Нелинейные волновые взаимодействия в мощных импульсных СММ лазерах с оптической накачкой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

!<М 1 Ч '

I « к • Л ~~

МОСКОВСКЙЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Петрив Василий Станиславович

УЖ. 621.373.8

НЕЛИНЕЙНЫЕ ВОЛНОВЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СММ ЛАЗЕРАХ,С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ

01,04.04 - Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Физико-технологическом институте Российской АН.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Батанов Виктор

Александрович.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук ШЕПЕЛЕВ Андрей Вадимович (ЦКБ Уникального приборостроения РАН)

кандидат физико-математических наук АСКАРЬЯН Гурген Ашотович (ИОФАН)

Ведущая организация:

Московский радио-технический институт РАН

на заседании специализированного совета K-063.9I.0I при

Московском физико-техническом институте

141700, г. Долгопрудный, Институтский пер., 9, ауд. 204 НК.

С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке МФТИ.

Защита состоится

Автореферат

Ученый секретарь специализированного совета

Н.Д. КОНОВАЛОВ

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы исследования.

Субмиллиметровые (СММ) молекулярные лазеры с оптической накачкой в настоящее время являются одними из наиболее мощных источников мощного когерентного излучения в частотном диапазоне 300-6000 Ггц. Применение в составе таких лазеров мощных импульсных С02 лазеров как средств накачки резонансного молекулярного газа позволяет получить большую выходную мощность и эффективность преобразования частоты и обеспечить непрерывную перестройку по частоте выходного излучения за счет раманозских процессов. Импульсные СШ источники находят практическое применение в спектроскопии и диагностике плазмы, в исследовательских работах по активной спектроскопии твердых тел и молекул в задачах взаимодействия мощного излучения с веществом, а также при решении технических задач: неразрушапций контроль, связь, радары высокого разрешения, дистанционное исследование состава атмосферы.

Основными рабочими характеристиками импульсного СММ рамановского источника являются • эффективность преобразования энергии излучения накачки, спектральный диапазон генерации, в том числе ширина диапазона непрерывкой перестройки, а также пространственные характеристики выходного излучения. Часто важно минимизировать размеры установки, максимально упростить обслуживание и снизить стоимость лазера. Для решения перечисленных задач в экспериментах применяют мощные дискретно или непрерывно перестраеваемые источники излучения накачки с начальной фокусировкой входного пучка, волноводныа кюветы с оптическим резонатором для СШ поля или многопроходные кюветы с перефокусировкой пучков накачки и стокса при отражениях от

концевых зеркал. При таких условиях в активной среде рамановского лазера существенную роль играют нелинейно-дифракционные явления и эффекты взаимодействия встречных волн СММ генерации и накачки.

Проведение экспериментов, теоретическое изучение нелинейных волновых взаимодействий в рассматриваемых лазерных устройствах и построение простых численных моделей, учитывающих, в частности, влияние оптического резонатора, самовоздействие мощного излучения накачки и нелинейную дифракцию СММ волны, а также конкретные спектральные характеристики активной среды, дает возможность разрабатывать и оптимизировать характеристики современных мощных импульсных СММ рамановских лазеров. Поэтому тема настоящей работы представляется весьма актуальной.

Целью диссертационной работы являются:

-создание модели, описывающей взаимодействие встречных волн СММ излучения генерации и ИК излучения накачки в резонансной газовой среде рамановского лазера;

-нахождение оптимальных граничных условий для СММ и ИК полей в лазерной кювете, повышение эффективности и расширение спектрального диапазона НН3 рамановского лазера путем оптимизации коэффициента обратной связи оптического резонатора: -исследование влияния нелинейно-дифракционных эффектов на характер распространения волн в активной среде мощного СММ лазера с оптической накачкой.

Научная новизна полученных результатов.

