Обращение волнового фронта лазерного излучения в петлевых схемах и вырожденном резонаторе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

«О I' «,^ ?

ИОСШВСКИП ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УШЗЕРСИТЕГ ЕМЗНИ М.В.ЛОМОНОСОВА ■

Физический факультет

На правах 'рукописи УДК 621.373.535

НИКОЛАЕВ Дмитрий Алексеевич

ОБРАЩЕНИЕ ВОЛЮВОГО ФРОНТА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПЕТЛЕВЫХ СХЕМАХ И ВЫГОЗДЕННОМ РЕЗОНАТОРЕ.

Специальность- 01.04.05- опили •

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степенз кандидата фззпко-катематотескет паук.

йосква - 1392

Работа выполнена на кафедре оцтаха и спектроскопия, физического факультета МРУ ш. Ц.В.Лоыоцооова.

Научный руководитель: кавдвдат физико-матеметическшс наук, старший научный сотрудник В.И.ОДИНЦрВ

Официальные одоненти: доктор фнзико-матеиатнческшс наук А. И. СОКОЛОВСКАЯ кандидат фкшсо-ыатематнче сип наук Д.П.КРКНДАЧ

Ведущая оргавжзздЕя: НИИ Радиоэлектроники и лазерной техшжи ИГТУ им Н.Э.Баумана

Зэггпта диссертация состоится и 1992 года

й I ¿у "часов в аудаторан на заседании Спацкатазнро-

.ванного совета й I ОЭТФ (шгфр К 053.05.17) в Московской государственном университете ей. И.В.Ломоносова.

Адрес: 119899, ГСП, Ыосвва, Деканские гора, ЩУ, физически факультет.

С дгссартацией можно ознакомиться в.. библиотека физического факультета ИГУ.

•Автореферат разослан " ¡В" \MCljX 1ээя г.

Л-.С.ИШЕЖО

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

"Актуальность теш. Обращении волнового фронта (ОВФ)

является одним из наиболее вата и интенсивно развивающихся направлений нелинейной оптики. Оно широко попользуется для рененая целого ряда задач лазерной и адаятизяоа оптики, в которых требуется компенсация фазовых аскаагпшй, вносимых оптически неоднородными средами.

В настоящее время существуют дза основных метода обращения волнового фронта- ОВФ при обратном вкнухдешюм рассеянии (ВР) и ОВФ пра четнрехволновом смешении света (ЧВС). Наиболее пирокое распространение первый метод получал при использовании • Еынукдзниого рассеяния Мзндельштама-Бршшоэна (ВШБ), и в меньшей степени вынупленного температурного рассеяния (ВТР). Метод ОВФ при ЧВС реализован па основа целого ряда фаапчзских механизмов, таких как резонаяетгая, тепловая, ВР- нелинейности и нелинейность фоторефрзкгавша материалов.

ОВФ при возбуждении ВР па проход требует енсокой мощности возбузданяя ВР, поэтому метод обычно применяется.для ОВФ излучения лазеров высокой мощности. Коэффициент отрзгепия в этом методе Ее иозет превышать I. '

ЧВС позволяет обращать слзбые пучзеи с большши хогффициептаки отражения, однако, требование высокой моидаости в данном случае переносится на дополнительные опорные пучки, которые к тому та должны быть фээово-сопряженннш по отноиешш друг к другу.

В последнее время получая вшрокое распространение нетод, названный петлзвой схемой. Он позволяет существенно (приблизительно но порядок) снизить порог обращения по сравнении с

ОШ при ЕР без использования опоршлс волн. В основе «erода лежит наршатркческая генерация обращенной водш с нолоаотсльной обратной связь».

Одаоа из важнейших проблем ОШ является усовершенствование известиях я разработка новых методов с целью дальнейшего сшита яия порога для обращения излучения импульсных лазеров средней и [¿алой мощности, и, в частности, такого вахного класса лазеров, зак лазера на красителя!. Поскольку лазеры на красителях обично характеризуйся ыкрокоа ланне® генерации, то аелательва разработка методов ОШ широкополосной накачки.

