Оптико-физические процессы в пространственно-неоднородных лазерных системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ пг.п . „ ИМ. М. В. ЛОМОНОСОВА

РГ6 од _

' , f Физический факультет

УДК 621.378.335 На правах рукописи

КОРОЛЕНКО Павел Васильевич

ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕОДНОРОДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМАХ

(01.04.05 — оптика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1994

Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор B.C. ГолуОев; доктор физико-математических наук, профессор В.П. Кандидов; доктор физико-математических наук, действительный член Российской академии инженерных наук, профессор В.Н. Очкин

Ведущая организация: Институт общей физики РАН.

0D

Защита состоится

часов на заседании Специализированного совета Д.053.05.39 по оптике, радиофизике и акустике при МГУ по адресу:

119899, Москва, Воробьевы горы, Физический факультет МГУ, ауд.тлена академика Р.В.Хохлова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотете физического факультета МГУ.

Автореферат разослан

Учёный секретарь Специализированного Совета доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Бурное развитие лазерной физики и квантовой электроники связано прежде всего с возможностью осуществить с помощью лазеров кардинальные преобразования в области современной технологии, метрологии и связи. Однако интерес к изучению лазерных систем обусловлен еще и тем, что лазер является уникальным объектом физических исследований. Их проведение обогатило физическую оптику сведениями и представлениями о новых оптико-физических процессах и явлениях фундаментального характера.■ Количество публикаций в области физики лазеров продолжает быстрыми темпами увеличиваться. Это объясняется двумя основными причинами. Во-первых, далеко не полностью изучен широкой спектр интересных и важных в научном отношении явлений, происходящих в лазерных системах, что мешает общему концептуальному оформлению экспериментальных и теоретических данных. Во-вторых, ждут решения иногие прикладные проблемы, относящиеся к разработке более совершенных лазерных устройств и к их применениям. Значительная часть этих проблем связана с исследованием влияния на характеристики лазерных систем пространственной неоднородности элементов оптического тракта, усиливающей и передающей сред. Основная тенденция проводимых в указанном направлении исследований состоит в поиске условий реализации одномодовых режимов, обеспечивающих получение узконаправленного излучения. Эта задача рассматривалась, в основном, для лазеров, работающих на типах колебаний открытых резонаторов. В то же время она явно недостаточно проработана по отношению к лазерам, генерирующим в волноводном режиме. В частности, практически не изученным оказался режим генерации, когда роль волновода играет активная среда с деформированным под действием поля пространственным контуром усиления.

Вне основного русла исследований-оказалось также изучение возмокности формирования узконаправленного излучения за счет пространственной синхронизации мод со сложной структурой поля. Неизученными оказались, в частности, процессы пространственной синхронизации многопучковых типов колебаний, которые принято описывать, используя формализм многоходовых мод (М-мод). Необходимо установить, какие факторы являются определяющими с точ-

ки зрения влияния на структуру волнового фронта излучения, сформированного суперпозицией пространственно синхронизированных мод. Требует выяснения эффективность способа пространственно-неоднородного вывода энергии внутрирезонаторного роля лазеров. Проработка указанных физических вопросов дает возможность выявить дополнительные ресурсы улучшения характеристик генерации в широкоапертурных системах со сложным модовым составом. Таким образом, представляется актуальной и логически оправданной постановка комплексных исследований оптико-физических процессов, происходящих в неоднородных лазерных системах со сложной или деформированной структурой поля.

Цель и основные задачи исследования. В данной работе для описания оптических явлений используется подход, основанный на представлении полей как однородных, так и неоднородных систем в виде мод - волновых структур, сохраняющих при распространении форму распределения амплитуды и фазы световых колебаний. Влияние неоднородностей сводится к трансформации оптико-геометрических' параметров мод и к изменению характера взаимодействия между ними. За счет вариации фаз интерферирующих мод появляется возможность описывать динамику изменения сложных конфигураций лазерных полей. При использовании такого подхода возникает, однако, физическая проблема, связанная с выяснением условий формирования и механизма взаимодействия соответствующих модовых структур при наличии рассогласованности в системе "поле - среда - оптический резонатор". В диссертации указанная проблема рассмотрена применительно к газовым лазерам на основе решения следующих взаимосвязанных задач:

1. Исследование особенностей генерации, формирования и распространения образующих пучков мод в пространственно неоднородных активных средах, включая анализ эффектов самовоздействия.

2. Определение энергетических, амплитудно-фазовых и спектральных характеристик типов колебаний резонаторов с пространственно-неоднородными элементами.

3. Изучение механизма возбуждения и пространственной синхронизации многоходовых мод (М-мод) с неаксиальными образующими пучками.

4. Выявление причин и условий возникновения дислокаций фаз на волновом фронте лазерных пучков как внутри оптических резонаторов, так и в процессе распространения излучения на атмосферных трассах.

5. Разработка новых типов оптических резонаторов с улучшенными характеристиками и создание для них расчетных моделей.

Все проведенные исследования объеденены одной целью: обеспечить комплексный подход к оптимизации характеристик газовых лазеров и изыскать новые возможности улучшения качества их излучения.

Комплексность подхода обеспечивается:

- использованием теоретических моделей, описывающих различные аспекты лазерной генерации в неоднородных системах; эти модели позволяют осуществлять анализ процессов поэтапно, начиная с упрощенных полуэмпирических представлений о поведении среды и поля и переходя к более тонким эффектам, связанный с их взаимодействием;

- разработкой расчетных схем, которые дают возможность проводить параллельно оптимизацию энергетических, амплитудно-фазовых и частотных характеристик генерации;

- экспериментальным обоснованием расчетных схем, проведенном на лазерах различных типов; лазеры отличались активными средами (атомарные, ионнные, молекулярные), режимами работы (непрерывный, импульсный, волноводннй, суперлюминесцентный), видом резонатора (линейный двухзеркальный, многопучковый, связанные резонаторные системы);

- практическим осущетсвлением на осноЕе полученных физических результатов новых типов лазерных устройств, включая измерение их параметров и стендовые испытания.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые осуществлено всестороннее исследование ряда важных в научном и практическом отношении оптико-физических процессов, происходящих в неоднородных лазерных системах, со сложной или деформированной структурой поля, разработкой и экспериментальной реализацией новых схем лазеров с улучшенными параметрами излучения. Ьовизну работы характеризуют следующие основные положения, выносимые на защиту: .

1. Разработана модель насыщения усиления в неоднородных га-

зообразных.активных средах. Впервые на основе подхода, единообразно трактующего в виде диффузионного процесса перераспределение частиц под действием насыщающего поля по пространственным и "энергетическим" координатам, рассмотрены особенности съема энергии в многоуровневой молекулярной системе. С помощью уравнения Фоккера-Планка выявлены с учетом адиабатичности столкновений условия деформации контура распределения усиления по вращательно-колебательным переходам молекулярных лазеров в режиме генерации. В удобной для практического использования форме представлены данные об оптимальных с точки зрения получения максимальной выходной мощности параметрах мод для различных степеней неоднородности активной среды.

2. Применительно к газоразрядным лазерам установлена возможность использования при определенных условиях метода заданного поля для расчета параметров устойчивого резонатора, содержащего несогласованные со структурой поля элементы. Указанный метод использован для анализа характеристик резонаторов с неоднородными 'зеркалами и наклонным эталоном Фабри-Перо, а также вол-новодных лазеров с внешними зеркалами. Применительно к инфракрасным лазерам показаны преимущества с точки зрения улучшения качества излучения пространственно-неоднородного вывода энергии рабочих мод высших порядков. Одновременно определен уровень дополнительных потерь, возникающих при таком способе формирования выходных пучков.

3. Построены уравнения для амплитуды и эйконала внутрирезо-наторного поля, описывающие с учетом эффектов самовоздействия влияние на структуру поля неоднородностей среды. В безаберрационном приближении найдены решения этих уравнений, осуществлено их сравнение с результатами эксперимента. Впервые теоретически установлен и экспериментально исследован волноводный режим генерации в газовых лазерах, когда роль волновода играет активная среда с деформированным под действием поля профилем усиления.

4. Выявлена применительно к волноводным газовым лазерам роль неоднородностей действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости активной среды с точки зрения влияния на структуру поля. Разработан простой способ расчета дифракционного распространения деформированного под действием неоднородностей лазерного излучения. Предложены способы уменьшения искаясе-

ний выходных пучков.

