального исследования временных и энергетических характеристик ОВФ-отражения при внутрирезонаторном ВЧВС в активной среде ЭИ СО2 и СО лазеров Moiyr быть применены при создании и оптимизации параметров мощных лазерных систем, использующихся для доставки лазерного излучения на большие расстояния. Кроме того, это исследование также показало, что метод внутрирезонаторного ВЧВС может быть применен для исследования нелинейных оптических свойств активной среды СО2 и СО лазеров.

Апробапня результатов работы. Материалы, включенные в диссертацию, обсуждались на семинарах ФИАН и докладывались на следующих Международных конференциях:

• V Int Symp. High Power Lasers and Laser Applications. 1994, Vienna, Austria.

• X Int. Symp. Gas Flow and Chem. Lasers. 1994, Fridrichshafen, Germany.

• XV Int. Conf. Coherent and Nonlinear Optics. (КиНО'95). 1995, Санкт-Петербург, Россия.

• Int. Conf. LASERS'95. 1995, Charíestone, SC, USA.

• Int. Conf. Photonics West'96 and OE/LASE'96. Gas and Chem. Lasers Conf., 1996, San Jose, CA USA.

• XI Int Symp. Gas Flow and Chem. Lasers and High Power Laseis Int Conf., 1996, Edinburgh, UK.

• Int. Conf. CLEO/Europe"96.1996, Hamburg, Germany.

• Int. Conf. LASERS'96.1996, Portland, OR, USA.

• fat. Conf. Photonics "West'97.1997, San Jose, CA, USA.

• Int Conf. LASERS'97.1997, New Orleans, USA.

• Int. Conf. Photonics West'98. Gas and Chem. Lasers and Intense Beam Applications. 1998, San Jose, USA.

• Int. Conf. High Power Laser Ablation. 1998, Santa-Fe, NM, USA

• XVI Int Conf. Coherent and Nonlinear Optics. (КиНО'98) 1998, Москва, Россия.

• fat Conf. CLEO/Europe-EQEC'98.1998, Glasgow, UK.

Публикапии. По теме диссертации опубликовано 7 статей в отечественных и зарубежных журналах, 7 работ в трудах международных конференций.

Вклад автора. Все результаты экспериментального исследования, представленные в зиссертационной работе, получены автором лично или в соавторстве при его «посредственном участии.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из Введения, четырех глав, Заключения, списка литературы и Приложения. Общий объем работы - 132 страниц, 52 рисунка, 1 таблица, библиография - 84 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дается представление об эффекте внутрирезонаторяого ОВФ на основе ЗЧВС в лазерной среде, кратко описываются механизмы резонансной и тепловой гелинейности лазерной среды, представлено обоснование актуальности темы исследования, приводится краткий обзор работ по ОВФ в активных средах СО: и СО лазеров, :формулированы цель работы и положения, выносимые на защиту, дается краткая аннотация полученных результатов.

В Главе 1. которая носит обзорный характер, обсуждаются теоретические модели, которые применяются для описания метода ВЧВС, механизмов нелинейности, а также ддя расчета характеристик ОВФ сигнала в нестационарной кинетической модели среды СОг и СО лазеров. В первом разделе главы на основе аналитической модели рассматриваются наиболее эбщие свойства схемы ВЧВС. При этом обсуждаются те свойства, которые непосредственно ■1е зависят от того в какой конкретно нелинейной среде реализована схема ВЧВС. В 1астности в этом разделе рассматривается влияние таких экспериментальных параметров как иаимная ориентация плоскостей поляризации исходных волн, усиление (или поглощение) излучения, ограничение поперечного размера и степень когерентности взаимодействующих тазерных пучков, а также длина области перекрытия пучков в среде. В последнем разделе главы приводится краткий обзор результатов теоретических и экспериментальных работ по исследованию метода ВЧВС в среде СОг и СО лазеров.

В этой же главе представлены результаты численных экспериментов, выполненных в замках экспериментально-теоретического исследования нелинейных оптических свойств активной среды импульсного ЭИ С02 лазера [1*-3*]. При проведении этих численных экспериментов наша цель заключалась в том, чтобы выявить характерные черты временной цвнамики формирования ОВФ сигнала на резонансной и тепловой нелинейностях. С этой целью были проведены расчеты временной динамики образования решеток насыщенного коэффициента усиления и тепловых решеток показателя преломления в предположении ¡тупенчатой формы импульсов энерговклада и интенсивности излучения трех исходных волн [на входе в лазерную среду). Расчеты были выполнены на основе нестационарной модели ВЧВС, включающей систему уравнений для связанных волн и систему материальных уравнений, описывающих временную динамику среднего числа колебательных квантов в четырехтсмпературной кинетической модели активной среды СОг лазера (с учетом и без ^чета температурной зависимости кинетических констант). В качестве варьируемых параметров при численном эксперименте использовались: интенсивность излучения, цавление и состав лазерной смеси, а также время задержки Гид начала импульса излучения этносительно начала импульса энерговклада.

При ВЧВС на резонансной нелинейности эти расчеты показали, что, в отсутствие а ременной задержки (гзад = 0), амплитуда решетки коэффициента усиления в активной среде плавно выходит на стационарный уровень за характерное время ~[1/гв+1/гз']'', где T[)='(Dq2)~1 - время замывания решетки усиления из-за диффузии колебательно возбужденных молекул С02, £>- коэффициент диффузии, д - волновой вектор решетки, ъ'=тз(1+1/1я)'1 - эффективное время релаксации верхнего лазерного уровня [антисимметричной колебательной моды) молекулы СОг в присутствии излучения, ///я -интенсивность излучения исходных волн по отношению к интенсивности насыщения /„ в пазерной среде. Однако излучение при внутрирезонаторном ОВФ появляется в среде с

некоторой задержкой г^д > 0, которая необходима после начала импульса энерговклада для нарастания в активной среде коэффициента усиления выше его порогового значения внутри лазерного резонатора. В численном эксперименте при введении Гмд> О наблюдался характерный всплеск интенсивности ОВФ сигнала, связанный с высокой скоростью насыщения лазерного перехода. В зависимости от значений коэффициента усиления и интенсивности излучения менялись положение и величина этого всплеска интенсивности. При увеличении этих параметров происходило обострение переднего фронта и сужение импульса ОВФ сигнала.