I. Впервые разработана модель, использующая метод разложения

поляризации в ограниченный ряд по продольным пространственным гармоникам и описывающая конкуренцию встречных компонент стоксова сигнала генерации в поле встречных волн накачки в активной среде модного импульсного СММ рамановского лазера. Рассчитаны спектры

коэффициента усиления встречных компонент стоксова сигнала без

•

ограничений на амплитуды и соотношение интенсивностей полей.

2. Исследована конфигурация полей в СММ резонаторе и энергетические спектры выходного излучения ИН3 рамановского лазера. Определены оптимальные значения коэффициентов отражения выходных зеркал для достижения предельных КПД в схемах, реализующих ВКР "вперед" и "назад" для различных параметров излучения накачки, рабочих давлений и длин резонатора.

3. Экспериментально исследована асимметрия генерации "вперед-назад" в ГШ3 СММ лазере при вариации граничных условий на концевых окнах лазерной кюветы. Подбором оптимального коэффициента обратной связи в оптическом резонаторе для линии накачки 9Я16 С02 лазера получена максимальная квантовая эффективность на уровне 26% в "прямой" СММ волне и 27% при выводе полезного излучения "назад".

4. Теоретически исследована резонансная стационарная и квазистационарная самофокусировка/самодефокусировка ИК излучения накачки в КН3 рамановском лазере с учетом спектроскопических и кинетических характеристик активных молекул.

5. Впервые показано, что в резонансных средах мощных рамановских лазеров СММ диапазона возможен захват стоксова излучения в комбинационно- активный волновод, образованный за счет нелинейности показателя преломления активной среды для СММ волны и неоднородности усиления по сечению волны накачки. Проанализирован механизм возникновения РВКР-самофокусировки для

разнознаковых частотных отстроек поля накачки и условия образования многофокусной структуры полей в лазерной юовете.

6. Исследовано влияние нелинейно-дифракционных явлений на эффективность преобразования частоты. Получены общие зависимости КПД преобразования от начальной фокусировки и расходимости основного пучка. Рассмотрен вопрос оптимального профилирования входного ИК пумка.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны численные модели, позволяющие с высокой степенью достоверности и с минимальными затратами машинного времени расчитывать энергетические спектры СММ лазеров с оптической накачкой и оптимизировать выходные характеристики устройств по коэффициенту обратной связи оптического резонатора.

2. Проведена оптимизация импульсного дискретно перестраеваемого НН3 СММ лазера. Продемонстрирована возможность существенного увеличения эффективности частотного преобразования за счет увеличения коэффициентов отражения выходных окон для СММ поля генерации и возврата остаточного излучения накачки в активную среду лазера. Показано, что для компактных однопроходных лазерных кювет в случае сильных линий максимальные КПД обеспечиваются при коэффициенте отражения выходного зеркала на уровне 10+20%, в то время как для "глухого" зеркала достаточным является коэффициент отражения 60*70$ интенсивности СММ излучения.

3. Получены численные решения нелинейных волновых уравнений в безразмерной критериальной форме, позволяющие определять характеристики выходиого излучения в зависимости от изменяющихся

в широком диапазоне размерных параметров нелинейкой среды и начальных распределений амплитуд. Для различных режимов самовоздействия ИК излучения накачки определены оптимальные начальная фокусировка и расходимость падающего излучения, при которых достигается максимальная эффективность преобразования.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

1. Теоретическая модель, описывающая взаимодействие мощных встречных волн излучения генерации СМИ диапазона и ИК излучения накачки в активной среде рамановского лазера. Модель основана на разложении спектральных компонент наведенной поляризации в ограниченный ряд по продольным пространственным гармоникам и точно учитывает структуру энергетических уровней активных молекул и граничные условия для полей в лазерной кювете.

2. Впервые экспериментально " и теоретически исследована конкуренция встречных волн стоксова поля, вызывающая асимметрию генерации "вперед-назад". Расчитаны■распределения интенсивностей волн в резонаторе СММ лазера и определены оптимальные значения коэффициента обратной связи для когкретных спектральных линий, типичных интенсивностей падающего ИК излучения и параметров лазерного резонатора.