5. Рассмотрены особенности формализма М-мод для описания полей устойчивых резонаторов. Впервые изучен механизм взаимодействия М-мод, определяющий режимы конкуренции, автомодуляции и пространственной синхронизации. Показано, что за счет усиления дифракционной связи можно достигнуть существенного расширения полосы межмодового захвата частот. Установлен эффект генерации системы М-мод с расстроенными частотами на частоте моды с большим усилением. Сформулированы рекомендации по повышению устойчивости частотного захвата и обеспечению синфазности выходных пучков.

6. Исследовано влияние межмодового взаимодействия и нестационарных возмущений в рабочем газе на кратковременную частотную стабильность (КЧС). Даны практические рекомендации по улучшению КЧС.

7. Предложен способ уменьшения угловой расходимости излучения, генерируемого в резонаторах на М-модах, основанный на формировании в некоторой области резонатора системы образующих пучков с близким направлением распространения и локальным выводом энергии из этой области. Определены условия селективного возбуждения М-мод с параллельными пучками, с учетом которых разработаны новые типы открытых резонаторов. Разработаны и практически реализованы также и некоторые другие типы лазеров на М-модах, сочетающие вывод энергии на волне ТЕМ00 с одночастотным режимом генерации.

8. Исследована структура волнового фронта связанных модовых систем. Установлена физическая природа » условия возникновения винтовых полей внутри оптических резонаторов и при распространении в турбулентной атмосфере. Разработана методика регистрации особенностей их структуры.

Сказанное позволяет характеризовать всю совокупность полученных результатов, а также развитых представлений и методов как новое научное направление в оптике пространственно-неоднородных лазерных систем.

Достоверность результатов обеспечивается тщательностью проработки методики измерений, отсутствием противоречий между экспериментальными и теоретическими данными, соответствием выводов общим физическим принципам и закономерностям.

Практическая значимость определяется тем, что разработанные в ней расчетные схемы и систематизированные экспериментальные данные позволяют с учетом влияния неоднородностей оптимизировать параметры лазеров с открытыми и волноводными резонаторами как с точки зрения повышения выходной мощности, так и с точки зрения улучшения качества излучения. Важный результат выполненных исследований состоит в выявлении дополнительных возможностей улучшения свойств генерации в резонаторах устойчивой конфигурации за счет пространственно неоднородного вывода энергии М-мод'. Резонаторы на М-модах весьма удобны также для использования в прецизионных многопучковых интерферометрах, с помощью которых измеряются малые изменения показателя преломления. Для совершенствования систем коррекции волнового фронта лазерных пучков практическое значение имеют разработанные и использованные в экспериментах датчики волнового фронта, а также полученные в ходе исследований данные о структуре и условиях возникновения винтовых дислокаций фазы.

Апробация работы и публикации. Результаты, полученные в диссертаций, докладывались на Ломоносовских чтениях в МГУ, на семинарах физического факультета и ШИЯФ МГУ, ФИ.АН, ИОШ, НИЦТЛ РАЙ', а также на Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров", Ленинград. (1977, 1982, 1987, 1990 гг.); Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике, Киев (1978 г.), Ереван (1982г.), Москва (1965 г.); Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, Минск (1988 г.); Всесоюзной конференции по кинетическим процессам в неравновесных средах, Москва (1988 г.); Всесоюзной конференции "Применение лазероЕ в народном хозяйстве", Шатура (1989 г.); Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Харьков (1990 г.); Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах, Томск (1991 г.); Симпозиуме по лазерному' и акустическому зондированию атмосферы, Томск (1992 г.); Всесоюзном научном семинаре по математическому моделированию и 'применению явлений дифракции, Москва (1990 г.); Ьикне-Волкском региональном семинаре "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве", Волгоград (1990 г.); Российском научно-практическом семинаре "Распространение радиоволн в городах, пригородных и лесопарковых зонах", Москва (1992 г.).

Список работ, опубликованных: по теме диссертации, приведен в конце автореферата

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух пркл^жени* и списка литературы. Кятдач глава диссертации начинается с развернутой преамбулы, а заканчивается итоговым обсуждением содержащихся в ней результатов. ЛбщиЯ объем диссертации составляет 377 страниц, включая оглавление. Р5 рисунков и 5 таблиц. Список литература содержит 288 наименований .

ООНОЭДОЯ ООД^РКАНИ*; РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной теш, обозначается круг вопросов, рассматриваемых в диссертации, Формулируется её цель и дается краткая аннотация полученных результатов.

Глава Т посвящена рассмотрению в приближении заданного поля характеристик лазерной стационарной генерации при наличии пространственного рассогласования в системе "поле - активная среда -оптический резонатор".

я 5 т.т рассмотрены особенности насыщения усиления в неоднородных средах. Структура поля задается в виде мод устойчивого резонатора. Активная среда считается квадратичной. Как для однородного, так и для неоднородного уширений линии рабочего перехода рассчитана зависимость снимаемой с активной среды мощности от уровня потерь резонатора и степени заполнения излучением усиливающего вещества. На основе выполненных расчетов определены оптимальные с точки зрения получения максимальной выгодней м^щнссти параметры резонатора. Р отличие от известкой схемы оптимизации характеристик оптических резонаторов, предложенной В-Ригродом. постреенная расчетная модель позволяет по известной величине внутрирезонаторных диссипвтивкых потерь определять не только оптимальный коэффициент связи, но и оптимальные поперечные размеры пучка.

Проведен сравнительный анализ процессов насыщения усиления в неоднородной среде для мод высших порядков. Показана, что относительное поведение кривых насыщения усиления для мод с различными поперечными индексами в значительной степени определяется отношением характеристического поперечного размера мод к радиу-

- то -

су активного элемента. Результаты выполненного анализе использованы для характеристики активного сканирующего интерферометра , работающего в режиме регенеративного оптического квантового усилителя. Для работы такого интерферометра важным является то, что даже небольшие различия коэффициентов усиления высших мод могут привести, к- существенным изменениям их коэффициентов передачи. О особенностями насыщения усиления различных поперечных мод следует считаться также при определении модового состава генерации. Лаже на пороге самовозбуждения лазер с квадратичной средой вместо низших мод может генерировать высшие типы колебаний. Это объясняется деформацией контура усиления спонтанным излучением внутри резонатора.

Помимо теоретических расчетов в § 1.1 приведены также данные их экспериментальной проверки на гели^-неоновыХ лазерах с длиной волны п,63 мкм. Результаты экспериментов оказались в хорошем согласии с теорией как в части нахождения оптимальных параметров резонаторов, так и в части определения характеристик генерации на высших модах.

В 5 1.2 проведен анализ' насыщения усиления в активных молекулярных газах. Активные молекулярные среды, нашедшие применение во многих типах технологических лазеров, обладают рядом специфических свойств. К ним, в первую очередь, следует отнесли достаточно большие времена жизни возбужденных частиц, а также сложный многоуровневый характер рабочих энергетических состояний Первый из упомянутых Факторов существенным образом повышает роль пространственной диффузии рабочих молекул. Влияние диФФузии на процесс энергосъЗмэ с активной среды по новому ставит вопрос о выборе оптимальных параметров лазерного резонатора в условиях пространственной неоднородности' поля излучения и усиливающего вещества. Этот вопрос рассмотрен в 5 т.2 на основе двухуровнево* диффузионной модели при произвольном заполнении активной среды излучением. Расчеты показали, что в среде с диФФузией насыщение усиления происходит медленнее, причем влияние диФФузии увеличивается с уменьшением степени заполнения среды излучением. Наиболее ощутимо влияние диффузии проявляется, когда поперечный размер светового пучка становится сравнимым с "длиной диФЛузии". В этом случае снимаемая со среды мощность может значительно возрастать за счет увеличения эффективной области взаимодействия

лазерного пучка со средой. Важно отметить, что точное описание влияния диффузии на характеристики насыщения усиления нельзя осуществить введением некоторых: эффективных констант релаксации. Иа основе проведенных расчетов были определены и представлены в удобной для практического использования данные об эффективности энергосъЗма в резонаторах молекулярных лазеров.

Для повышения точности расчетов энергетических характеристик генерации учитывался также обмен энергией между вращательными уровнями, входящими в рабочие колебательные состояния. Учёт врашателъного обмена производился в диффузионном приближении. Использовалось стохастического уравнение Фоккера-Планка. Было установлено, что диффузионное приближение, также как и анализ системы балансных уравнений для взаимодействующих уровней, позволяет описывать насыщение усиления единым параметром насыщения. Оценка отступления Форш распределения заселенностей по вращательным уровням от равновесной под действием селективно** стационарной генерации, показало, что оно для большинства встречающихся на практике случаев не является существенным. Последний <*акт позволял перенести на генерирующую излучение активную среду методы определения температуры, основанные на сравнении усиления на отдельных колебательно-вращательных переходях.