При ВЧВС на тепловой нелинейности подобный, но более длительный всплеск интенсивности ОВФ сигнала наблюдался даже в отсутствие задержки начала импульса излучения (Гзад = 0), поскольку этот всплеск интенсивности обусловлен проявлением двух процессов светоиндуцированного тепловыделения. На начальной стадии ВЧВС скорость образование тепловых решеток определяется кинетическим нагревом и возрастает при увеличении интенсивности излучения, что проявлялось в численном эксперименте в виде нарастания крутизны переднего фронта импульса ОВФ сигнала. После достижения максимума наблюдался спад интенсивности ОВФ сигнала, связанный с проявлением процесса снижения интенсивности тепловыделения, обусловленного насыщением усиления в лазерной среде. Введение временной задержки тш>0 приводило к обострению переднего фронта и сужению импульса ОВФ сигнала, однако этот эффект проявлялся менее ярко по сравнению с ВЧВС на резонансной нелинейности, что позволило на основе анализа формы импульса ОВФ сигнала различать в реальных экспериментах оба механизма нелинейности, отличающиеся своей инерционностью.

Воздействие на временную динамику ОВФ сигнала изменения таких параметров как состав лазерной смеси и давление газа, - обусловлено влиянием этих параметров на скорость релаксационных процессов в лазерной среде. Для различного состава лазерной смеси тепловая нелинейность обладает различной инерционностью, причем увеличение в смеси относительной концентрации легкого буферного газа (гелия) приводит к увеличению скорости образования тепловых решеток. При увеличении давления газа от 0.3 до 0.8 атм в численном эксперименте максимум ОВФ сигнала, формирующегося на тепловой нелинейности, сужался и смещался в сторону начала импульса излучения из-за увеличения скорости тепловой релаксации. Увеличение того же самого параметра при резонансной нелинейности оказывало противоположное действие на формирование ОВФ сигнала, поскольку при этом снижалась степень насыщения усиления в лазерной среде. Таким образом этот численный эксперимент продемонстрировал, что при увеличении давления газа может происходить замывание особенностей временной динамики импульса ОВФ сигнала, формирующегося на резонансной и тепловой нелинейностях.

В Главе 2 приводится описание лазерной установки, оптической схемы экспериментов, методик измерения параметров и характеристик лазерного излучения. Эксперименты проводились на импульсной криогенной ЭИ лазерной установке, которая могла работать как СОг или как СО лазер. В большинстве экспериментов длительность импульса ЭИ разряда составляла 25 - 30 мкс. Для того, чтобы охарактеризовать условия накачки активной среды молекулярного газового лазера, принято использовать величину удельного энерговклада в единицах Дж л"' атм"1 или Дж л Амага"1, т.е. в пересчете на определенное количество молекул газа (в единицах Амага выражается количество молей газа в молярном объеме 22.4 л). Величина удельного энерговклада в экспериментах изменялась в пределах от 100 до 800 Дж л"1 Амага"1. Относительная плотность лазерной смеси составляла от 0.14 до 0.8 Амага (в большинстве экспериментов -0.3 Амага).

Система регистрации параметров лазерного излучения позволяла измерять энергию лазерного импульса, его временную динамику, распределение интенсивности излучения в ближней и дальней зонах, регистрировать спектр излучения. В ряде экспериментов,

проводившихся с целью исследования спектральных и пространственных характеристик лазерного излучения, для визуализации и измерения распределения энергии ИК лазерного излучения использовался комплекс тепловизионной аппаратуры

1

Рис. 2. Оптическая схема экспериментов.

1 - ЭИ лазерная камера, 2 - заднее плоское зеркало резонатора и щелевая оптическая маска (2* - заднее сферическое зеркало с радиусом кривизны 24 м), 3 - сферическое зеркало (радиус кривизны 3 м), 4 - дифракционная решетка, 5 - плоские поворотные зеркала, 6 - выходное плоское зеркало резонатора и апертурная диафрагма, 7 - светоделительные пластины, 8 - калориметры, 9 - фотодетекторы, 10 - ограничительная диафрагма, 11 - вспомогательное зеркало или оптический клин для калибровки, 12 - оптическая задержка пробной волны, 13 - поглотитель, 14 - юстировочный лазер.

Оптическая схема экспериментов представлена на Рис. 2. Активная среда лазера длиной 1.2 м располагалась примерно в середине лазерного резонатора (длиной Ь «18 м или 12 м), образованного зеркалами 2 (или 2 ) и 6. Размер внутрирезонаторной диафрагмы (диаметром 2а~ 19 мм для С02 лазера и 15 мм для СО лазера) на выходе из лазерного резонатора выбирался таким образом, чтобы обеспечить генерацию излучения на основной поперечной моде (аг/Д£<1). Спектр излучения СОз лазера, работавшего в неселективном режиме, зависел от материала выходных окон лазерной камеры 1 (плоскопараллельных пластин под углом Брюстера): для окон из КаС1 спектр состоял из одной сильной линии 10.6 мкм Р(20) с энергии более 95% от полной энергии импульса излучения и одной-двух слабых линий соседних переходов Р(22) и Р(24); для окон из ВаР2 спектр лежал в 9-ти микронной области и состоял из одной сильной линии 9.6 мкм Р(24) и двух более слабых линий Р(26) и Р(30). Спектр излучения СО лазера, работавшего в неселективном режиме, состоял из 10-30 спектральных линий в диапазоне длин волн от 5.1 до 5.7 мкм, соответствующих колебательно-вращательным переходам молекулы СО,

Для частотно селективного режима работы лазера в оптическом резонаторе применялась схема внутрирезонаторного спектроанализатора на основе дифракционной решетки 4 (100 цггр./мм, угол блеска ~33°), работавшей в режиме близком к автоколлимационному. Изменение спектра генерации излучения лазера проводилось с помощью щелевой оптической маски, устанавливаемой перед плоским зеркалом 2. Спектральный состав лазерного излучения задавался числом, шириной и положением щелей в оптической маске. В такой схеме резонатора СОг лазера при определенных условиях энерговклада на поверхности

заднего зеркала 2 наблюдался процесс плазмообразовання, который был использован для режима синхронизации мод.