Цэлыо десерадкоЕноа работы являлось:

- разработка модафккацга . петлевой схеш, позволяющей оншать пороговую мощность обращаемого пучка по сраш?ешш с обычным вариантом петлевой схеш н. возвращать излучение накачки посла полного- облета петлевой схеш по ее первоначальному пути;

- заработка метода ОШ на основе возбузданая БРМБ под малаш угламж в петлевой схеш, поаволявдаго получать обращешш с ыаяиы частотным сдвигом в пригодного для широкополосной накачки;

- Бсслэдоваяпз возможности прз ВТ? в растворе органического красителя в условиях возбуждения на одел проход и в вцроадошюц резонаторе;

- разработка метода, позволяющего получать обращение слабых пучков ншшчкк за счет генерация обращенной волны в внрозденвоа резонаторе, впутри которою расположены роэонанснне усиливающая в поглощающая, среди.

Научная новзрна работа замоталась б следующем: . - осуществлена модификация петлевой схеш ОВ5, позволяющая возвращать возбуздозгадае излучение в актввяув среду лззера и

обладающая более его кем порогом возбуждения ВР со срггаешта с обнчннм вариантом петлевой схемы;

- вперше осуществлена петлевая схема ОВФ с использование;,! ВР® под небольшими углам рассеяния;

- исследованы особенности ВТ? в растворе органического красителя и возможности его использования дай целей ОВЗ;

- осуществлен новыа метод ОБ® с использованием яыроздзнного резонатора с усиливающей п поглощающей среда1«!.

Научная я практическая олачзмоата работа определяется те;-!, что ее результаты могут бить использовали пря создания схем ОВФ излучения тагаульсннх лазеров срздгоЗ а колой мощности.

Зотрщгемыо лологепня.

1. Разработана я экспериментально 'реализовала модафкацая петлевой схемы с зеркалом, возврзцсщад изяучегаз в нелшейаув среду. По сравнении с обьгашм вариантом потлзеоЗ схеш метод дает двухкратное сншсние порога возбуждения ВР. .

2. Разработан и экспериментально реализовал метод ОВФ при возбуждении ВРМБ под налами углями рассеяния в сачопересехавдемся пучке накачки. Метод, в пршпдаю, могйт бить использован для обращения волнового Фронта пирокополосяой вокачиа.

3. Показана возможность ОВФ при возбужденна' ВТР в растворе органического красителя. Показана возможность значительного •снагепия пороговой мощности возбундения КГР при кснользованзп внроздэнного резонатора.

4. Разработан п экспериментально осуществлен метод ОВФ в вырожденном резонаторе с размещенными внутри него уешшваящва средой и насыщающимся поглотителем,

Аппробация результатов работа. Основные результаты

диссертационно!! работы докладывались на II Всесоюзной конференции "Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах" (г. Ыаяск, Ш АН БССР,1983 г.), на Всесоюзной конференции "Физика и применение твердотельных лазеров" (г. Москва, ИО$ AJICCCP, I9SOT.)., иа конференция совета молодых ученых НИШ UTS' (г. Москва, ШИЯФ ИГУ, 198Э).

Публикации. Основные результаты изложены в 5 опубликованных работах, список которых приведен в конце реферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из

введения, пяти глав, выводов ж списка цитируемой литературы. Полный обхеи диссертации составляет 147 страниц. Она содержит IOO стр. машинописного текста, 36 рисунков. Список цитируемой литературы насчитывает Ш. наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЗАШЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обоснована актуальность выбранной теш диссертации, сформулирована цель работа, отмечены научная новизна, научная и практическая значимость, приведены защищаемые положения и кратко излозено содержание работы по главам.

Первая глава диссертации является обзорной. В ней на основе литературных данных рассмотрены основные особенности процессов ВИШ и Bl'P, как наиболее широко используемых видов BP для целей ОШ. На основе обзора оригинальных работ кратко проанализированы основные метода- садаобращенпе при обратном BP и ОИ при четырехвоошовом смешении света, рассмотрены результаты работ по петлевым схемам и 0B¡> в вырожденном резонпторе. Рассмотрены физические механизма и метода ОВФ в растворах органических

красителей. Кратко обсуядепы преимущества и недостатки различных методоз ОВФ.