Экспериментальная проверка результатов теоретического анализа проводилась на газоразрядном ООр-лазере с селекцией линии генерации. Для измерения распределения заселенностей вращательных уровней использовался метод просвечивания. Яанные эксперимента оказались в согласии с теоретическими представлениями. Корректность используемой модели подтвердило и сравнение теоретических зависимостей со сведениями, полученными в ходе экспериментов другими авторами.

В 5 Т.З дан анвлиз влияния на характеристики генерации распределенных по оптическому тракту диссипативных потерь энергии. Особое внимание уделено энергосъРму в резонаторах с большой эффективной длиной, в частности, в резонаторах типа многоходовой кюветы. Показано, что данный тип резонатора не дает выигрыша в эффективности энергосьРма по сравнению с обычным линейным резонатором. Главное его преимущество состоит в улучшении качества выходного излучения. Построен алгоритм оптимизации многоходового резонатора по числу проходов светового пучка и величине ко-

эФФициента связи.

Б 5 1.4 рассмотрены резонаторы, которые содержат оптические элементы, рассогласованные со структурой внутрирезонаторного поля. Анализ осуществлен на примере резонаторов, содержащих наклонные интерферометры ®абри-Перо, диафрагмы, пространственно-неоднородные зеркала. К подобным "рассогласованным" резонаторам отнесен также и резонатор с полым волноводом, зеркала которого располагаются на некотором расстоянии от торца волновода. Расчеты основаны на предположений, что в таких резонатора* в результате пространственной Фильтрации Формируется единая рабочая мода. Возмущающее действие рассогласованных по отношению к ней элементов сводится к переходу части её энергии в "паразитные" типы колебаний. Энергия последних, в свою очередь, рассеивается на внутрирезоняторныт селекторах и апертурах. Для проверки справедливости этого приближения были поставлены два типа экспериментов. В первом из них селективное возбуждение в исследуемом резонаторе рабочей моды осуществлялось с помощью внешней лазерной волны. ЕЗ частота соответствовала ча.стоте селектируемой моды. Второй тип экспериментов предполагал использование для селекции необходимой моды внутри-резонаторянх масок специальной геометрии. Как показали эксперименты, независимо от способа селекции рабочая мода обладает высокой степенью устойчивости к возмущающим Факторам. Так, в резонаторе, имевшем отверстие в зеркале для вывода излучения, высшая мода сохраняла свою конфигурацию даже в таг случаях, когда размер отверстия был сопоставим с радиусом пучка основной моды из-

Важным в практическом отношении является подтвержденный экспериментами с СП^-лезерами Факт получения узконаправленного излучения с дифракционной расходимостью при пространственно-неоднородном Еыводе энергии мод высших порядков. Для опенки эффективности такого способа вывода энергии произведена оценка КПП пространственно-неоднородного зеркала ц . Он определяется отношением полезного пропускания зеркала к полным потерям рабочей моды. Расчеты дают для КГЩ следующее выражение:

(А . .

где t и р1 - коэффициенты пропускания и отражения выводящей

части зеркала; - коэффициент отражения его "глухой" части; Д -- относительная доля падающей на зеркало волны, приходящаяся на выводящую часть. В случае сквозных отверстий в зеркале ( ^ = при Д « Т = Г),5, Экспериментальная проверка последнего выражения подтвердила его справедливость применительно к лазерам инфракрасного диапазона.

Цель описанных во второй главе диссертации исследований состояла в разработке теоретической модели, позволягацей единообразно описать как обычный, так и волноводный режимы генерации газовых лазеров в условиях сильно выраженной оптической неоднородности активной среды, а также в прямой экспериментальной проверке полученных Формул и соотношений. Особое внимание уделено изучению такого волноводного режима, когда роль волнвода играет сама активная газовая среда. Считается, что вблизи оси волновода зависимость ненасыщенного коэффициента усиления от радиальной координаты Ъ носит квадратичный характер 1 1 = = ( ] - где $ - поперечный размер волновода.

В § 2.1 осуществлен расчет неоднородности комплексной диэлектрической проницаемости газоразрядной плазмы £ . Для построения зависимости £, от радиальной координаты 1 используется выражение , . . . . .

Ядесь ¿т (1) и (1) - компоненты действительной части, радиальная зависимость которых обусловлена соответственно температурным распределением и дисперсией; с мнимая часть, зависящая от 1 вследствие неоднородности накачки и эффектов насыщения. Вблизи оси еолновода £.т и можно представить в виде: £г = 60Т + о6т1а/*2; £,,= £оу + где 6о7 ,

• 5оа • ~ параметры, зависящие от газокинетических характеристик усиливающего вещества, формы температурного распределения, распределения интенсивности излучения и коэффициента усиления среды. Определяемая вышеприведенными соотношениями квадратичная модель среды принципиально отличается от модели, рассмотренной в главе Т, тем, что е9 характеристики зависят от параметров пучка. Тем самым, она может быть применена для анализа эФФектов самовоздействия.

Стационарное самовоздействие излучения в золноводном резо-

наторе рассмотрено в § 2.2 на основе следующей системы уравне-

ний:

■ (х, + ^ . Ш)

¿2

'от

2

Здесь значок Л, обозначает операцию по поперечным координатам, Г - амплитуда поля, У - эйконал, к - волновое число,О-- погонные потери. Приведенные уравнения отличаются от хорошо известных в нелинейной оптике уравнений ойконала и переноса тем, что б правой части уравнения переноса стоит член, характеризующий неоднородность усиления среды. Приближенное решение, соответствующее основной моде, ищется в виде

Г=№[(/,ФУ*а]'> У =

где / - функция распределения поля в холодном волноводе. Параметр £ определяет характер деформации генерируемого пучка: при пучок уширяется, а при £ > - сужается. Коэф-

фициент - 1,44 для круглого волновода и 1.23 - для квадратного. Параметры Я и ^ характеризуют соответственно радиус кривизны волнового фронта и дополнительный набег фазы на оси.

На основе выполненных расчетов показано, что на поперечные размеры генерируемого пучка существенным образом влияют эффекты насыщения усиления. При этом радиус цучка зависит от характера ушрения рабочей лиши, от неоднородности ненасыщенного коэффициента усиления и его абсолютной величины. На рис.1 приведены кривые (1-4) зависимости параметра £ от уровня потерь в резонаторе для неоднородной I) и

ОМ

Рис.1

однородно-уширенной (2-4) линий при ^ = 1,44 (1-3) и 1,2 (4),

= 0,06 (1,2,4) и 0,03 см~* (3). Кривые построены в предположении, что коэффициент Ыт пренебрежимо мал. Из рис.1 видно, что изменения параметра носят сложный характер. Можно выделить две области, где происходит сужение пучка по отношению к моде "холодного" волновода: вблизи порога, когда роль волновода играет активная среда с положительным профилем распределения усиления (ненасыщенного), и в диапазоне 0,4 < < 0,65, когда волновсдные свойства проявляет среда с отрицательным профилем усиления (в данном случае насыщенного). Увеличение. ^ , а также уменьшение и скорости насыщения препятствуют сужению пучка во второй области. Рассчитанные кривые имеют участки (помеченные пунктиром), соответствующие неустойчивому режиму генерации, при котором могут наблюдаться гистерезисные явления.

В § 2.3. приведено описание экспериментальной установки и методики измерения характеристик волноводной генерации. Установка состояла из двух экспериментальных стендов. Первый из них включал Не-Ые лазер с длиной волны 3,39 ш. Второй - волноводный СО^-лазер, генерирующий на длине 10,6 мкм.

В § 2.4 изложены результаты экспериментального исследования свойств волноводной генерации, а также проведено сопоставление экспериментальных и теоретических данных. На рис.2' графически представлены данные, объединяющие сведения о профиле распределения интенсивности основной волноводной моды. Теоретические (пунктир) и экспериментальные (сплошные) кривые отклонения реального профиля распределения интенсивности от профиля моды пассивного резонатора для С02~(1-4) и Не-Ке-лазеров (5-8) соответствуют давлению р = 40 (1,2) и 85 мм рт.ст.(3,4), уровню потерь £0/0 =1,5 (5,6) и 2,0 (7,8). Отстройка от центра линии генерации отсутствует. Отклонение 8 определялось по формуле

н/м Г-1М

при у* = 0; I - распределение интенсивности моды, деформированное неоднородностью среды; X -1.

Из рис.2 видно, что пучки, генерируемые СОр-лазером, шире собственных пучков пассивного резонатора, причем поперечный размер пучков растет с увеличением давления. Напротив, в Не-Ые лазере наблюдается сужение лазерного пучка, наиболее отчетливо про-

являвшееся при 2.