Лазерное излучение, вышедшее из резонатора и прошедшее через ослабители 7 (светоделительные пластины), направлялось в лазерную среду 1 под малым углом 0 (угол в варьировался от 9 до ЗОмрад) к оптической оси резонатора и затем на поглотитель 13. Изменение интенсивности излучения пробной волны проводилось с помощью набора дополнительных калиброванных ослабителей, устанавливавшихся на выходе из лазерного резонатора. Апертура пробного лазерного пучка ограничивалась диафрагмой 10 для уменьшения уровня фонового излучения из резонатора лазера в направлении системы регистрации параметров ОВФ сигнала. Для выравнивания оптического пути распространения пробной и попутной опорной волн до лазерной среды применялась оптическая задержка 12.

Внутрирезонаторное ОВФ рассматривалось в данной работе как метод исследования нелинейных оптических процессов, происходящих в лазерной среде под действием вариаций интенсивности. При этом важно было отличать ОВФ сигнал, от фонового излучения, т.е. определить источники фонового излучения и соотношение сигнал/шум. Для этого были проведены эксперименты по сопоставлению распределения интенсивности излучения пробного и отраженного сигналов в ближней и дальней зонах, по изучению влияния степени когерентности исходных волн на энергетические характеристики отраженного излучения, по исследованию временной динамики отраженного сигнала, а также поляризационные эксперименты. Эта эксперименты показали, что в среде ЭИ С02 и СО лазеров отраженное назад излучение возникает в результате рассеяния опорных волн на решетках, образующихся при ВЧВС в лазерной среде. Интенсивность ОВФ сигнала при этом намного превышала интенсивность фонового излучения. Энергия ОВФ сигнала находилась путем вычитания энергии фонового излучения из величины полной измеренной энергии импульса отраженного назад при ВЧВС излучения.

Величина коэффициента ОВФ-отражения (КО) по энергии Де определялась как отношение энергии ОВФ сигнала к энергии пробного сигнала. Для калибровки измерительного канала ОВФ сигнала пробный сигнал отражался назад или плоским металлическим зеркалом (с использованием калиброванных ослабителей), или одной гранью оптического клина. Отражающая назад поверхность 11 располагалась при такой калибровке непосредственно за диафрагмой 10. В конце главы представлен пример обработки экспериментальных данных по измерению энергетической эффективности ачутрирезонаторного ОВФ в активной среде СОг лазера с плоским резонатором.

В Главе 3 представлены временные и энергетические характеристики вяутрирезонаторного ВЧВС в активной среде ЭИ СОг лазера. Проводится сопоставление эхспериментальных и расчетных данных по временной динамике ОВФ сигнала с целью анализа вклада резонансного и теплового механизмов нелинейности.

При анализе механизмов нелинейности лазерной среды важную роль играют параметры усиления излучения в этой среде: коэффициент усиления слабого сигнала и нелинейность насыщенного усиления. Вместе с тем в экспериментах по исследованию ваутрнрезонаторного ОВФ применялась несколько неординарная для ЭИ лазеров схема оптического резонатора, длина которого многократно превышала длину активной среды, а генерация излучения происходила на одной поперечной моде. Поэтому в первом разделе этой главы приводятся результаты измерения параметров и временной динамики усиления излучения в активной среде СОз лазера и генерационные характеристики ЭИ СОг лазерной установки с таким длинным резонатором. При увеличении удельного энерговклада до 390 Дж л"1 атм"1 значение коэффициента усиления слабого сигнала возрастало до 2 м*1, а величина интенсивности насыщения при этом почти не менялась и составляла ~10 кВт см"2 (лазерная смесь СОг^гНе = 1:2:4, давление 0.28 атм). Среднее значение интенсивности

излучения на выходе из лазерного резонатора достигало величины 50 кВт см'2 при удельном лазерном энергосъеме до 20 Дж л'1 атм"1.

Результаты измерения энергетических и временных характеристик внутрирезонаторного ОВФ представлены во втором и третьем разделах этой главы. При нестационарном режиме ВЧВС лазерного излучения, во временной динамике ОВФ-отражения проявляются механизмы оптической нелинейности, обладающие различной степенью инерционности. В качестве примера, наглядно демонстрирующего различие во временном поведении ОВФ сигнала для двух нелинейных механизмов в среде СОг лазера, на Рис.4 представлены временная динамика импульсов: пробного сигнала, ОВФ сигнала и эффективности ОВФ-отражения. Форма импульсов излучения была измерена с микросекундным временным разрешением и нормирована на максимальные значения. Начало отсчета по времени на Рис. 4 совпадает с началом импульса ЭИ разряда. Пробный сигнал имел приблизительно треугольную форму. Временное поведение КО характеризуется двумя всплесками: первый из них длительностью ~2 мкс имеет максимум вблизи переднего фронта импульса излучения лазера и далее КО резко уменьшается. При этом ОВФ сигнал имеет длительность первого пичка до 5 мкс. Второй всплеск проявляется через ~8 мкс после начала импульса пробного сигнала и КО растет вплоть до окончания импульса излучения.

Рис.4.

