Параметрическая генерация при вынужденном рассеянии вперед встречных лазерных пучков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.Н.И.Лобачевского

На правах рукописи

АНТИПОВ Олег Леонидович

ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ РАССЕЯНИИ ВПЕРЕД ВСТРЕЧНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ

(01.04.03 - радиофизика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 1992

/ ,-Л/

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г.Нижний Новгород.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор В.И.БЕСПАЛОВ

доктор физико-математических наук, с.н.с. С.Н.ВЛАСОВ,

кандидат физико-математических наук, доцент Н. Д.МИЛОВСКИЙ.

Ведущее предприятие:

Институт проблем механики Российской академии наук.

шшот

1992 г.

ного совета

Защита диссертации состоится & часов на заседании специапизиров, К 063.77. 03 по радиофизике при Нижегородском государственном университете им.Н. И.Лобачевского (603600, г.Ниж-ний Новгород, ГСП-120, пр.Ю.Гагарина, 23, корпус 4, ^ауд._).

С диссертацией молено ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета.

Автореферат разослан * 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат. наук

В.В.ЧЕРЕПЕННИКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание эффективных нелинейно-оптических преобразователей, обладающих рядом уникальных свойств, является актуальной задачей лазерной физики. Исследование эффектов, лежащих в основе таких устройств, наряду с несомненным прикладным аспектом имеет важное фундаментальное значение, расширяя представления о природе волновых процессов и физике взаимодействия света с веществом.

Среди наиболее значительных достижений нелинейной оптики последнего десятилетия достойное место занимают исследования процессов параметрической генерации в поле лазерных пучков,пересекающихся в средах с сильными кубичными инерционными яели-нейностями. Наряду с рекордно низкими порогами, обусловленными как "гигантскими"козффициентами оптической нелинейности, так и механизмом взаимодействия болн, исследования параметрической генерации выявили ряд общих закономерностей, присущих этим процессам. Так в результате параметрической генерации в фотс-рефрактивных кристаллах были обнаружены эффекты пассивного фазового сопряжения( обращения волнового фронта( ОБФ))и двойного фазового сопряжения некогерентных лазерных пучков,*генерация волн.обращенных к пересекающимся под малым углом пучкам.была зафиксирована в результате их совместного обратного вынужденного рассеяния Ыандельштамма-Бриллюена (ЕРМБ).На основе исследования общих закономерностей четырехволнового взаимодействия (в наших работах[2,31 и в работах других авторов)был предсказан эффект самообразсния для параметрической генерации встречных пучков за счет их совместного релеевского ЕР вперед. Однако, вопрос о реальном наблюдении этого эффекта оставался до последнего времени,по-существу,открытым. Эффект ОВФ был зарегистрирован при параметрической ВРМЗ-генерации вперед и генерации в резонансно-поглощающих средах,а также при пагаметри-

ческой генерации, в слое нематического жидкого кристалла( БЖ) с ориентациокной нелинейностью. Теоретические передсказания бьиш подтверждены и в результате наших исследований вынужденного температурного рассеяния (ВТР) вперед излучения маломощного непрерывного лазера,сфокусированного в слой НЖ с зеркальной стенкой [10,11,12].

Исследования возможностей ОВФ при параметрической ВР-генерации для квазиН'Эпрерывного лазерного излучения мзлой мощности являются тем более актуальными,что традиционный метод самообращения при обратном ВРМБ требует достаточно еысокой мощности накачки и для ».световых импульсов большой длительности (Ю ...Юс) ограничивается эффектами теплового самовоздейс-

-2 .)

твия уже при поглощениях средыос^Ю см . Для реализации »а метода ОВФ при четырехвблновом смешении (ЧЕС) требуются взаимносопря-женные опорные волны и взаимная когерентность сигнала и накачки, б то время как,эффекты параметрической генерации при В? реализуются и для «¿-когерентных пучков накачки.

Делью настояс. а диссертационной работы является: теоретическое и экспериментальное исследование динамики нелинейного взаимодействия лазерных пучков на крупномасштабных пропускающих решетках показателя преломления среды с инерционной нелинейностью, параметрической неустойчивости сЕетовых пучков за счет их совместного рассеяния на таких решетках; изучение возможностей реализации эффектов самообращения и взаимообращения волновых фронтов лазерных пучков за счет параметрической генерации;. разработка и экспериментальная проверка модели сильной тепловой нелинейности НЖК и оптимизация НЖК-ячеек для нелинейно-оптических преобразований в широком диапазоне лазерных длин волн; исследование эффектов теплового самовоздействия» препятствующих реализации ОВ5 при обратном ВР и ОВФ-ЧБ^ в нелинейных средах с поглощением света.

• Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Построена теория неустойчивости встречных лазерных пучков при их совместном вынужденном рассеянии вперед в слое среды с локальной инерционной .нелинейностью. Исследованы пространственные структуры'генерируемых волн при различных пространственных структурах накачки: плоских волнах,однородных и спекл-неодно-родных пучках. Показано,что в результате параметрической генерации при ВР вперед встречных некоррелированных ме'дду собой пучков максимальным инкрементом могут обладать волны с комп-лексно-сопряжнными к накачкам волновыми фронтами. Доказано, что условие ОВФ встречных спе-кл-пучков выполняется в том случае .когда их дифракционные длины соизмеримы с длинней области нелинейного взаимодействия.

2. Экспериментально обнаружена неустойчивость встречных одно-

I*

родных пучков квазинепрерывного Nd : YAG-лазера в слое НЖК с тепловой нелинейностью,приводящая к генерации пространственных сателлитов накачки. Сбнарухены эффекты самообращения и взаимо обращения при параметрической генерации в результате ВР вперед сфокусированных пучков неодимового лазера,пересекающихся в HJS -слое с красителем.

3. Теоретически исследовано, влияние тепловой самомодулащ::! пучка на его ВР.ОВФ при обратном ВР и на VRC. Показано,что то;; ловая самомодуляция повышает пороги обратных ВР, у";йряет и смещает их спектральные линии.срыва 'Т Oi>I> при обратном ВР снижает коэффициент отражения ЧВС-зеркала.

4.- Экспериментально и теоретически исследовано изменение коэффициента теплоЕой нелинейности НЖК вблизи фазового перехода нематик-изотропная жидкость. Реализовано 6-ти кратное усиление слабого сигнала при самодифракции в НЖК-слое пучка излучения СО.-лазера.

' 5. Найдены приближенные аналитические решения задачи о нестационарных режимах насыщения попутных ВТР и ВРЫБ. Практическая ценность работы. Исследования явления параметрической неустойчивости при попутном ВР встречных пучков, и эффекта ОВФ при параметрической генерации позволяют дать рекомендации по созданию лазерных систем .использущих ОРЛ^зеркала.

Исследования тепловой нелинейности НЖК, физических свойств рада жидкокристаллических соединений позволяют создать ячейки для нелинейно-оптических преобразований в ближнем .и среднем ИК -диапазонах.

Исследования влияния теплового самовоздействия на ВР позволяют определить --границы осуществимости эффекта ОВФ при обратном ВР.

Результаты приведенные в диссертации были использованы при разработке лабораторной работы "Методы нелинейной коррекции световых пучков" для студентов старших курсов ННГУ. Аппробация ра оты. Материалы диссертации докладывались на 5-ой и 6-ой Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров'Ч Ленинград, 1987 г. ,1989г.),на 1-ой и 2-ой Всесоюзных конференциях "Обращение волнового фронта'Ч Минек,1986г. ,1983г.),на Международных конфе-реш1ИЯх"КиН0"( Ленинград,1991г.) ,по жидким кристаллам( Вильнюс ,1991г.)-, на семинарах институтов проблем механики АН СССР(1985 г) и МИФ АН СССР; Всесоюзных школах по голографии(Минск,1983г.), по нелинейным волнам(Горький.1985г.),по ллдким кристаллам( Алушта, 1988г.)Международной школе по фазовому сопряжению(Прага, 1991г.)

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения,трех глав и заключения. Она содержит 37 рисунков,1таблицу.библиографию из 108 наименований. Полный обьем составляет 143 страницы.

£Г

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во Введении обоснована актуальность темы исследования,сформулированы его цель.научная новизна,место работы среди работ других авторов. Кратко описан круг вопросов,рассмотренных в диссертации.приведены положения.выносимые на защиту.