3. На основе численного моделирования методом параболического уравнения впервые произведен расчет конфигурации волновых пучков ИК излучения накачки и СММ генерации при резонансном ВКР. Определены условия возникновения многофокусной структуры полей и эффективной фокусировки стоксова излучения в комбинационно-активном волноводе. Расчитаны обобщенные зависимости фокальных интенсивностей полей и фокальных длил от

частотных отстроек и начальной фокусировки падающего излучения накачки.

4. Определены оптимальные диаметр и расходимость основного пучка на входе для достижения предельной эффективности преобразования и сокращения длины суперлюминесаентного рамановского лазера в различных режимах самовоздействия излучения накачки.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на 15-й (Орландо. США, 1990 г.) и 16-й (Лозанна, Швейцария, 1991 г.) Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам, на 14-ой конференции молодых ученых МФТИ (Долгопрудный, 1989 г.)

Публикации.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в б работах, перечисленных в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 172 страницы, из которых 125 страниц основного текста. Диссертация содержит 34 рисунка на 30 страницах, 2 таблицы на I странице. Список литературы включает 156 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы, изложены защищаемые положения и приводится краткая аннотация работы по главам.

Первая глава содержит обзор экспериментальных работ по мощным дискретно- и непрерывно-перестраеваемым СКМ лазерам с

оптической накачкой, анализ теоретических подходов для описания многоквантовых и параметрических процессов и явлений резонансного самовоздействия излучения в газовой среде. Рассматриваются экспериментальные и ' теоретические данные исследований спектроскопических и кинетических характеристик молекулы N113 , как одной из наиболее популярных среди активных молекул для резонансного ВКР (РВКР).

В 1.1 рассмотрены стационарные модели, основанные на традиционных трехуровневых, четырехуровневых схемах, а также на полностью резонансной схеме, содержащей шесть уровней, позволяющей включить в рассмотрение все наиболее важные процессы в СММ лазере. ПолуклассическиЯ подход и использование формализма матр:щы плотности позволили описать эффект Штарка в переменном поле и рамановские процессы, обеспечивающие перестройку частоты генерируемого стоксова излучения при перестройке частоты накачки. Анализируемые модели отличаются степенью подробности учета особенностей структуры энергетических уровней рабочих молекул. Расчеты энергетических характеристик и оптимальных рабочих параметров рамановского лазера до настоящего времени проводились в приближении плоских волн накачки и СИЛ генерации, бегущих в одном направлении вдоль оси кюветы. Поэтому теория не описывала взаимодействие встречных волн генерации, возникающих за счет РВКР вперед и назад. Ряд экспериментальных работ, целью которых было повышение эффективности и расширение полос непрерывной перестройки частоты генерации, стимулировали разработку модели для расчета распределения полей в оптическом резонаторе СММ рамановского лазера и анализа влияния граничных условий на выходные характеристики установки.

В 1.2 обосновывается необходимость исследования нелинейно-

взаимодействия встречных волн СММ генерации в поле излучения накачки. Сделаны расчеты распределения интенсивностей волн в лазерной кювете с учетом граничных условий на выходных окнах и проведена верификация численной модели посредством сравнения с экспериментальными данными.