Временная динамика импульсов: пробного сигнала, ОВФ сигнала и эффективности ОВФ-отражения при внутрирезонаторном ВЧВС в активной среде ЭИ СОа лазера. Лазерная смесь С02'.Ы2:Не = 1:5:3, давление 0.28 атм и удельный энерговклад 250 Дж/л атм.

Сопоставление экспериментальных и теоретических расчетных форм импульсов ОВФ сигнала показало, что первый всплеск КО обусловлен вкладом резонансного механизма нелинейности. При этом характер поведения КО обусловлен нестационарным превышением коэффициента усиления в лазерной среде над его пороговым значением в резонаторе на переднем фронте импульса излучения. Второй всплеск отражает свойства теплового механизма нелинейности, обладающего более высокой степенью инерционности. Однако в большинстве экспериментов для определения величины вклада в эффективность ОВФ-отражения различных механизмов оптической нелинейности требуется более тщательный анализ формы импульсов излучения на основе сопоставления экспериментальных данных с результатами теоретических расчетов, учитывающих

Рис.5.

Сопоставление экспериментальной и расчетной формы импульса ОВФ сигнала при внутрирезонаторном ВЧВС в активной среде ЭИ С02 лазера.

Лазерная смесь ССЬ^Ле = 1:2:4, давление 0.28 атм и удельный энерговклад 120Дж/(латм).

особенности кинетической модели лазерной среды.

Сравнение временных характеристик ОВФ сигнала для высокодобротного и низкодобротного резонаторов показало, что расчетные формы импульсов ОВФ сигнала лучше согласуются с экспериментальными при невысоких значениях удельного энерговклада (Рис. 5). Расхождение между экспериментальными и расчетными данными возрастало при увеличении энерговклада и добротности резонатора, т.е. с увеличением интенсивности излучения внутри резонатора. В частности максимум ОВФ сигнала, отраженного на тепловой решетке, смещался при увеличении энерговклада в сторону переднего фронта импульса излучения, по отношению к максимуму расчетной кривой, т.е. время жизни тепловой решетки уменьшалось по сравнению с расчетными значениями. Причины отмеченного расхождения могут быть связаны с возникновением неоднородностей показателя преломления в усиливающей среде, с расширением модового и спектрального состава лазерного излучения при увеличении его интенсивности, а также с газодинамическими явлениями при повышении мощности светоиндуцироваяного тепловыделения.

Изменение эффективности ОВФ-отражения по энергии при варьировании добротности резонатора обусловлено изменением степени насыщения усиления в лазерной среде. Для изменения добротности оптического резонатора использовался набор выходных лазерных зеркал с разными коэффициентами отражения Двых. Наибольшая величина КО по энергии при одном и том же значении удельного энерговклада была получена для низкодобротного резонатора (Л„щ«8%), и эта величина КО была в 1.2-1.5 раз больше (в зависимости от соотношения остальных экспериментальных параметров), чем для высокодобротного резонатора (Лвьк«65%). Отличие величин энергетической эффективности ОВФ-отражения для резонаторов с выходными зеркалами ЛВЫх к 40% и Лвьп « 65% лежало в пределах точности измерения величины КО.

Давление рабочей смеси газов в среде СОг лазера оказывает влияние на интенсивность насыщения, время релаксации лазерных уровней, ширину линии усиления, на интенсивность и длительность импульса лазерного излучения. Энергетическая эффективность ОВФ-отражения в среде СОг лазера возрастала до 19% при увеличении удельного энерговклада и давления газа (Рис. 6). КО, %

Рве. 6

Энергетическая эффективиость ОВФ-отражения (КО) в зависимости от удельного энерговклада при различных значениях давления газа. Лазерная смесь С02:Мг:Не=1:2:4.

-1-1-1-1-I-1-1--|-,-[100 360 300 400

Уд. энерговкл&д, Дж/(л им)

Для линейно поляризованного излучения был проведен эксперимент, в котором исследовалось влияние взаимной ориентации векторов поляризации пробной и опорных ваш. При взаимно перпендикулярной ориентации плоскостей линейной поляризации излучения дробной волны и опорных волн отражение излучения при ВЧВС практически отсутствовало, поскольку при такой ортогональной поляризации волн интерференция между ними не возникает и, соответственно, решетки в изотропной среде не образуются.

Значительное влияние на эффективность ОВФ при внутрирезонаторном ВЧВС оказывает степень когерентности исходных волн, изменявшаяся в экспериментах путем введения оптической задержки (до 20 м) между пробной и попутной опорной волнами. Оптическая задержка вносилась в схему ВЧВС путем изменения оптического длины пробного пучка до

лазерной среды. Максимальное значение энергетического КО соответствовало "нулевому" значению задержки и увеличение величины задержки приводило к снижению эффективности ОВФ-отражения. В этих экспериментах было также показано, что повышение интенсивности пробной волны (/зД > 0.3) при внутрирезонаторном ВЧВС в лазерной среде может приводить к изменению энергетических, временных и пространственных характеристик лазерного излучения на выходе из лазерного резонатора.

Практически не оказывали влияние на эффективность ОВФ-отражения при ВЧВС в собственной среде СОг лазера при прочих равных условиях: степень линейной поляризации излучения; наличие в спектре излучения СОз лазера, работавшего в неселективном режиме, слабых соседних переходов; выбор спектральной полосы (10.6 мкм или 9.6 мкм) излучения. Уменьшение эффективности ОВФ-отражения, наблюдавшееся при увеличении угла схождения пучков в, происходило, по-видимому, из-за уменьшения геометрических размеров области взаимодействия (перекрытия) исходных лазерных пучков в длинной активной среде.