В первой главе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований энергообмека попутных световых волн. В рамках трехволновой модели(две световых волны и звуковая или тепловая волна среды)рассмотрена нелинейная стадия нестационарных ВТР и ВРМБ вперед. С помощью автомодельной подстановки и приближенного интеграла системы нелинейных уравнений построено решение, описывающее колебательный характер энергообмена световых волн. Проведен численный счет задачи,подтверждающий полученные аналитические решения.

На основании измерения температурных зависимостей показателей преломления некоторых НЖК и обобщения литературных данных уточнена модель их тепловой нелинейности. Показано.что силь-ное(почти на два порядка величины)возрастание коэффициента нелинейности обусловлено температурными изменениями параметра ориентационного порядка,которые особенно значительно увеличиваются за 2.. 4 К до температуры фазового тгерехода (ФП) .нематик -изотропная жидкость: величина температурного градиента параметра меняется в зависимости от химического состава и чистоты НЖК-материалов. На основе исследований термооптических свойств, прозрачности,температур существования мезофазы,статической электрической восприимчивости найдены оптимальные для нелинейно-оптических экспериментов нематические смеси и соединения.

Построенная модель тепловой нелинейности проверялась в экс-, периментах по возбуждению пропускающих решеток показателя преломления в созданных НЖК-ячейках пучками излучения квазинепрерывного С02 -лазера и самодифракции на этих решетках

записывающих их" пучков. Экспериментально и теоретически исследовано . усиление слабого ИК-сигнала при самодифракции накачки, при этом достигнуто шестикратное абсолютное усиление.

Во второй'главе диссертации приведены результаты исследований влияния тепловой самомодуляции световых пучков на их реле-евское ВР,.. ОВФ при обратном ВР и ОВФ-ЧВС. Показано,' что при 'обратном ВР, когда изменение частоты света на трассе его распространения (в результате нестационарного теплового расширения среды в канале лазерного луча) превышает ширину линии спонтанного рассеяния, 'яа^^шаются условия синхронизма накачки и встречной волны рассеяния, что приводит к уменьшению нестационарного и стационарного инкрементов, • увеличению ширины линии ЕР и ее смещению в "синюю" сторону. В результате,уже при пог-дошэниях оС =10 -10 см для длительных лазерных импульсов-(10 -10 сек) существенно возрастают пороги обратных ВР, уменьшается мощность стоксовой волны при ВРМБ, а обратное ВТР может полностью подавляться. Доказано, что для коллкмированных пучков накачки, когда отношение дифракционный длины к толщине нелинейного слоя намного больше чем отношение длительности лазерного импульса к времени релаксации отражающей решетки, тепловая са-момодулйция значительно сильнее ограничивает обратное ВР, чем тепловая самодефокусирсвка Для сильносфокусировачных же пучков эффект теплового уширения фокальной перетяжки' более существенен для их обратного ВР, чем еамомодуляция.

Показано, что при нестационарной тепловой самомодуляции ии-кеыент обращенной к спекл-накачке волны рассеяния изменяется сильнее, чем инкремент некоррелированных волн. В результате этого нарушаются условия дискриминации необращенных волн, и тем самым срывается эффект ОЕФ при обратном ВР. Тепловое замывание отражающей решетки также существенно ограничивает эффективность ОВФ-ЧВС ¿ч-фкал, но и предотвращает их самовозбуждение. ;

В третьей главе диссертации приведены результаты' исследований эффектов параметрической неустойчивости и ОВФ пересекающихся лазерных пучков при их релеевском ВР вперед в слое среды с кубичной инерционной нелинейностью. В НЖК с теплоЕсй нелинейностью экспериментально обнаружена неустойчивость встречных

однородных по поперечному сечению пучков излучения 3*

Nd : YAG-лазера, приводящая к генерации их пространственнных сателлитов. Теоретически доказано, что такая неустойчивость однородных пучков к гармоническим возмущениям волновых фронтов обусловлена их совместным попутным ВР на тепловых пропускающих решетках показателя преломления.