В 2.1 сформулированы принципы построения модели мощного рамановского лазера применительно к ■ классической трехуровневой резонансной схеме. В стационарном случае получена система алгебраических уравнений для элементов матрицы плотности, решения которых зависят от равновесных разностей населенностей, отношения частоты Раби к частоте релаксационных процессов для соответствующих переходов и безразмерных отстроек

где ц^ и ы^ - матричные элементы и частоты собственных переходов; А>=А^,ехр(-^'к^г)+А„_ехр( - комплексные амплитуды

в 0 * А в £ 9

полей, составляющие которых - плоские волны, движущиеся во встречных направлениях вдоль оси кюветы; т- время релаксации. Методом пространственного усреднения поляризации нелинейной среды по неоднородности поля расчитаны спектры усиления для встречных компонент генерации в режиме слабого (^^<1) и сильного СМ сигнала. Выявлены условия, при которых проявляется конкурениция встречных э-волн. При условии только в области

одноквантового и рамановского максимумов коэффициенты усиления встречных компонент отличаются. Однако даже при очень большом отношении интенсивностей встречных волн генерации коэффициент усиления более мощной волны не превышает более, чем в 2-3 раза соответствующую величину ' для слабой волны (см.рис.1а), где Ья12=В^1/В^2> В случае сильного насыщения по СИЛ полю, когда сумма (В^+В^) сравнима с величинами В^, конкуренция Енрс^ена

сильнее: коэффициенты усиления встречных волн заметно отличаются по величине по всему спектру, а в области отстроек, соответствующих максимумам усиления в режиме слабого сигнала, возникает поглощение слабой компоненты (см. рис.16).' Проведено сравнение расчетных спектров усиления компонент для различных степеней насыщения , различных величин отстроек и соотношений интенсивностей встречных волн накачки.

В разделе 2.3 для расчета наведенной поляризации применяется

приближенный метод разложения элементов матрицы плотности в ряд

по продольным пространственным гармоникам,. Ойределен минимальный

набор основных гармоник с частотами и волновыми векторами,

соответствующими еолновым компонентам лазерных полей и волнам

поляризации, наведенной на разностной частоте шт=ир-ы,_. Выделение

из разложения гармоник "нулевого" приближения позволило построить

эффективную (с точки зрения затрат машинного времени) численную

модель для расчета с необходимой точностью распределений

интенсивностей волн в лазерной кювете с учетом граничных условий

в резонаторе рамановского лазера. В качестве примера на рис.2

показаны распределения интенсивностей бегущей волны накачки и СИ

встречных волн в "длинном" резонаторе, когда из-за истощения

излучение накачки не достигает выходного окна. У обратной СММ 1

волны наблюдается участок поглощения в середине кюветы, обусловленный конкуренцией с более сильной прямой волной. Расчеты показали, что существует вполне определенный, сравнительно невысокий предел для Ееличиьы коэффициента обратной связи оптического резонатора. Так, например, для сильных линий аммиака с вращательными квантовыми числами Л—1-10 глухое зеркало долкно отражать 50-60% интенсивности падающего СММ излучения, а выходное 10-20% для достижения предельных КПД при оптическом пути луча

накачки в резонаторе 2-3 м. Дальнейшее увеличение коэффициента отражения одного из зеркал приводит к росту стартовой интенсивности соответствующей волны, однако конкуренция приводит к подавлению встречной компоненты в противоположной части резонатора и, как следствие, эффективность не растет или даже падает.

Раздел 2.4 содержит результаты экспериментального исследования рамановского NH3 лазера и сравнительный анализ экспериментальных и численных результатов, проведенный с целью верификации развитой модели. Установка включала дискретно-перестраеваемый импульсно- периодический TEA С02 лазер и СММ гсэвету длиной I м и диаметром 2 см. Конструкция концевых окон позволяла одновременно регистрировать генерацию СММ излучения вперед и назад и выходную энергию ИК излучения накачки. Исследована асимметрия генерации вперед-назад и зависимость эффективности преобразования от граничных условий. На рис.3 показаны графики для выходных интенсивностей прямой и обратной генерируемых волн в зависимости от давления при накачке излучением линии 9R16 С02 лазера. Здесь же показаны расчетные зависимости. Распределение энергии между встречными волнами зависит от граничных условий для СММ поля и истощения ИК поля по длине резонатора. Возврат части выходного полезного излучения обратно в кювету существенно изменял распределение выходной мощности между встречными CIS,! волнами. Предельный КПД достигался при отражении обратно в резонатор остаточного излучения накачки и прямой СЫМ волны с помощью металлических зеркал: квантовая эффективность возросла втрое и достигла 27% при выводе стоксова излучения назад. Оптимизация граничных условий по СММ полю приводит также к снижению пороговых мощностей и расширяет полосы

непрерывной перестройки генерации.