Вторая глава посвящена разработке модификация петлевой схемы о зеркалом, возвращайте пучок некзчкя в нелидеЗауз ерэду.

Щжнщпшальяэя схема метода показана на ряс Л. Излучение накачки в еидз лучка LI+ проходят через яелшгаЗну» среду I и зеркалоки 2, 3 снова направляется в пзз в виде пучка 12". Возвращающее зеркало 4 формярует еще два пучка накачка: L2+ и II-. Излучение ВРМБ с обращавши по отпогсппи к накачке волковна Фронтом распространяется но то«у та пути в обратной направления (пучки SI*, SS1, показанное пувктгроа). При налички пучка S2* в поло лазерных волп II" я ъг~ происходит, параметрическое возбукдепге пучка SI4". Этот пучок после' отражения от зеркал 2-4 переходит в пучок S2f, что обеспечивает полозптольную обратную связь. Оря необходимости зеркало 4 позволяет возвращать гзяуганке накачка в ахстзнуя среду лзгера.

Проведено теоретическое рассмотрение метода. Получено условие

Z

Рис. I

стационарной геварацин ВГИБ. Показано, что пороговый коэффициент уснлензя БРНБ в петлевой схеие с зеркалом в отсутствии потерь

ДОр тг~1

— излучения составляет G^t = 1гл2, что в два раза шаге порога в

обнчной петлевой схеке.

Зкспзр&ювтально исследовано ОБФ пространственно-неоднородной

, пзкечкн при ЕозбуздзЕин BBS с ишшзовшзеы световода.

Результата ксследованяя пороговых условий возбуздагш BBS

показаш хорош е согласие с результата® теоретического расчета.

Рассеянна?, волна являлась сбрадаетой по отношен«® к вакач&з.

Качество обратная составляло »0,8.

D тратей главе диссертация исслздоьшо ОШ пра ВРЩ код

. иалыап углаш: в сшогоресекшацекся пучкэ накечкц. Пркшдакальаая

схема метода показана на рас.2. Пучок накачки I1' прохода? через

нелинейную среда I и эеркаламн 2, 3 вновь направляется в нее в

бвдс 2Г. излучение ВВШ с чзстотгаш сдвигом, соответствуй:!®

.углу ра-свяная ф, к с обращенный но ©тволшшв к накачке водаовш

фронтои распространяется по тоау зш пути в обратно« ноправдзнЕЗ

(пучки S*, 5"), . '

По сравнению с обрашга ВИШ рзссеяши код иалнж угла®

Еизет иениую. величину частотного сдвига, Ссдааую инерционность

процесса и бааяий дальний ко&ффащват усашюя. Тзоретачвсва

показано, что в гтон случае возыонносга ОБФ вврокоаолоской накачав

в оулачяе от обратного BBS из ограничены . необходимости)

прешиенш! критической спектральной плоудосте накочкн. Гассмотрсва

условия стационарной генерации. Получено пороговое зеэч&шэ

полного коэф}дцЕенга усиления ЕШБ, которое в отсутствии потерь

вор

получения ка нетла составляет Gj+ =1. Это лишь немного врзенагаат пороговый коЕффн1дант усиления обратного ВЕ-Ш для ооичдой петлевой

j-е-

Z

Рис. 2

схемы. Однако, ввиду уве-тачепяя удельного коэф?гяцяента усиления ШШ пэлзчлвд пороговой алтевсзшиостя возбуядалщего яаяучетя пра расселяли под каляя углами оказывается овсчдтеяьио тааыте.