Для изучения влияния состава рабочей газовой смеси на эффективность ОВФ-отражения по энергии при ВЧВС применялись лазерные смеси СОо.'^Не следующего состава: 1:2:4; 1:5:3 и 1:2:7. С увеличением содержания азота в газовой смеси и уменьшением доли гелия наблюдалось возрастание КО. В частности, наибольший КО был получен для лазерной смеси состава 1:5:3, который превышал соответствующее значение для смеси 1:2:4 в 1.1 ~1.2раза и для смеси 1:2:7 в 1.3" 1.5 раз при одинаковых прочих условиях. Увеличение КО для более плотной смеси газов, содержащей меньше гелия, может быть связано с тем, что в этих газовых смесях увеличивается коэффициент Гладстона-Дейла, связывающий плотность газа и показатель преломления, и, соответственно, увеличивается параметр нелинейной связи тепловой нелинейности. С другой стороны, уменьшение концентрации гелия в составе лазерной смеси приводило в условиях экспериментов к уменьшению коэффициента усиления, интенсивности лазерного излучения, скорости релаксации нижнего лазерного уровня молекулы СОг и мощности светоиндуцированного тепловыделения.

При внутрирезонаторном ВЧВС в среде СО2 лазера измерения временной динамики излучения, выполненные с временным разрешением 2 не выявили существование сложной высокочастотной структуры импульсов пробного и ОВФ сигналов. Высокочастотная временная струюура одного из таких импульсов на протяжении первых десяти микросекунд представлена в Приложении. Результаты этих измерений продемонстрировали, что ОВФ сигнал имеет довольно высокую амплитуду предымпульса (время нарастания огибающей ОВФ сигнала £10"'с), связанного с ОВФ-отражением на решетках усиления, а также возрастание КО на заднем фронте импульса из-за теплового механизма нелинейности активной среды СО2 лазера на временных интервалах >10"5 с.

В Главе 4 представлены результаты экспериментального исследования нелинейных оптических свойств среды СО лазера при внутрирезонаторном ВЧВС в его активной среде. Проводится сопоставление экспериментальных данных с результатами теоретических расчетов на основе кинетической модели активной среды СО лазера, а также с нелинейными оптическими свойствами среды ЭИ СОг лазера.

На переднем фронте импульса ОВФ сигнала выделяется всплеск длительностью ~1 мке (Рис. 7), обусловленный нестационарным превышением коэффициента усиления над его пороговым значением в начале импульса генерации лазерного излучения. При этом время нарастания огибающей ОВФ сигнала составляло ~400 не и было примерно таким же как время нарастания импульса лазерного излучения. Анализ временной динамики ОВФ-отражения при внутрирезонаторном ВЧВС в среде ЭИ СО лазера указывает на то, что ОВФ-отражение происходит на решетках усиления резонансного механизма нелинейности лазерной среды и имеет квазистационарный характер на протяжение всего импульса излучения 100 - 500 мке, а длительность переходного процесса составляла ~1 мке с временем нарастания огибающей ОВФ сигнала0"7 с.

Рис. 7.

Временная динамика ОВФ сигнала и эффективности ОВФ-отражения при внутрирезонаторном ВЧВС в активней среде ЭИ СО лазера.

Лазерная смесь ССШг:Не = 1:4:5, 0.3 Амага и удельный энерговклад 300 Дж/(л Амага).

В режиме свободной генерации ЭИ СО лазер излучает импульсы с длительностью на порядок большей, чем ЭИ СОг лазер. Эти импульсы имеют временную структуру, обусловленную кинетическими процессами, происходящими в многоуровневой активной среде. Обычно эта структура регистрируется фотодетекторами с временем отклика ~1 мке (Рис. 7). Измерения формы импульсов излучения СО лазера, действующего в селективном режиме генерации (на одной колебательно-вращательной линии), с наносекундным разрешением, показало, что импульс излучения имеет регулярную периодическую структуру (аксиальный период -120 не) с глубокой, почти 100% модуляцией. Эта структура возникает вследствие межмодовых биений или в результате самосинхронизации мод под действием насыщающегося поглотителя, например, атмосферных паров воды, присутствующих в лазерном резонаторе. Высокочастотная временная структура на аксиальном периоде сохраняется на протяжении всего импульса излучения. Ранее такая структура в СО лазерах не наблюдалась. При этом временная структура импульсов лазерного излучения и ОВФ сигнала значительно отличается друг от друга на малых временных интервалах, сравнимых с аксиальным периодом, и почти воспроизводится на временных интервалах, которые многократно превышают аксиальный период.

Максимальная энергетическая эффективность ОВФ-отражения достигала 1.5 - 2% при генерации лазерного излучения на одной спектральной линии, соответствующей одному колебательно-вращательному переходу. При расширении спектра излучения СО лазера за счет увеличения спектральных компонент эффективность ОВФ-отражения уменьшалась из-за взаимного ослабления решеток усиления в многоуровневой активной среде. Длительность иипульса лазерного излучения, его интенсивность внутри резонатора и величина удельного энерговклада практически не влияют на энергетическую эффективность ОВФ-отражения. В большей степени влияние на энергетический КО оказывают плотность газовой смеси и соотношение интенсивностей пробной и попутной опорной волн. Эффективность ОВФ-отражения возрастала почти линейно с увеличением давления рабочей лазерной смеси при одинаковой величине удельного энерговклада. На эффективность ОВФ-отражения практически не оказывает влияние величина удельного энерговклада. Увеличение иягенсивности пробной волны, если она была сравнима с интенсивностью опорных волн (У/Л > 0.3), приводило к снижению интенсивности опорных волн и уменьшению эффективности ОВФ-отражения.

Для исследования влияния спектрального состава СО лазерного излучения на энергетическую эффективность ОВФ-отражения была выбрана комбинация из трех каскадно связанных колебательно-вращательных переходов с приблизительно равными энергиями шшульсов излучения: Р8_>т(17), Рю->9(15). В этом случае ширина каждой щели в

ошгческой маске (поз. 2 на Рис. 2) соответствовала спектральному интервалу между соседними вращательными линиями одной колебательной полосы (-4 см'1).