Показано,что для лазерных пучков с расходимостью 8 .пересекающихся под углом. 8 в слое нелинейной среды,гармонические возмущения поперечного сечения не развиваются, когда попутные плосковолные компоненты рассеяния становятся независимыми (если их расстройка на характерной длине нелинейного взаимодействия достигает заметной величины: кЕ(В + 8^8) >1). В этом случае возможно совместное рассеяние почти встречных накачек, приводящее к генерации волн, распространяющихся навстречу к ним. Зависимость порога генерации • от пространственной расстройки четырехволнового синхронизма, показывает, что для сред с локальной инерционной нелинейностью минимальный порог генерации соответствует ненулевой пространственной и частотной расстройке взаимодействующих волн. Найденное стационарное решение нелинейной задачи взаимодействия четырех световых волн (при некол-линеарных плоских накачках), доказывает, что интенсивность генерирующихся пучков ограничивается только поглощением среды и коэффициентом отражения зеркала (в случае зеркальноотражаю-цей границы нелинейного слоя).

Показано,что для встречных пучков, длина спекл-неоднородностей которых существенно меньше толщины слоя с локальной нелинейностью, минимальный порог генерации достигается для обращенных

волн; ;(без пространственной расстройки четырехволновоги синхронизма). Получена система уравнений,описывающая поведение огибающих квазиобращенных пучков генерации в поле встречных ограниченных по . поперечному сечению спекл-пучков накачки. Показано, что условия дискриминации высших мод огибающей таких волн генерации выполняются в том случае, когда дифракционная длина спекл-пучка становится соизмеримой с толщиной нелинейного слоя. ■

Экспериментально обнаружена параметрическая генерация в поле излучения N(1 : УАЗ-лазера, сфокусированного в елой НЖК с зеркалом, и в поле',дну* некогерентных пучков ток о же лазера, сфокусированных с противоположных сторон в НЖК-ячейку с прозрачными стенками. Продемонстрировано, что эффект ОВФ при параметрической генерации реализуется в тех экспериментах, в которых дифракционная длина пучкоЕ соизмерима с размером области их пересечения внутри нелинейного сдоя. Исследование "качества ОВФ", показало, что необращенный фон в этих экспериментах обусловлен как засветкой, зеркзльноотраженной (или встречной) накачки, распространяющейся под малым углом к ОВ<1^волне, так и перегревом НЖК в фокусе лазерного пучка при его большой мощности. Обнаружена также параметрическая генерация в поле одномодового пучка СО^-лазера в НИК-слое с зеркальной стенкой.

В заключении сформулированы основные результаты., полученные в диссертации:

1. Найдены приближенные аналитические решения задач о нестационарных режимах насыщения попутных ВТР и ВРМБ,показывающие, что на нелинейкой стадии происходит коллебательный энергообмен «ежду волнами накачки и рассеяния в пространстве и во времени.

2. Разработана модель тепловой нелинейности БЖК, учитывающая изменение коэффициента нелинейности в результате лазерного нагрева среды. Вылвлекы образцы НЖК, наиболее пригодные для нелинейно-оптических преобразований в ближнем и среднем ИК-диа-

ю

пазонах. В ячейках с соответствующими жидкими кристаллами экспериментально реализовано 6-ти кратное усиление слабого ИК-сигнала при самодифракции в тонком слое НЖК.

3. Исследовано влияние тепловой самомодуляции пучка на его ВР, ОВФ при обратном ВР и четырехволновое смешение. Показано, что тепловая самомодуляция повышает пороги обратных ВР,увеличивает и смещает их спектральные линии,срывает ОВФ при обратном ВР и снижает коэффициент отражения ЧВС-зеркала.

4. Экспериментально обнаружена неустойчивость встречных однородных пучков излучения неодимового лазера в слое НЖК, приводящая к генерации пространственных сателлитов накачки. Показано, что эта неустойчивость связана с совместным рассеянием накачек на крупномасштабных возмущениях показателя преломления среды.

5. Исследована неустойчивость неколлинеарных волн в среде с локальной инерционной нелинейностью. Определены зависимости порога параметрической генерации и частоты волны рассеяния от расстройки четырехволнового синхронизма, отношения интенсив-нсстей накачек, поглощения слоя.

6. Исследована неустойчивость встречных спекл-пучков. Показано, что при толщине слоя с локальной нелинейностью большей длины спекл-неоднородностей минимальным порогом обладит обращенная волна рассеяния. Для ограниченных по поперечному сечению пучков определены условия дискриминации высших мод огибающей квазиобращенных пучков генерации.по сравнению с ОВФ-волной.