Проведено эггспержептальное исследование предложенного метода. ПП'Б с OES пространствеаао-неодяородасго узкополоспого излучения рубшэтго лазера восбуздаяооъ с использование!! скотовода v поди п Угол рассеяния а обош случаи составлял 10-15°. Россе.'щаоз гзлучзтгаэ »тало чоототпнй одевр валаЗ яо сравнении с обратит ВВ.® (например, лт CCl^ » 2.10-2 аГ1проттю 0,14 см~*в случае обратного рассзяггая). Ксследовгпта условия пззОуадпия КП5Б воивзажэ слабую оавпсинссть пороговой гятснсяепостп пахачнз от дгалн петлл. Сошмяеалезюз результатов ррснзрпмзнтадьпсго я теоретического исялодоваанЗ порогскк усяовза позСуздевня ЗШБ доказало хорокге согласна. Качесупо обременял з эксаермг'знте соотааладо ^ 0,6.

Четвертая глава посвящепва экспериментальному исследована» возыоаностя ойрацаыия волнового фронта накачки при шзбувдешга BIP в растворе органического красителя. В экспериментах использовался раствор органического красител 1HG26H в ВТР-ахтивной среде дихлорэтане. Рассеяние возбусдалось излучением рубинового лазера и перестраиваемого но частоте лазера на красителз, длина волн которых приходились в дави» поглощения красителя, соответствуаздю переходу с основного с ¿штатного уровня S0 на первый ' возбужденный гашглзтний уровень Sj. Работа велась в условиях,_ когда интенсивность накачкк намного превышала интенсивность насыщенЕЯ этого перехода. Показано, что ОПФ накачки в этих условиях возможно за счет переходов на более высоко рэсяшюзеянно сшглегаие уровни, которые характеризуются ыашшх временами релаксации, а обратные ■перехода с них обладают назкша квантоиш шходааи.

Исследовались особенности процесса возбугдешхя ВТР так излучением соответствующим но частоте коротковолновому склону контура лиши поглощения красителя на переходе Sq-Bj, так а в длинноволновой части этого контура, где лшши поглощения к ламинисцепции перекрывается когда собой. Показано, что 'в последнем случае коэффициент отражения ОВФ-зэркзла растет с увеличением мощности накачки быстрее и качество обращения выше (~0,6-0,8 против -0,2 при возбуждении красителя в коротковолновой области контура линии поглощения).

Наряду с возбуждением ВТР из один проход, Сало исследовано возбуздениз ВТР в впрозденяом резонатора. Показано, что в этом случае достигается снижеявз порога возбугдення приблизительно на порядок.Рассеянное излучение, выходящее из вырожденного резонатора, било «Зращенаш во отношению к накачке. Качество

- II -

обращения в этом случае достигало "0,8.

В пятой главе диссертации предложен и экспериментально реализовав метод ОВФ с использованием вырожденного резонатора, внутри которого помещаются усиливающая среда и насыщающийся поглотитель. Метод позволяет обращать волновой фронт пучков малой мощности и характеризуется отсутствием частотного сдвига обращенной волны. Схема нетода с использованием простейшей линейной конфигурации внроздетаого резонатора, состоящего из полупрозрачного плоского зеркала I, собиравшей ланза 3 и глухого сферического зеркала 5, показана на рпс.З.

Метод основан на том известном факте, что слабая обращенная волна испытывает меньшее поглощение, чем встречная мощная волна накачки. Что касается волн необраценшх конфигураций, то их поглощение не отличается от поглощения накачки. Аналогичное различие существует и при усилении волн. За счет гтого оказывается возмохша? выполнение условия генерация в резонаторе только обращенной по отшжеЕет к шешей накачке волны. Для этого

Рис. 3

необходимо, чтобы Еасищение, создаваемое водной накачка в поглощающей среде было больше, чем в усиливающей. Экспериментально это реагтаовцвалось за счет постановки номщэвщей среда Б в резонаторе справа за собирающей линзой, где сечение пучка пакачки в резонаторе ижшгмальное, а интенсивность максимальная. Усиливавшаяся срзда Я распологалась в том места, где дааыетр пучка накачка максимален.