В Табл. 4.1 указаны величины полной энергии лазерного излучения и энергетической эффективности ОВФ-отражения для каждой из семи комбинаций спектра излучения. Максимальная эффективность (Ле=1-5%) наблюдалась при генерации лазерного излучения на одаом колебательно-вращательном переходе Рю->9(15), а подключение дополнительных,

аскадных переходов приводило к уменьшению эффективности ОВФ-отражения. При этом ффективность при генерация излучения с прерванным каскадом (комбинация спектра из вух линий Рм_>9(15) и Ря_»7(17) с Яе=1 .25%) бьша больше, чем в случае генерации излучения а соседних каскадно связанных переходах (Йе=0.95% для переходов Рц>->9(15) и P9_»s(16), 'е=0.77% для переходов Р<м.8(16) и Р8_>7(17) и Ле=0.7% для всех трех переходов), но меньше ем на каждом отдельном переходе Pjch-9(15) или Pg_>7(17) (Ле=1.3%). При ВЧВС шогочастотного излучения СО лазера эффективность ОВФ-отражения составляла ~0.2%.

Табл. 1. Энергия лазерного излучения Е и эффективность ОВФ (Kg) при генерации излучения СО лазера на различных комбинации трех каскадно связанных колебательно-вращательных переходов. Удельный эяерговклад ~300 Дж/л А мага. CO:N2:Hc = 1:4:5, плотность газа 0.3 Амага, Т = 120К, = 43%, /,//,-4.

Р,о-,9(15) Р,^» (16) Р8_7 (17) Е, Дж Де, %

1 • 0.42 1.5

1 0.45 1.3

Н 0.34 0.7

I 1 0.68 0.95

4 1 0.53 1.25

0.61 0.77

I 1 Щ 0.98 0.7

Таким образом эффективность ОВФ излучения при внутрирезонаторном ВЧВС □лучения частотно-селективного СО лазера не возрастала при подключении в спектре □лучения линий, соответствовавших каскадно связанным переходам. При этом ффективность ОВФ-отражения достигала максимума только в тех случаях, когда генерации алучения происходила на одном колебательно-вращательном переходе при максимальной нергии излучения. В этих же экспериментальных условиях и с таким же селективным азерным резонатором, но с другой дифракционной решеткой (150 штр/мм, угол блеска •22°), работавшей в режиме автоколлимации в первом порядке спектра, эффективность )ВФ-отражения по энергии достигала 2% при ВЧВС в среде СО лазера, генерировавшего нлучение на переходе Рю_»9(13).

Теоретическая модель качественно правильно описывает зависимость эффективности )ВФ-отражения от соотношения интенсивносгей исходных волн и степень уменьшения нергетического КО при изменении режима работы ЭИ СО лазера: от генерации излучения ia одном колебательно-вращательном переходе к одновременной генерации на трех каскадно вязанных переходах. Величина эффективности ОВФ-отражения, полученная в ксперимеите, была заметно меньше значений, предсказываемых кинетической моделью 14*] (ср. [20]), которая описывает взаимодействие излучения в идеализированной схеме (ЧВС в среде ЭИ СО лазера. В рамках этой модели, количественное согласие расчетного Rt экспериментальными данными достигается при уменьшении эффективной длины заимодействия, что может быть связано с нестабильностью структуры резонаторной моды. 1еодиородность мощности накачки, изменение температуры газа и интенсивности исходных олн в реальном эксперименте, также могут оказывать влияние на степень согласования гежду теорией и экспериментом.

На основе анализа экспериментальных данных была получена оценка величины юэффициента оптической нелинейности П2 активной среды ЭИ СО2 лазера т ~ 10"8 см2 кВт"1 инерционность нелинейного отклика тепловой нелинейности тт ~ 10"5с) и активной среды

ЭИ СО лазера т ~ 5 10"8 см2 кВт"1 при величине инерционности нелинейного отклика тт - 10'7 с. Эти эмпирические данные представлены точками 1 и 2 на Рис. 8 (из работы [21]).

В разделе Заключение сформулированы основные выводы настоящего исследования.

Внутрирезонаторное ВЧВС в данной работе применялось как способ исследования нелинейных оптических свойств активной среды ЭИ СОг и СО лазеров. При этом ОВФ сигнал выступал в качестве нелинейного отклика активной среды на вариации интенсивности излучения, наведенные в лазерной среде при ВЧВС пробным сигналом. При анализе временных и энергетических характеристик ОВФ-отражения основное внимание было уделено задаче выявления роли резонансного и теплового механизмов оптической нелинейности. Для решения этой задачи было проведено детальное сопоставление экспериментальных и теоретических расчетных данных, полученных на основе нестационарной кинетической модели активной среды С02 и СО лазеров. Такое сопоставление показало, что исследование ОВФ-отражения при внутрирезонаторном ВЧВС в лазерной среде неразрывно связано с исследованием неравновесных кинетических процессов, которые происходят в активной среде лазера в условиях генерации излучения.

На основании результатов этого исследования были сделаны следующие выводы.

1. Формирование ОВФ сигнала в активной среде импульсного ЭИ СОг лазера (:гев~ 10+30 мкс) при внутрирезонаторном ОВФ обусловлено двумя механизмами оптической нелинейности, обладающими разной степенью инерционности. Время нарастания огибающей ОВФ сигнала (& 10"7 с) определяется резонансным механизмом оптической нелинейности, который связан с изменением локальной инверсной населенности колебательно возбужденных молекул СОз в процессах вынужденного излучения. Формирование ОВФ сигнала на временных интервалах >10'5с определяет более Енерциоииый тепловой механизм, который связан с изменением локальной концентрации всех частиц газа при светоиндуцированном тепловыделении в процессах релаксации нижнего лазерного уровня молекулы СОг- Степень инерционности теплового механизма нелинейности в экспериментах уменьшалась при увеличении интенсивности излучения спорных волн. Тепловой механизм нелинейности проявлялся при внутрирезонаторном ОВФ в среде ЭИ СОг лазера, который действовал в режиме синхронизации мод, с длительностью импульсов излучения ~10 не, повторяющихся с периодом -120 не.