Третья глава посвящена теоретическому исследованию влияния дифракционных явлений на энергообмен между модулированными волнами. В 3.1, 3.2 получены система неоднородных параболических уравнений, описывающих искажения амплитудного профиля волн в квазиоптическом приближении, и рассмотрена методика численного эксперимента. Далее приводятся результаты моделирования дифракции генерируемых СММ волн в заданном поле пространственно модулированной волны накачки. Показано, что в активных средах СММ рамаковских лазеров дифракция приводит к захвату стоксова излучения в комбинационно- активный волновод, образованный за счет нелинейной зависимости показателя преломления и неоднородности коэффициента усиления по сечению волны накачки. На рис.4 показаны зависимости диаметра СММ пучка и осевой интенсивности от расстояния в нелинейной среде для различных отстроек ИК поля. При с!р>0 сходящийся волновой фронт формируется уже на стадии экспоненциального роста Б-сигнала: пучок сжимается и осевая интенсивность растет гораздо быстрее с расстоянием, чем в случае с!р*0. При накачке синей области Ж перехода излучение генерации фокусируется только на стадии существенно нелинейного взаимодействия полей, причем сходящийся волновой фронт формируется в центральной части основного пучка. В результате, на стадии сильного энергообмена образуется кольцевая структура радиального профиля интенсивности. При с!р>0 основная часть мощности генерируемого излучения концентрируется в центральной части пучка накачки, где формируется гладкий колоколообразный профиль интенсивности.

В 3.4 численно решается система уравнений, описывающая взаимодействие волновых пучков накачки и СММ генерации с учетом

излучения. Уменьшение поперечных размеров области перекрытия пучков на стадии сильного энергообмена снижает эффективность преобразования. В 3.5 исследованы возможные способы оптимизации выходных энергетических характеристик и сокращения оптимальной длины кюветы за счет подбора начальной фокусировки и расходимости падающего излучения. Обнаружена существенная зависимость предельного КПД от величины и знака отстройки поля накачки.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Сформулируем основные результаты данной работы:

1.Впервые на.основе резонансной трехуровневой схемы развита теоретическая модель, описывающая взаимодействие встречных волн генерации под действием мощного излучения накачки в активной среде СММ рамановского лазера. Определены условия возникновения конкуренции встречных компонент стоксова поля, вызывающей асимметрию генерации "вперед-назад".

2. Построена эффективная численная модель с использованием метода разложения элементов матрицы плотности в ряд по продольным пространственным гармоникам. Модель позволяет расчитывать распределения интенсивностей волн в резонаторе и энергетические спектры СММ лазера.

3. Проведена оптимизация энергетических характеристик рамановского лазера по коэффициенту обратной связи оптического резонатора. Найдены оптимальные параметры лазерного резонатора для достижения предельных эффективностей при накачке сильных линий аммиака со значениями вращательного квантового числа Л—1—10 и небольших отстроек накачки.

4. Экспериментально исследована асимметрия генерации вперед-

назад и зависимость эффективности преобразования от граничных условий в Ш3 СММ рамановском лазере. Показано, что оптимизация коэффициента обратной связи позволяет в несколько раз повысить КПД преобразования и обеспечивает существенное расширение диапазона непрерывной частотной перестройки выходного стоксова сигнала.

5. Впервые численными методами исследована нелинейная •дифракция волновых пучков излучения накачки и стоксова сигнала при резонансном ВКР. Показано, что на стадии сильного нелинейного взаимодействия полей излучение генерации захватывается в комбинационно-активный волновод, причем пространственные характеристики СММ пучка критически зависят от знака частотной отстройки основного поля. Выявлены условия, при которых в нелинейной среде возникает многофокусная структура полей.