При больших д. /а » I лазер переходил в мно-гомодовый режим генерации. Указанное отличие связано с тем, что в СС^-лазере доминирующую роль играет неоднородность действительной части диэлектрической проницаемости среды, обусловленная тепловыми эффектами. Напротив, в Не-Ые лазере определяющей является неоднородность мнимой части диэлектрической проницаемости, ' связанная с не- "0.2 однородностью накачки и

проявлением эффектов Рис.2

насыщения усиления.

§ 2.5 посвящен рассмотрению методов расчета дифракции на торце волновода световых пучков, профиль интенсивности которых деформирован под влиянием неоднородностей. Показано, что весьма вффективным является метод, основанный на разложении поля дифрагировавшей волны по модам свободного пространства.

В третьей главе диссертации рассмотрены свойства лазерной генерации на многоходовых модах (М-модах). М-моды сформированы пучками, которые, отражаясь от зеркал резонатора вне его оптической оси, только после многократных прохождений резонатора попадают в исходное место. При этом световые пятна М-мод располагаются на зеркалах или по эллипсу (окружности), или по отрезку прямой. Условия экспериментального наблюдения М-мод во многом определяются наличием в резонаторе каких-либо пространственных неоднородностей. Такие неоднородности могут быть вызваны помещением в резонатор разнообразных диафрагм, масок, неравномерным отражением зеркал, появлением на них всевозможных

дефектов и т.д. Играет роль распределение по объему накачки активной среды. Сопоставление содержащихся в литературе теоретических и экспериментальных сведений о генерации на М-модах свидетельствует о наличии многочисленных недостаточно проработанных, а иногда просто противоречащих друг другу выводов и заключений. Особенно важен вопрос о - возможности- путем возбуждения в лазерных резонаторах М-мод улучшить качество выходного излучения.

В § 3.1 рассмотрен формализм описания М-мод. Установлена эквивалентность двух подходов к описанию внутрирезонаторного поля: первый из них рассматривает формирование поля как результат интерференции неаксиальных образующих пучков М-мод, второй - основан на представлении её поля в виде суперпозиции собственных ТЕМтп -мод резонатора. Показано, что в случае неравномерного распределения интенсивности по образующим пучкам М-моды, разложение её поля по собственным модам резонатора требует включения в разложение "нерезонансных" мод с отличными от М-моды значениями частот. При возбуждении в резонаторе сложной модовой структуры вопрос о выборе способа её описания является прежде всего вопросом удобства и целесообразности.

Дополнительным свидетельством эквивалентности двух подходов к описанию внутрирезонаторного поля лазеров является совпадение проведенных в § 3.2 оценок угловой расходимости излучения сформированного М-модами и обычными осевыми модами, при одинаковой степени заполнения излучением активного вещества. Если полуоси эллипса световых пятен М-моды на плоском зеркале плоскосферического резонатора, сориентированные по осям X , у, , равны , то соответствующий угол расходимости определяется формулой а_

где а - длина резонатора, К - радиус кривизны сферического зеркала.

§ 3.3 посвящен анализу влияния аберраций резонатора на структуру М-мод; Исследование траекторий образующих пуч-

ков М-мод при наличии неоднородностей среда или аберраций проведено с использованием теории эквивалентных линзовых волноводов. Расчеты позволили сделать вывод о достаточно высокой ус-

тойчивости М-мод к стационарным аберрациям различного характера, встречающимся в газовых лазерах.

В § 3.4 обсуждается возможность получения узконаправленного излучения на основе пространственно-неоднородного вывода энергии М-мод. Из приведенной выше формулы для угловой расходимости М-мод следует, что их возбуздение в широкоапертурном резонаторе с полупрозрачным зеркалом не позволяет получить хорошую диаграмму направленности излучения. Тем не менее можно указать ряд способов улучшения характеристик лазеров на М-модах, основанных на пространственно-неоднородном выводе их энергии. Самый простой из них состоит в возбуждении в резонаторе лазера М-моды с большим числом двойных проходов и локальном выводе энергии из той области выходного зеркала, где располагается одно из световых пятен. Этот способ позволяет снимать энергию с большого объема среды и выводить её в виде волны ТЕМдд. Однако малая выходная апертура накладывает значительные ограничения на величину угловой расходимости.

Другой способ улучшения расходимости излучения основан на возбуждении в резонаторе целой' системы М-мод, образующие пучки которых в некоторой области резонатора оказываются параллельными друг другу. Используя пространственно-неоднородное зеркало, можно осуществить вывод энергии из этой области и получить узконаправленное излучение. По сравнению с первым второй способ позволяет улучшить заполнение излучением активной среды и за счет расширения выходной апертуры уменьшить угловую расходимость. Характеристики генерации при пространственно-неоднородном выводе энергии М-мод рассмотрены на примере двух резонаторов. В одном из них, имеющем полуконфокальную геометрию, возбуждаются моды, образующие пучки которых в периферийной области резонатора параллельны между собой. Их энергия выводится посредством использования неоднородного зеркала, обладающего пропусканием лишь в периферийной части.

Во втором плоскосферическом резонаторе для получения узконаправленного излучения используется следующее свойство М-мод: М-моды с общей осью эллипсов распределения световых пятен на зеркалах формируют систему параллельных пучков, которые пересекают прямую, перпендикулярную общей оси и проходящую через центр зеркала. Задачи - селекции М-мод с общей осью характеристических эл-

липсов и вывода из резонатора параллельных пучков могут быть решены взаимно-согласованным образом. Для зтого в плоском зеркале необходимо выполнить полупрозрачную выходную зону прямоугольной формы, проходящую от центра к краю зеркала. Выполняя функцию отверстия связи,такая зона одновременно является селектором М-мод с необходимой траекторией пучков. Если число проходов пучков по резонатору велико, полупрозрачную зону можно заменить щелью в зеркале. В этом случае лазер работает в суперлюминесцентном или близком к нему режиме генерации.

Описанный способ получения узконаправленного излучения можно рассматривать в качестве альтернативного по отношению к способу, основанному на использовании неустойчивых резонаторов. Неустойчивые резонаторы, свойства которых были подробно изучены в работах Ю.А.Ананьева, успешно используются во многих лазерных системах. Однако их эффективность заметно снижается в случае использования оред с невысоким усилением. Именно для таких сред наиболее целесообразно использовать резонаторы на М-модах.

В § 3.5 содержится описание экспериментальных стендов и методики измерений. Исследование характеристик непрерывной генерации на М-модах проводилось с использованием трех типов газовых активных элементов; голий-неонового, аргонового и элемента со смесью С02-Ы£-Не. Лазеры генерировали соответственно на длинах волн 0,63; 0,49; 10,6 мкм. Для исследования импульсной генерации на М-модах был разработан и создан ТЕА С^-лазер с ультрафиолетовой предионизацией активной среды.'Квазинепрерывный режим генерации СО^-лазера с ВЧ накачкой изучался с помощью специально разработанного коаксиального модуля.

Данные экспериментальных исследований приведены в § 3.6. Они показывают, что требования к качеству и юстировке элементов резонаторов, обеспечивающие стабильную генерацию М-мод, оказываются вполне приемлемыми для газовых лазеров. Анализ кинетики генерации позволил выявить роль процессов межмодовой конкуренции. Их особенность состоит в том, что в лазерах наиболее сильно выражена конкуренция между типами колебаний с общим ходом лучей. Гораздо слабее конкурируют мода с различной траекторией образующих пучков. Указанные свойства имеют важное практическое значение. Они позволяют синтезировать поля, обеспечивающие при хорошем заполнении активной среды необходимое распределение в поперечном сечении амплитуд и

фаз световых колебаний.

Результаты экспериментов показали, что внутрирезонаторные аберрации, не оказывая, как правило, существенного влияния на пространственную структуру М-мод, вызывают заметные изменения в частотном спектре. Эти изменения носили характер расщепления частот генерируемых М-мод, происходящего в диапазоне —'10 мГц. Одновременно был обнаружен проявляющийся при определенных условиях эффект частотного захвата М-мод, приводящий к формированию единой супермоды. Эксперименты с TEA СО^-лазером позволили опробовать различные способы получения узконаправленного излучения, основанного на возбуждении в резонаторе как одной, так и целой суперпозиции М-мод.

Весьма эффективным зарекомендовал себя способ съема энергии с активной среды коаксиального (Х^-лазера путем возбуждения в ее резонаторе М-моды с кольцевым расположением световых пятен. При этом наличие в одном из зеркал резонатора выходной щели позволяло получать узконаправленный вывод излучения. Интересен в практическом отношении обнаруженный в экспериментах с коаксиальным СО^-лазером-эффект автоподстройки поля М-мод к профилю усиления активной среды. Он обеспечивает высокую энергетическую эффективность генерации при наличии в резонаторе пространственных неоднородно-стей. Анализ природы и оценка величины неоднородностей, возникающих в коаксиальной камере (Х^-лазера, проведен в § 3.7. С учетом данных о пространственном распределении оптических параметров в § 3.8 рассмотрены требования к изготовлению резонаторов коаксиальных лазеров.