2. Энергетические характеристики внутрирезонаторного ОВФ в собственной активной среде импульсного ЭИ СОг лазера обусловлены свойствами теплового механизма нелинейности. Эффективность ОВФ-отражения по энергии в среде СОг лазера возрастает при увеличении степени когерентности исходных воля, давления газа, удельного энерговклада и достигает ~ 20%. Увеличение интенсивности пробной волны, если она была сравнима с интенсивностью опорных волн, приводило к изменению структуры поперечных лод внутри лазерного резонатора. При этом снижалась интенсивность опорных волн и уменьшалась эффективность ОВФ-отражения в лазерной среде. Снижение эффективноств

я21 см Электронная нелинейность

В полупроводниках

Рис.8.

Значения нелинейного коэффициента и 2 для оптических материалов на плоскости (и2» га.,) [21], где г„- инерционность нелинейного отклика. Точками 1 и 2 указаны значения коэффициента л2 для активной среды СО лазера (1) и С02 лазера (2), полученные в настоящей работе.

-и -(3 -10 -1 -6 4 I 0 10 10 10 10 10 10 10 10

лражения наблюдалось при увеличении угла пересечения лазерных пучков, которое связано, го-видимому, с изменением размеров области перекрытия в активной среде лазера. Практически не оказывают влияния на эффективность внутрирезонаторного ОВФ при прочих одинаковых условиях: степень линейной поляризации лазерного излучения; татенсивность пробной волны, если она была меньше интенсивности опорных волн 7j/7i < 0.3); выбор спектральной полосы (10.6 или 9.6 мкм) генерации излучения ССЬ лазера.

3. Применение частотно-селективного лазерного резонатора в экспериментах по »путрирезонаторному ВЧВС в активной среде ЭИ СО лазера, генерирующего излучение на шбранных колебательно-вращательных переходах, позволило провести сравнение жспериментальных данных с результатами теоретических расчетов. Внутрирезонаторное ЗВФ в активной среде СО лазера происходит практически в квазистационарном режиме с цштелыюстыо переходного процесса ~1 мкс. Формирование ОВФ сигнала в течение шпульса излучения (тген~ 100-^500 мкс) происходило в основном на решетках усиления резонансная нелинейность) с временем нарастания огибающей ОВФ сигнала ¿10'7с. Относительно малую роль в среде СО лазера играет тепловой механизм нелинейности ¡следствие малой мощности светоиндуцированного тепловыделения.

4. Эффективность внутрирезонаторного ОВФ-отраження по энергии составляет ~ 0.2% в жтивноЙ среде СО лазера при генерации излучения на 10-30 спектральных линиях и юзрастает до 2% при генерации излучения на одной выделенной спектральной линии. Эффективность ОВФ отражения возрастала почти линейно с увеличением давления рабочей ¡азерной смеси при одинаковой величине удельного энерговклада. На эффективность ЗВФ-отражения практически не оказывает влияние величина удельного энерговклада. Увеличение интенсивности пробной волны, если она была сравнима с интенсивностью торных волн (J3/J1 > 0.3), приводило к снижению интенсивности опорных волн и "меньшению эффективности ОВФ-отраження.

Список литературы

. Носач О.Ю., Поповичев В.И., Рагулыжий В.В., Файзуялов Ф.С. Письма в ЖЭТФ, 16, № 11,617-621 (1972). !. Зельдозич Б .Я., Пишшецкий Н.Ф., Шкунов В.В. "Обращение волнового фронта." - М.: "Наука", 1985. >. Димахов С.А., Робачевская М.А. В сб.: "Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах." Под ред. А.С. Рубаяова. Минсх, Наука н техника, 1990, с. 75-78.

Галушкин М.Г., Димаков С.А., Онощко Р.Н. и др. Известия АН СССР, Сер. физ., 54, №6, 1042 (1990). . Ageichik A„A., Dimakov S.A., Rezunkov Y u.A. et al. "Four-wave Mixing of Radiation in the Gain Medium of E-

beam sustained C02 Laser." Proc. SPIE, 1840.166 (1991). . Gorton E.K., Richmond A.M. Opt. Comm., 86,341 (1991).

'. Белоусов Д.В., Бородин A.M., Бункина M.B. и др. "Обращение волнового фронта излучения СО-лазера." В сб.: "Тезисы докл. конф.КиНО'91." Ленинград, 1991, т. 1, с. 177-178.

Ageichik А.А., Kotyayev O.G., Rezunkov Yu.A. et al. "Self-phase conjugation technique via four wave mixing of middle infrared radiation in a laser active medium." In "CLEO/Europe'96, Hamburg, 8-13 Sep. 1996. Technical digest." Hamburg, 1996, p. 107. . Бердышев A.B., Бородин A.M., Гурашвшш B.A. и др. Квант, электрон., 23, № 1,47 (1996).

0. Bigio L.J., Feldman B.I., Fisher R.A., Bergman E.E. "High efficiency phase-conjugate reflection in germanium and in inverted CO,." In: "Proc. Int. Conf. Lasers'78, Orlando, Fla. 1978", McLEAN, V A, 1979, p. 531-537.

См. также Bergman E.E., Bigio L.3., Feldman B.J., Fisher R.A. Optics Letters, 3,82 (1978). Перевод: Бигио И.Дж., Фелдмая Б.Дж„ Фишер Р.А., Бергман Э.Е. Квант, электрон., 6,2318 (1979).

1. Fisher R.A., Feidman B.J. Optics Letters, 4, № 5,140 (1979).

2. Abiams R.L., Lind R.C. Optics Letters, 94 (1978), errata Optics Letters,, 3,203 (1978)

3. Васильев Л.А., Галушкин М.Г., Серегин A.M., Чебуркин H.B. Изв. АН СССР, Сер. физ., 45, 1412 (1981).