6. Исследовано влияние нелинейно-дифракционных явлений на эффективность преобразования частоты. Для различных режимов самовоздействия и величин мощности излучения накачки рас.читаны общие зависимости, позволяющие определить оптимальные фокусировку и расходимость ИК пучка на входе в активную среду.

Основные результаты диссертации отражены в работах:

1. Батанов В.А., Волков А.Ю., Петрив B.C., Радкевич А.О., Телятников А.Л., Тимофеев С.В., Флеров В.Б. Взаимодействие встречных волн в активной среде комбинационных лазеров // Квант, электрон.. -1990.-Т.17, №5.-С.572-576.

2. Петрив B.C., Радкевич А.0., Телятников A.JL, Тимофеев С.В., Флеров В.Б. Оптимизация параметров генерации рамановских лазеров // Рукопись депонирована в ВИНИТИ. -1989. Jf576I-B89.

3. Batanov V.A., Petriv V.S., Radkevich A.O., Telyatnikov A.L., Volkov A.Yu. Self focussing of pumping radiation in NH3 Raman laser // Int. Conf. on IR & MM Waves. -1990. -Orlando, Florida.

4. Betanov V.A., Petriv V.S., Radkevich A.0., Telyatnikov A.L., Volkov A.Yu. Simulation of pumping beams self focusing and defocusing in NH3 Raman laser // Intern.. J. of IR i MM Waves. -1991.-Vol.12. No.7.-P.703-715.

5. Batanov V.A., Petriv V.S., Radkevich A.O., Volkov A.Yu. Nonlinear diffraction of generated FIR wave beams in optically pumped Raman laser // Int. Conf. on IR & MM Waves. -1991. -Lausanne, Switzerland.

6. Batanov V.A., Petriv V.S., Radkevich A.O., Volkov A.Yu. Interaction of spatially modulated pump and FIR waves in Raman laser // Intern. J. of IR & MM Waves. -1992. -Vol.13, No.4.

Рис.1. Спектры коэффициентов усиления встречных з1- и б2-волн в поле бегущей волны накачки; В2 =50 (В2 -0); В2,+В2 -Иа). ,50(6);

р1 р2 Б 1 82

Ьз12-1 (графики I), 2 (графики 2), 9 (графики 3).

Рис.2. Распределение интенсивностей волн какйчк^и СММ генерации; В2(г=0)-50, с! =0, I =0.8 м; коэффициенты отражения К0-20%, (графики I), 10% (графики 2), 20% (графики 3), 50% (графики 4).

7 ВО

120

60 0

¡а кВт/см 2

С в

¿'4 <ор

Рис.3. Зависимости выходных интенсивностей СММ волн от давления. 1р(0)-4.8х106 Вт/см2, Ь-104 см. Расчетные зависимости - без учета (графики I) и с учетом (графики 2) многомодовости накачки.

л о

Оя /2ар

го

г,о 00

а

С

2^0

170

в?(р=о)

/

/у //

JЯ 55 Р2 6

Рис.4. Зависимости диаметра СММ пучка.(а) и осевой интенсивности (б) от расстояния; Вр_-50, а «0.4см, <1 -0(1),+5(2), -5(3).

г Ь р р

?

В?8

с /

р2 Б

Ф- Ю

5

О 15 30 45 60

1 О

Рис.5. Фокальные осевые интенсивности и положения фокусов в зависимости от для ¿„—5 (самофокусировка накачки), ВрС=100.

Рис.б. Безразмерные осевые интенсивности и диаметры пучков в зависимости от расстояния для

0^=0.12, <1р--б.

в^гоо,

в£(р=о)

0.0 0.4 о.а 1.2 1 6

НФГи 3„,: -/¡за 29 {С.92 тир ЮС)