Четвертая глава диссертации посвящена анализу механизма пространственной синхронизации М-мод. Она состоит из трех параграфов. В § 4.1 изложены экспериментальные факты, характеризующие особенности частотного захвата и условия фазировки квазивырожденных мод с пересекающимися образующими дучками. В § 4.2 дана интерпретация результатов экспериментального исследования. В § 4.3 рассмотрены некоторые вопросы, связанные с практическим использованием пространственной синхронизации М-мод.

Для двухмодовой генерации разность фаз колебаний в захваченных модах и ширина полосы захвата определяются в рамках традиционной квазиклассической модели межмодового взаимодействия. При небольших отстройках их частот от центра контура усиления в приближении слабого поля будет спра-

ведливо уравнение

0.5л иРуа ип г(%- %)= ,

где ^ , У^ - фазы первой и второй мод; , 5?2 - их резона-торные частоты; дО -полоса пропускания холодного резонатора; р - степень превышения порога самовозбуждения;

- коэффициенты, характеризующие соответственно степень перекрытия М-мод и- их дифракционную связь; Ц (7) , Ы1(г) - функции, описывающие распределение полей мед; ^ (х) - проводимость среды, формально вводимая для описания внутрирезонаторных потерь энергии, \/а и V - объемы соответственно активной среды и резонатора.

Взаимодействие М-мод специфично в том отношении, что даже при однородных накачке и распределении потерь они дифракционно связаны. Это обусловлено неортогональностью функций распределения поля К,(г) и иг(г). Однако, если световые пятна М-мод хотя бы на 'одном из зеркал резонатора разведены относительно друг друга, дифракционная связь, как правило, значительно слабее связи мод через активную среду. В этом случае в левой части вышеприведенного уравнения можно пренебречь первым членом и разность фаз %,= ~ У? будет определяться соотношением

откуда непосредственно вытекает выражение для ширины полосы захвата частот: . _ ^ . л _

При малых превышениях порога самовозбуждения, как следует из последнего соотношения, полоса захвата оказывается намного меньше полосы пропускания резонатора Л СО и синхронизация мод становится маловероятной.

Существенно расширить полосу захвата, сделать его стабильным как при малых, так и при больших превышениях порога, генерации можно, используя изменяющиеся по объему резонатора потери. Распределение потерь будет оптимальным, если одновременно резко возрастает дифракционная связь, определяемая коэффициентом

Э£ , и сохраняются на низком уровне потери типа колебаний, формируемого в резонаторе после захвата. При достаточно большой

дифракционной связи _ . ,

sin ^-(ЯгПгУх

и ширина полосы захвата равна 3? . Если выполняются условия \Я,- 1а?| и < О, то устойчивым является режим,ха-

рактеризующийся почти полной фазировкой мод.

Простейшим примером взаимодействия мод с пересекающимися пучками может служить возбуждение в конфокальном резонаторе двух мод - осевой и двухпучковой ( V -образной). Структура внутрирезонаторного поля для этого случая приведена на рис.3. Резонатор образован зеркалами Mj и Mg. Для селекции мод нужной конфигурации в резонаторе располагалась маска М * Величина от-

верстий в ней подбиралась таким образом, чтобы образующие пучки осевой ( 0 ) и V-образной (У ) мод представляли собой волны Тй^д. Поскольку V-образная мода имеет две модификации (четную и нечетную), 'захват частот мог осуществляться лишь в четных порядках конфокального резонатора, где расстройка частот указанных мод была л/ I МГц. С целью контролируемого изменения величины расстройки пучок осевой" моды пропускался через трубку Т , содержащую газ с отличным от воздуха показателем преломления. Регулируя давление газа в трубке можно было менять частоту генерации осевой моды. В экспериментах использовались активные элементы (АЭ) Не-Ые, Аа+ и СС^-лазеров. Вблизи зеркала М^ располагался тонкий стержень, который можно было плавно смещать в поперечном направлении. Независимо от исполь-

зуемого активного элемента наличие неоднородности в резонаторе схожим образом влияло на величину полосы захвата. При определенном положении стержня ширина полосы захвата, составляющая в однородном резонаторе 0,5-1 МГц, резко увеличивалась, достигая 8-10 МГц. Эта величина значительно превосходит приведенное в работах Ю.В.Троицкого значение (300-400 кГц), характеризующее полосу захвата для осевых квазивырожденных мод.

На рис.4-а показано оптимальное положение стержня (пунктир) по отношению к структуре полей осевой моды и1 (рис.4-6), V -образной модыI/(рис.4-в), а также к распределениям (рис.4-г) и (рис.4-д). Коэффициент д! в неоднородном резонаторе, как видно из приведенных графиков, оказывается близким к полосе про-

и ¿с! V , которая заметно увеличивается из-за наличия неоднородных потерь. Существенннм является то, что стержень практически не вносит потерь, поскольку оказывается в минимуме распределения поля. Тем самым неоднородные потери, не ухудшая энергетических характеристик генерации, позволяют обеспечить достаточно широкую полосу частотного захвата и фазировку выходных пучков М-мод.

Эффекты синхронизации мод в многопучковом режиме генерации помимо оптимизации пространственных характеристик излучения позволяют улучшать его частотный состав. Последнюю возможность иллюстрирует рис. 3, где показано, как осуществленная в эксперименте простая модернизация рассмотренного выше резонатора по-

- а 0 6

я > «1

, V /\ 1 / иг 1 /\

~ V у\ 1 / 1 / Ч«-' "А \ /"V

~ У хЛ 1/ ~ ЛЛ^

-1 о х/м- Рис. 4.

зволает обеспечивать одночастотную генерацию. Для этого перпен-дикуларно оси системы устанавливается зеркало Мд, образующее дополнительный резонатор с зеркалом М^. В зеркале М^ просверливается отверстие, размер которого соответствует моде ТЕМцд дополнительного резонатора. Осуществление одночастотного режима достигается с помощью пьезокорректора П путем совмещения в пределах полосы захвата моды ТЕМрд дополнительного резонатора.и

V -образной мода основного резонатора. Преимуществом такого одночастотного лазера является совмещение многопучковой генерации, обеспечивающей высокую степень заполнения активного элемента, с выводом излучения в виде ТШдд-волны. При необходимости в основном резонаторе можно возбуждать моду с большим числом образующих пучков.

К новым результатам, обсуждаемым в четвертой главе, следует отнести и такое установленное в ходе экспериментов свойство меж-модового захвата,как захват генерируемой суперпозиции мод на частоту моды, обладающейнаиболышм усилением. Так, в схеме генерации, изображенной на рис.3, захват, как правило, осуществлялся на частоту осевой моды. В отличие от ранее рассмотренного в литературе так называемого деформационного захвата, обнаруженное явление наблюдается при практически одинаковой интенсивности захваченных мод.

Свойства синхронизированной суперпозиции М-мод могут найти применение в различного рода прецизионных лазерных устройствах. Их перспективность подтвердили результаты испытаний нового типа лазерного многопучкового интерферометра. Этот интерферометр,по существу,представляет собой многопучковый лазер, в резонаторе которого кроме осевой возбуждается большое число (10-12) V -образных мод. Размещая внутри резонатора кювету с исследуемым веществом, можно по изменению частоты ме.жмодовых фотобиений определять неоднородности в распределении показателя преломления.

В пятой главе диссертации рассмотрены фазовые характеристики лазерных систем со сложным распределением поля. При этом особое внимание уделяется выяснению условий и причин появления так называемых винтовых дислокаций (ВД) волнового фронта, кардинально изменяющих его топологию. Основное свойство ВД, представляющей собой точку с нулевым значением амплитуды, состоит в

том, что при обходе вокруг неё фаза световых колебаний меняется на величину, кратную 2 77 .

§ 5.1 посвящен отработке на основе численного моделирования методики регистрации ВД с помощью интерферометров радиального и поперечного сдвигов. Показано, что регистрируемые интерферо-граммы позволяют надежно определять расположение ВД, их знак, порядок, а также степень неравномерности вращения, фазы.