Экспериментально получено OBS излучения лазера на раствора органического красителя мощюстью ~ I кВт о Солшш I) коэффициентом преобразования анергия накачки в обращенную волну к висок1Ш 0,9) качеством обращения. Цроведен анализ

экспериментальных результатов.

В заключении работы сформуларованы основше вывода:

1. Предложена модификация петлевой схеш позволяющая возвращать издучаша накачка в нелинейную среду и в активную среду возбуждающего лазера. Схема позволяет получать двукратное сшгаииа порога возбуждения ВВ5Б по сравнеш» с обычшш вариантом петлевой схе&ы.

2. Осуществлено возбуждение ОВФ при BHffi в петлевой схеие с зеркалом. Получена зависимость пороговой moejbocth накачки от длина петли. Экспериментальное значение порога хорошо согласуется с теоретически,и оценками.

3. Разработан-метод ОВФ при ВРИБ под ыашмя углами рассеяния в самопересекащемся пучке накачки. Он характеризуется малой величиной частотного сдвига и низким порогом возбуждения. Метод иозет быть использован для ОВФ широкополосного излучения.

4. Осуществлена экспериментальная реализация этого метода. Угол рассеяния сотавлял 10-15°. В связи с большим временем

затухаотя фонотаой волны длительность кыэдлъсэ возбуждающего излучения была,увеличена до ~ 1БО не. Результата эксперимента согласуются о тоорзтичеекпмя оценками.

5. Получено ОБ-5 при возбуздетаи вынувдепного температурного рассеявня света в растворе органического красителя в условиях суйествгнного нэскцегая поглощения перехода SQ - Sj. Изучена зашсшость порога возбуждения BIP от длины волны накачки п концентрации раствора красителя. Показано, что в процесса нелинейного взашодэйствия а ОВФ существенную роль кгразт перехода кззду возбуздеввшга урезааш молекул красителя.

6. Осуществлено возбуздевпе BIP з растворе органического красителя с использованием вяроздэлного резонатора. Показана возможность существенного ( ~ па порядок) снижения пороговой моцноота нз~эчки по сравЕЗша с возбуздекием на одш проход.

7. Предложен еоекй метод СВЗ с использопапнзм ецрояденнего резонатора внутрь которого помещается усиливающая среда и тасизшсщаЗся поглотитель. Ыатод позволяет обращать волновой фронт слабой накачка я характеризуется отсутствием частотного сдвига обращаемой волвд. Получено ОВФ излучения лазера па красителе уовдостыо ~1 кВт с высоким коэффициентом преобразования накачки в обращенную волпу и высоки.! качеством обращения ~1.

Осповпоо содеркаяяэ диссертации излохепо в работах:

1. Николаев Д.Л., Одипцов ВЛ1. ОЕФ при ВРНБЪ петлэвоа схеш с зеркалом. Квантовая электроника, 1989, 16, $9, с. I87&- 1881.

2. Николаев Д. А.., Одинцов В.И. Ноше возможности использования петлевой схекы для 0В$ при BFiffi. Тезасц повфэронцпи Совета молодых учеши ШШЯФ ЮТ, !.î., НИИЯ& ИГУ, 193Э, с. 8,

3. Николаев Д.А., Одинцов В.И. Обращение волнового фронта при возбуждении ВРИБ под. небольшш углами рассаяння в схеме с параметрической обратной связью. Письма в КМ, 1989, 15, й19, с. 30-33.

4. Николаев Д.А., Одинцов В.И. ОБФ при возбуждении ВИБ под иабольиими углами рассеяния в самоиересекшдемся пучке Еакачка. Материалы Всесоюзной конференции "Обращение волнового фронте лазерного излучения в нелинейных средах".Цепок, Институт физики АН БССР, 1990, с. 162-168.

Б. Николаев Д.А., Сданцов В.И., Пономарев А.Н. Возмоаностя использования вынужденного температурного рассеяшя света в растворе красителя для создания ОВФ-зеркая. Материалы Всесоюзной конференции "Физика твердотельных лазеров и их применение", .Ыосква, ИОФ АН СССР, 1990, с. 68-вЭ.