4. Галушкин М.Г., Серегин А.М., Федоров А.Б., Чебуркин Н.В. Квант, электрон., 10, № 10,2115 (1983).

5. Roper V.G., LambertonН.М., Parcell E.W., Manley A.W.J. Opt. Comm., 25, № 2,235 (1978).

6. Васильев Л.А., Галушкин М.Г., Серегин A.M., Чебуркин Н.В. Квант, электрон., 9, № 6,1228 (1982).

7. Васильев Л.А., Галушкин М.Г., Серегин А.М., Чебуркин Н.В. Квант электрон., % № 8, 1571 (1982).

8. Бердышев А.В., Курносов А.К., Папартович А.П. Квант, электрон., 20, № 6,529 (1993).

9. Бердышев А.В., Курносов А.К., Нанартовнч А.П. Квант, электрон., 21, № 1,91 (1994).

20. Galushkin M.G., Mitin K.V. "Way of increasing of phase conjugation efficiency at four-wave mixing for CO laser radiation in own active medium." "Proc. Int. Conf. LASERS'97, Dec. 15-19,1997 ", STS Press, McLEAN, VA, 1998, p. 100-104.

21. Ахмадов С.А. Ст. "Нелинейна* оптвжа." В кн. "Физическая энциклопедия." - М.: "Большая Российская энциклопедия," 1992, т. 3 с. 292-305.

Список публикаций с участием автора, в которых содержатся основные результаты настоящей работы

1*. Афанасьев Л.А., Ионин А.А., Котков А.А, Киселев Е.А., Климачев Ю.М., Синицын Д.В. "Активная среда молекулярных С02 и СО лазеров в качестве нелинейного элемента ОВФ зеркала." Квантовал электроника, 21, № 6, 557-561 (1994).

2*. Afanas'ev L., Ionin A., Kotkov A., Klimachev Yu., Koval'kov Т., Sinitsyn D. "Phase conjugation of high power C02 and CO lasers radiation inside their active medium." Proc. SPJE, 2206.230-235 (1994).

3*. Afanas'ev L., Ionin A., Kotkov A., Klimachev Yu., Sinitsyn D. "Active medium of long pulsed C02 and CO lasers as aphase conjugation mirror." Proc. SPIE, 2502.166-171 (1994).

4*. Afanas'ev L., Galushkin M., Ionin A., Kotkov A., Mitin K.. "Degenerate four-wave mixing and phase conjugation of pulsed C02 laser radiation on transient gratings inside own inverted medium." Proc. SPIE, 2800.212-221 (1995). Proc. Lasers'95, STS Press, McLean, VA, 1996, pp. 556-563. Proc. SPIE, 2702,437-445 (1996).

5*. Афанасьев Л.А., Галушкин М.Г., Ионин A.A., Котков А.А., Митин К.В. "Вырожденное четырехволновое смешение и ОВФ излучения импульсного СО; лазера на нестационарных решетках в собственной активной среде." Известия РАН, Сер. физ., 60, №3,41-49 (1996).

6*. Afanas'ev L., Ionin A., Kotkov A., Klimachev Yu., Seleznev L., Sinitsyn D.. "Parametric study of degenerate four-wave mixing and phase conjugation of C02 and CO lasers radiation in their inverted medium." Proc. SPJE, 3092.142-145 (1996).

7*. Beairsto C., Ionin A., Kotkov A., Penny R., Seleznev L., Squires S., Walter R. "High frequency

temporal structure of laser and phase conjugated signals at intracavity degenerate four-wave mixing of C02 and CO laser radiation inside their inverted medium." Proc SPIE, 3092.337-340 (1996). "Proc. Int Conf. LASERS'96,2-6 Dec, 1996, Portland, OR, USA", STS Press, McLEAN, VA, p.449,1997.

8*. Биирсто К., Вальтер P., Ионин А., Котков А., Пенни P., Селезнев Л., Скуайрс С.

"Высокочастотная временная структура лазерного и ОВФ-сигналов при вкутрирезонаторном ВЧВС излучения элекгроиошвационных С02- и СО-лазеров в их активной среде." Квантовая электроника, 24, №7, 631-637 (1997).

9*. Галушкин М.Г., Ионин А.А., Котков А.А., Митин К.В., Селезнев Л.В. "Нелинейные оптические свойства активной среды при внутрарезонаторном ОВФ излучения импульсного электроионизационного С02 лазера. I. Эксперимент." Квантовая электроника, 25, №8, 739-744 (1998).

10*.Галушкин М.Г., Ионин АА., Котков А.А., Митин К.В. "Нелинейные оптические свойства активной среды при внугрирезонаторном ОВФ излучения импульсного элеетроионизационного С02 лазера. II. Теоретический анализ." Квантовая электроника, 25, №10,905-909 (1998).

UMonin A., Kotkov A., Seleznev L. "Intracavity phase conjugation of pulsed C02 laser radiation." Proc. SPIE. 3343. 742-749 (1998).

12*. Ionin A., Kotkov A., Seleznev L., Galushkin M., Mitin K. "Nonlinear optical properties of active medium at intracavity phase conjugation of long pulse C02 laser radiation." Laser and Particle Beams, 17, № 1, 89-108 (1999).

13*.Afanas'ev L., Ionin A., Kotkov A., Klimachev Yu., Seleznev L., Sinitsyn D. "Temporal and spectral characteristics of phase conjugation signal under 4-wave mixing in active medium of CO laser." In "CLEO/Europe'96, Hamburg, 8-13 Sep. 1996. Technical digest." Hamburg, 1996, p. 252.

14*.Ионин АА., Котков A.A., Курносов AK., Напартович А.П., Селезнев Л.В. "Внутрирезонаторное ОВФ излучения импульсного частотно-селективного СО лазера." Препринт ФИАН № 52, -М., 1999. Квантовая электроника, 30, №4,342-348, (2000).