В § 5.2 дано описание экспериментального стенда для определения амплитудно-фазовых характеристик лазерных пучков со сложным распределением поля. Исследуемый пучок через формирующий телескоп подавался на интерферометр радиального сдвига и на двухкоординатный интерферометр поперечного сдвига. Каждое из плеч двухкоординатного интерферометра, обеспечивающего сдвиг в одном из двух взаимно ортогональных направлений, представляло собой интерферометр Маха-Цендера. Основным элементом интерферометра радиального сдвига было плоско-вогнутое зеркало. Структура интерферограмм регистрировалась с помощью фотоаппаратов и телекамер, сигнал с которых подавался на ЭВМ С М-1420.

Исследовались два типа пучков на дайне волны 0,63 мкм. Пучки первого типа формировались многомодовым лазером и сразу же после выхода из лазера подавались на диагностический стенд. Все особенности их структуры определялись характером распределения амплитуды и фазы возбуждаемых в резонаторе мод. Состав мод в свою очередь мог изменяться при помощи внутрирезонаторной маски.

Пучки второго типа генерировались одномодовым лазером. Они направлялись на стснд после того, как проходили путь по наклонной атмосферной трасес. Возмущения волнового фронта этих пучков определялись прежде всего параметрами атмосферной турбулентности. Оптические элементы трассы включали в себя формирующий телескоп, отражающее и приемное зеркала. Отражающее зеркало располагалось на уровне 165 м над уровнем Земли. Трасса располагалась в г.Москве на Воробьёвых горах с использованием зданий "ГУ. Длина трассы в одном направлении составляла 320 м.

В ряде экспериментов с целью повышении точности измерений вместо наклонной атмосферной трассы использиьалась ее ыедзль. Модель предечаьляла еобей кювету, з которой соиданасмш: путем нагрева спирали кенвектиинкй потек воздуха разбивался воздуш-

ной струей.

Б § 5.3 приведены экспериментальные данные о дислокациях волнового фронта, формирующихся в лазерных резонаторах. Подробно описан процесс зарождения ВД на оси лазера с конфокальным резонатором. Показано, что по мере увеличения внутрирезонаторной ограничивающей диафрагмы и удаления от порога генерации сферический волновой фронт трансформируется в винтовой, структура которого определялась наличием на оси БД первого порядка. При дальнейшем увеличении апертуры для лазера становилась характерной генерация на типах колебаний ТЕМ с радиально расположенными узловыми линиями. Наконец, при полностью открытой диафрагме излучение приобретало спеклоподобный характер с многочисленными ВД, расположенными по сечению пучка. В отличие от ЕД, наблюдаемых в классических спекл-полях и подробно изученных в работах Б.Я.Зельдовича, расположение ВД во внутрирезонаторных полях всегда носит центрально симметричный характер. При этом примерно сохраняется баланс числа ВД, отличающихся направлением вращения фазы. Эксперименты показали, что значительная часть ВД "привязана" на зеркалах лазера к тем или иным дефектам отражающей поверхности (царапины, пылинки и т.д.). Это способствует снижению общего уровня потерь энергии в резонаторе .

Спеклоподобное поле в конфокальном резонаторе можно рассматривать как суперпозицию большого числа синхронизованных мод V -образной формы. Каждой из них принадлежит пара равноудаленных от центра сегментов (спеклов) поперечной структуры поля на зеркале. Наличие между ними дифракционной связи создает предпосылки для формирования в поперечном сечении пучка синфазных областей (доменов), объединяющих ряд сегментов. Однако наличие ВД служит препятствием для образования синфазных областей.

В § 5.4 рассмотрены фазовые характеристики пучков, распространяющихся в турбулентных средах. Выполненные на наклонной атмосферной трассе исследования показали, что в зависимости от погодных условий на ней реализуются режимы слабой, средней и сильной флуктуаций, характеризуемые.изменением константы флуктуаций показателя преломления Сл в области 5x10"^ * 5x10"^. и Столь большой разброс величины Сп приводит к значительным изменениям зоны корреляции световых колебаний на приемном зеркале. В тех

случаях, когда сечение пучка значительно превосходило зону корреляции, на.волновом фронте появлялись ВД. Эксперименты показали, что необходимая для возникновения ВД степень турбулентности среды должна иметь величину порядка единицы.

При помощи более точных измерений, выполненных на модели турбулентной среды, была установлена связь между структурной функцией фазовых флуктуация 0Ъу , константой 'и плотность1; N наблюдаемых'ВД. Некоторые данные для турбулентности различной интенсивности приведены в таблице.

<2>у С 2, см-2/3 Ы, см" -2

коллимированный однородный лучок волна со спекло-вой структурой

0,5 5 • Ю-12 _ 12

1,3 ' I • ю-п I 15

2,3 3 • Ю"11 10 20

Сведения получены для длины оптического тракта 8,4 м, функция оЭ^ соответствует расстоянию 2 см. В последней колонке таблицы содержатся данные об изменении числа ВД для случая, когда на турбулентную среду падало спекл-поле, характеризуемое Ы = 4 см-2.

В заключении диссертации сформулированы основные выводы и обсуждаются перспективы использования полученных результатов.

Диссертация содержит два приложения. В одном из них выполнена оценка эффективности съема энергии с активной среда газодинамического лазера М-модами, в другом - исследуется влияние пространственного рассогласования на структуру образующих пучков М-мод.

ВЫВОДЫ

I. Рассчитаны характеристики лазерной генерации при наличии пространственного рассогласования в системе "поле - активная среда - оптический резонатор". Получены и представлены в удобной для практического использования форме данные об оптимальных параметрах оптических резонаторов, которые характеризу-

ют геометрию лазерных пучков и величину коэффициентов связи. Применительно к инфракрасным лазерам показаны преимущества с точки зрения улучшения качества излучения пространственно-неоднородного вывода энергии рабочих мод высших порядков. Экспериментально продемонстрирована возможность формировать этим способом пучки с расходимостью, приближающейся к дифракционному пределу. Одновременно определен уровень дополнительных дифракционных потерь, возникающих в резонаторах с неоднородными зеркалами. Установлена высокая степень устойчивости селективно возбуждаемых типов колебаний по отношению к возмущениям, вносимых пространственно неоднородными элементами, если даже размеры неодно-родностей сопоставимы с характеристическим радиусом светового пучка.

2. Разработана теоретическая модель насыщения усиления в неоднородных газообразных активных средах. На основе подхода, рассматривающего перераспределение частиц под действием насыщающего поля по пространственным и "энергетическим" координатам как диффузионный процесс, исследованы особенности насыщения усиления в многоуровневых молекулярных системах. Показано, что пространственная диффузия не позволяет строго описывать насыщение усиления с помощью единого параметра насыщения. В то же время процессы перераспределения частиц по энергетическим состояниям могут характеризоваться зависимостями с одним параметром насыщения. Для последнего получено аналитическое выражение через га-зокинётические параметры активной среда. Установлено, что адиа-батичность столкновения частиц усугубляет отступление контура распределения заселенностей от равновесной формы под действием поля. Результаты теоретического анализа насыщения усиления в молекулярных лазерах оказались в хорошем согласии с экспериментальными данными.

3. Построены уравнения для амплитуды и эйконала внутрире-зонаторного поля, описывающие с учетом эффектов самовоздействия влияние на структуру поля неоднородной среда. Найдены решения отих уравнений, установлена их адекватность экспериментально регистрируемым структурам. Впервые теоретически установлен и экспериментально исследован волноводный режим генерации в газовых лазерах, когда роль волновода играет активная среда с деформированным под действием поля профилем усиления. Разработан про-

стой метод расчета дифракционного распространения лазерного излучения с деформированным под действием неоднородноетей распределением интенсивности. Предложены способы уменьшения искажения выходных пучков за счет правильного выбора параметров резонатора и активной среды.

4. Рассмотрены особенности формализма М-мод для описания полей устойчивых резонаторов. Определены расходимость М-мод и их устойчивость к влиянию неоднородности активной среды и аберраций резонатора. Показано, что модель М-мод особенно удобна для расчета и оптимизации характеристик генерации широкоапертурных лазеров с высокой степенью вырождения собственных типов колебаний. Установлено, что требования к качеству и юстировке элементов оптических резонаторов, обеспечивающие стабильную генерацию М-мод, оказываются вполне приемлемыми для широкого класса газовых лазеров. Это подтвердили эксперименты с непрерывными и импульсными лазерами, использующими различные активные среды (Не-Ые, Ат.+ , СО^-Ы^-Не). Аберрации в резонаторах исследуемых лазеров в большей степени влияли на частотный спектр М-мод и в меньшей степени - на траекторию М-мод и структуру их образующих пучков.

5. Впервые теоретически и экспериментально изучен механизм взаимодействия М-мод, определяющий режимы конкуренции, автомодуляции и пространственной синхронизации. Особенность процессов межмодовой конкуренции состоит з том, что в лазере наиболее сильно выражена конкуренция между типами колебаний с общим ходом лучей. Наряду с колебаниями газоразрядной плазмы она может служить причиной значительного ухудшения кратковременной частотной стабильности газовых лазеров. Гораздо слабее конкурируют моды с разными траекториями образующих пучков. Последние могут генерировать в режиме частотного захвата, полоса которого существенно расширяется при усилении межмодовой дифракционной связи.

6. Установлен эффект генерации пространственно-синхронизованной системы М-мод с расстроенными резонатсрными частотами на частоте моды с большим усилением. Сформулированы рекомендации по повышению устойчивости частотного захвата и обеспечению синфаз-ности выходных пучков, основанные на внесении в резонатор неоднородноетей со специальной геометрией. Предложен способ улучшения качества выходного излучения лазеров путем пространственно-неоднородного вывода энергии М-мод. Покапано, что этот способ

улучшает угловую расходимость излучения без внесения дополнительных внутрирезонаторных потерь энергии. Определены условия селективного возбувдения суперпозиции М-мод с параллельными пучками в области выводной зоны резонатора, с учетом которых может быть реализован узконаправленный вывод энергии генерируемых мод.

7. Найдены условия возникновения винтовых дислокаций фазы лазерных пучков внутри оптических резонаторов и при распространении в турбулентной атмосфере. Во внутрирезонаторных полях винтовые дислокации могут возникать в результате пространственной синхронизации мод, дифракционная связь между которыми обусловлена присутствующими в резонаторе неоднородностями. В турбулентной среде появление дислокаций связано со статистическими закономерностями, определяющими влияние флуктуаций показателя преломления на распределение амплитуды и фазы. Установлено, что винтовые дислокации возникают при степени турбулентности среды порядка единицы. В отличие от дислокаций, возникающих вследствие турбулентного движения среды, дислокации внутрирезонаторных полей всегда имеют центрально-симметричный характер.

8. Применительно к лазеру с конфокальным резонатором изучена зависимость структуры волнового фронта лазерного излучения от величины апертуры резонатора. Показано, что вблизи порога генерации по мере увеличения апертуры волновой фронт трансформируется из сферического в винтовой. При этом возможна интерференция полей с правой и левой структурой винтового фронта. В резонаторе с широкой апертурой вдали от порога лазерное излучение приобре-таефпеклоподобный характер с многочисленными винтовыми дислокациями фазы. Значительная часть наблюдаемых в плоскости зеркал дислокаций жестко "привязана" к тем или иным дефектам их отражающей поверхности, что снижает уровень внутрирезонаторных по-турь.

9. На основе разработанных методов повышения качества излучения газовых лазеров созданы и испытаны новые типы оптических резонаторов с улучшенными характеристиками, в том числе резонаторы для коаксиальных лазеров, а также системы с дифракционно связанными резонаторами. Последние позволяют наряду с узконаправленным выводом излучения обеспечивать одночастотный режим генерации.

Полученные е ходе исследований данные о структуре световых

пучков, генерируемых в пространственно-неоднородных лазерных системах, в частности, сведения о расположении и структуре винтовых дислокаций фазы могут быть использованы при совершенствовании адаптивных оптических систем и улучшении параметров широкого класса метрологических устройств.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Короленко П.В. Возбуждение собственных типов колебаний резонатора Фабри-Перо внеосевой TEMqq-волной. - Оптика и спектроскопия, 1971, т.30, №3, с.496-502.

2. Королев Ф.А., Короленко П.В., Одинцов А.И., Феофилактова Т.В. Сканирующий интерферосетр Фабри-Перо с активным веществом внутри резонатора. - Вестник МГУ. Физика, астрономия, 1971, т.II, №4, с.429-436.

3. Короленко П.В. Насыщение усиления высших типов волн в активном интерферометре Фабри-Перо. - Вестник ГАГУ. Физика, астрономия, 1972, № I, с.125-127.

4. Короленко П.В., Саркаров Н.Э. О возбуждении собственных типов колебаний резонатора Фабри-Перо внешним лазерным пучком. - Журнал прикладной спектроскопии, 1972, т.26, № 3, с.430-436.

5. Королев Ф.А., Короленко П.В., Гринь Л.Е., Лебедева В.В., Одинцов А.И., Саркаров Н.Э. Лазер с наклонным эталоном Фабри-Перо, помещенным внутри резонатора. - Тезисы П регионального семинара "Газовые лазеры на парах химических элементов", Ростов-на-Дону, 1973, с.II.

6. Короленко П.В., Королев Ф.А., Одинцов А.И., Спажакин В.А. Влияние колебаний газоразрядной плазмы на ширину межмодовых биений лазера. - Радиотехника и электроника, 1974, № 12,

с.2648-2651.

7. Короленко П.В., Козырев Д.А., Саркаров Н.Э. Об искажениях пространственного распределения поля излучения лазера с многослойными диэлектрическими зеркалами. - Приборы и техника эксперимента, 1976, № 2, с.168-169.

8. Абросимов Г.В., Королев Ф.А., Короленко П.В., Одинцов А.И., Саркаров Н.Э., Шарков В.Ф. Резонатор ОКГ с пространственно-неоднородным выводом энергии в режиме селекции одной попереч-

- 32 -

ной моды. - йурнал прикладной спектроскопии, 1976, т.25, № I, с.52-58.

9. Королев Ф.А., Короленко П.В., Гринь Л.Е., Лебедева В.В., Одинцов А.И., Саркаров Н.Э. Потери резонатора ОКГ с наклонным эталоном Фабри-Перо в качестве селектора частоты. - Журнал прикладной спектроскопии, 1976, т.25, № 6, с.990-994.

10. Короленко П.В., Королев Ф.А., Саркаров У.Э. Возбуждение собственных типов колебаний в резонаторе с отверстием в зеркале. - йурнал прикладной спектроскопии, 1977, т.26, № I, с.141-143.

11. Абросимов Г.В., Королев Ф.А., Короленко П.В., Одинцов А.И., Саркаров Н.Э., Шарков В.Ф. Сравнительный анализ эффективности различных способов съема энергии с активного объема лазера. - Вестник МГУ. Физика, астрономия, 1977, т.17, № I,

с.32-39.

12. Короленко П.В., Одинцов.А.И., Саркаров Н.Э. Оптимизация параметров резонатора ОКГ с радиально-неоднородной средой. -Тезисы доклада на I Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1977.

13. Короленко П.В., Одинцов А.П., Саркаров Н.Э. Влияние пространственного распределения поля и усиливающей среды на энергетические характеристики газового лазера. - Квантовая электроника, 1977, т.4, № I, с.166-168.

14. Короленко П.В., Одинцов А.И., Саркаров Н.Э. Оптимальные параметры резонатора ОКГ с радиально-неоднородной активной средой. - Депонент ВИНИТИ № 2995-77 от 21 июля 1977.

15. Короленко П.В., Спажакин В.А. О диагностике заселенностей рабочих уровней СО^-лазера. - Депонент ВИНИТИ № 4331-77, 1977.

16. Короленко П.В., Маркова С.Н., Хапаев А.М. О расчете поля дифракции лазерного излучения в ближней и дальней зонах. - Известия вузов. Радиофизика, 1978, т.21, № II, с.1644-1647.

17. Короленко П.В.,Спажакин Е.А. О вращательном обмене молекул СО.? в сильном насыщающем поле. - Тезисы докладов X Всесоюзной конференции по нелинейной и когерентной оптике. Киев,1978, часть 2, с,26.

Л8. Козырев Д.А., Короленко П.В. Некоторые особенности волновод-ного режима газового лазера. - Вестник МГУ. Шизика, астроно-

- 33 • -мия, 1979, т.20. № I, с.75-78.

19. Короленко П.В., Одинцов А.И., Спажакин В.А. Влияние диффузии на оптимальные параметры резонаторов газоразрядных лазеров.

- Тезисы докладов и рекомендаций научно-технической конференции. Серия П, 1980, вып.1, с.147.

20. Короленко П.В., Макаров В.Г. О кинетике вращательного обмена в молекулярном лазере. - %рнал прикладной спектроскопии,

1981, т.34, J? б, с.980-987.

21. Короленко П.В., Макаров В.Г. Пространственные характеристики излучения волноводных лазеров с неоднородной активной средой.

- Труды Ш Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград,

1982, с.172.

22. Короленко П.В., Макаров В.Г. Самофокусировка излучения в резонаторах газовых лазеров с высоким коэффициентом усиления. -Труды XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике, Ереван, 1982, часть I, секция П, с.183.

23. Короленко П.В., Макаров В.Г. Пространственные характеристики генерации газоразрядных лазеров с высоким коэффициентом усиления. - дурная прикладной спектроскопии, 1982, т.37, № 3, с.490-493.

24. Короленко П.В., Макаров В.Г. Особенности волноводного режима генерации газоразрядных лазеров с неоднородной активной средой. - Препринт Г» 9, физический факультет МГУ, 1982, с.1-8.

25. Короленко П.В., Маркова С.Н., Хапаев A.M. О расчете дифракции лазерных пучков с плавным профилем изменения интенсивности. - Вестник МГУ. Физика, астрономия, 1983, т.24, № 2, с. 67-69.

26. Короленко П.В., Спажакин В.А., Хапаев A.M. Влияние диффузии на энергетические характеристики молекулярных лазеров. -Известия вузов. Физика, 1983, т.26, №5, с.101-103.

27. Короленко П.В., Перес-торонина Е.Б., Спажакин В.А. Расчет выходной мощности и оптимизация параметров резонатора газовых лазеров. - Депонент ВИНИТИ, 1983, per.Ii 365-83, c.I-15.

2.8. Горячев О.Б., Короленко П.В., Новоселов А.Г., Степина С.А., Шарков В.Ф. Модовый состав и расходимость излучения газодинамического лазера с широкоапертурным устойчивым резонатором. - Письма в ЖГФ, IS84, т.10, If 7, с.429 29. Короленко П.В., Макаров В.Г., Новоселов А.Г., Степина С.А.,

Шарков В.Ф. Пространственные характеристики излучения широко-апертурного многопучкового лазера. - Тезисы докладов ХП Всесоюзной конференции по когерентнойи нелинейной оптике. Москва, 1985, часть П, с.750.

30. Короленко П.В., Макаров В.Г., Степина С.А. Амплитудно-фазовые и частотные характеристики газового лазера на многоходовых модах. - Вестник МГУ. Физика, астрономия, 1986, т.27, № 2, 0.59-61.

31. Акимов В.А., Горячев С.Б., Короленко П.В., Новоселов,А.Г., Степина С.А., Суслов Ю.Р., Шарков В.Ф. Широкоапертурный резонатор лазера с многоходовыми модами. - АС № 1224885 заявка

№ 3335173/24-25 от 11.03.84, опубл. в Б.И.,1986, № 14, МКИ/08.

32. Короленко П.В., Макаров В.Г. Степина С.А. Анализ внутрирезо-наторного поля на многоходовых модах. - Депонент ВИНИТИ, 1986, 20, № 333I-B.

33. Васильев A.B., Короленко П.В., Макаров В.Г., Степина С.А., Тихомиров В.Н. Частотный захват и фазировка многоходовых мод в газовых лазерах. - Препринт физического ф-та МГУ, 1986, № 25.

34. Короленко П.В.,- Новоселов А.Г., Степина С.А., Шарков В.Ф. Формирование узконаправленных выходных пучков в широкоапертурных резонаторах с селекцией мод. - Квантовая электроника, 1986,

т.13, вып.12, с.2546- 2549.

35. Короленко П.В., Макаров В.Г. Влияние активной среды на пространственные характеристики волноводного режима генерации в газовых лазерах. - Квантовая электроника, 1987, т.14, № I, с.76-79.

36. Васильев A.B., Комов В.А., Короленко П.В. TEA COg-лазер с изменяющейся структурой выходного пучка. - Сборник материалов

Ш Школы-конференции "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах" под ред.А.М.Прохорова, МГУ, ФИАН, ИОФАН, 1986, с.55-56.

37. Васильев А.Б., Короленко П.В., Новоселов А.Г., Шарков В.Ф., Тихомиров В.Н. Многопучковые лазеры с улучшенными характеристиками. - Тезисы докладов У Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1987, с.139.

38. Васильев А.Б., Корниенко JI.С..'"Короленко П.В. Характеристики многоходового TEA COg-aaaepa. - Оптика и спектроскопия, 1987, т.63, № I, с.214-216.

39. Клементьева А.Ю., Короленко П.В., Макаров В.Г., Степина С.А. Многопучковый резонатор лазера. - АС № 1322944 заявка № 3881542 приоритет от 10.04.85.

40. Васильев A.B., Короленко П.В., Истомин М.И., Тихомиров В.Н., Шульга А.Г. Лазерный интерферометр. - АСМ480704, заявка № 4308467/31-25 от 03.07.87, дата полож.решения 18.03.88.

41. Васильев А.Б., Короленко П.В., Макаров В.Г., Тихомиров В.Н. Особенности частотного захвата в многопучковых газовых лазерах. - Вестник МХУ, 1988, т.29, № 3, с.50-54.

42. Короленко П.В., Васильев A.B., Истомин М.И., Тихомиров В.Н. Когерентные структуры, неустойчивость и хаос в излучении многопучковых лазеров. - Тезисы докладов ХШ международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, Минск, 1988, часть I, с.309-310.

43- Васильев A.B., Короленко П.В., Истомин М.И., Тихомиров В.Н., Шульга А.Г. Кинетика генерации многопучковых газовых лазеров. - Тезисы докладов 1У Всесоюзной конференции "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах", Краснови-дово, 1988, с.47.

44. Васильев A.B., Короленко П.В., Спажакин В.А. Температурные эффекты в возбужденной смеси COgtNgiHe при воздействии резонансного излучения. - Тезисы докладов 1У Всесоюзной конференции "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах", Красновидово, 1988, с.44-45.

45. Короленко П.В., Тихомиров В.Н. Лазер с трехзеркальным селективным резонатором. - АС № 1542366, заявка 4308468/31-25 от 03;07.87. Дата полож.решения 16.12.88.

46. Васильев A.B., Короленко П.В., Шульга А.Г. Перспективные оптическая схема коаксиального COg-лазера с ВЧ-возбуждением. -Письма в ЖГФ, 1989, т.15, № 22, с.91-94.

47. Васильев A.B., Короленко П.В., Тихомиров В.Н. Широкоапертур-ный резонатор лазера. - Заявка № 4662196/31-25 от 27.01.89 Дата полож.решения 22.11.89.

48. Васильв A.B., Короленко П.В., Щульга А.Г. Характеристики многопучковых СО^-лаэеров. - Тезисы докладов Ш Всесоюзной конференции "Применение лазеров в н/х", Москва, 1989, ч.1, с.73-74.

49. Васильев A.B., Истомин М.И., Короленко П.В., Тихомиров В.Н.

Характеристики многопучкового режима генерации газовых лазеров. - Тезисы докладов У1 Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1990, с.

50. Васильев А.Б., Корниенко Л.С., Короленко П.В., Тихомиров В.Н. Многопучковые лазерные системы с дифракционно связанными модами. - Тезисы докладов Всесоюзного научного семинара "Математическое моделирование и приложение явлений дифракции", Москва, 1990, с.ЗЗ.

51. Васильев А.Б., Короленко П.В., Тихомиров В.Н. Многопучковый лазерный интерферометр. - Тезисы докладов Ш Нижне-Волжского регионального семинара "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в н/х", 1990, с.28.

52. Васильев А.Б., Короленко П.В., Тихомиров В.Н. Пространственная синхронизация мод в многопучковом режиме генерации. -Квантовая электроника, 1990, т.17, № II, с.1471-1472.

53. Арсеньян Т.Н., Истомин М.И., Короленко П.В. Искажение профиля распределения интенсивности и деформации волнового фронта оптического пучка на наклонной приземной трассе. - Тезисы докладов ХУ1 Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Харьков, 1990, часть П, с.209.

54. Васильев А.Б., Корниенко Л.С., Короленко П.В. Лазеры на М-мо-дах. - Препринт НИШ МГУ, 1990, № 27/173.

55. Короленко П.В., Тихомиров В.Н. О структуре волнового фронта связанных модовкх систем. - Квантовая электроника, I9SI, т.18, № 9, с.1139-1141.

56. Арсеньян Т.И., Короленко П.В., Милютин Е.Р., Самельсон Г.М., Убогов С.А. Флуктуации фазы волны оптического диапазона в сильно турбулентной среде. - Тезисы докладов XI Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах. Томск, 1991, с.4.

57. Васильев А.Б., Короленко П.В., Kayль С.И. Оптико-геометрические требования к изготовлению резонатора коаксиального лазера. - Оптический журнал, 1992, № 5, с.63-65.

58. Арсеньян Т.И., Гринь Л.Е., Короленко П.В., Лебедева В.В., Убогов С.А., Федотов H.H. Амплитудно-фазовые характеристики лазерных пучков с дислокациями волнового фронта. - Препринт НИИ® МГУ, 1992, № 16/265.