7. Экспериментально обнаружена и исследована параметрическая генерация в НЖК-слоях с тепловой нелинейностью в поле пучков квазинепрерывных Ncr : YAG-лазеров и СО^-лазеров. Обнаружены эффекты самообращения и взаимообращения излучения неодимового лазера при параметрической генерации в слое НЖК.

х 1

Основные результаты диссертации опубликованы б работах:

1. Актилов О. Л ,Пасманик Г. А. Неустойчивость световых пучков с нестационарном волновым фронтом в инерционной кубической среде. //Методы и устройства оптической голографии. Сборник научных трудов. • Л: ФТИ , 1883 , стр. 14-3-5.

2. Антипов О. Л. , Беспалов В. И., Пасманик Г. А. О новых возможностях генерации сопряженных накачкам пучков при вынужденном рассеянии встречных световых волн. //КЭТФ, 1986, т. 90, вып. 5, с. 1577-158?.

3. Антипов 0. Л, .Беспалов В. И., Пасманик Г. А. Об условиях формирования обращенной волны при попутном ВР пересекающихся лазерных пучков// ' Сборник трудов конференции ОВФ-86. Минск, 1987, стр. 230-235.

4. Антипов О. Л. О влиянии теплового изменения фазы светового пучка на его ВР и ОШх// Квантовая электроника, 1987, т. 14, N4; с.728-734.

5. Антипов О. Л., Хазансв НЕ 00 автомодельных решениях нелинейной задачи нестационарного попутного вынужденного рассеяния света //Изв. вузов. Радиофизика, 1987. с. 30, N 1, с.49-55.

6. Антипов О. Л., Бетин А. А., Жуков Е. А., Новиков Е П. , Тургенев С. Г. Четырехволновое взаимодействие длинных импульсов излучения среднего ИК-диапазона б органических растворителях. // Тезисы докладов Всесоюзной конференции"Оптика лазеров", Л: ГОИ, 1987, с. 342-343.

7. Актипов О. Л., Бетик А. А., Жуков Е. А., Тургенев С. Г. Влияние нагреЕа среды на четырехволновое взаимодействие длинных импульсов излучения среднего Ш-диапазона. // Препринт ШК> АН СССР, N 193, Горьглй, 1988, 30с.

8. Антипов 0. Л ,. Беспалов Е Л , Бетин А. А. Самодифракция из-

лучения СО -лазера в НЖ вблизи фазового перехода нема-тик-изотропная жидкость.//Квантовая электроника,1989,т. 16, N 6, с. 1098-1100.

9. Антипов О. Л., Бетин A.A., Жуков Б. А., Тургенев С. Г. Четы-рехволноЕое взаимодействие излучения среднего ИК диапазона в средах с тепловой нелинейностью. // Квантовал, электроника, 1989, т.16, N11, с.2279-2292.

10. Антипов О. Л. , Беспалов В. И. , Бетин А. А. , Иудин Д. IL Тепловая нелинейность- НЖ в ИК-диапазоне. //Тезисы Всесоюзной конференции "Оптика лазеров-9С", Л.: ГОК. 1990, 250с.

11. Антипов О. Л. , Дворянинов н. А . Й^шкаускас В. Параметрическая генерация и OBí> пересекающихся лазерных пучков в слое НЖК с красителем. //Письма в_КЭТФ, т. 90. в. 12, 5991, с. 586-590.

12. Антипов 0. Л. Неустойчивость встречных-однородных лазерных пучков в слое среды с локальной инерционной нелинейностью. // Квантовая электроника, 1991, т. 18, N 12, с.2544-2549.

13. Antipov 0. L. Nenatik liquid cristals -thermal nonlinearity for phase conjugate mirrors.// Abstract of summer liquid crystals conference.Vilnjus,1991.v. £.¡ 12,p.126.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение.

Глава 1. Взаимодействие попутных световых волн в средах с инерционными нелинейностями.

1.1. Нестационарный энергообмен попутных световых волн.

1.1.1. Режим насыщения BP ьперед в среде с локальной нелинейностью.

1.1.2. Нелинейный режим попутного ВРМБ.

1.2. Экспериментальные исследования формирования пропускающих решеток показателя преломления НЖК и стационарного усиле-

нил ИК-сигнала.

1.2.1. Тепловые решетки показателя преломления НЖК.

1.2.2. Усиление слабого сигнала' при самодифракции излучения (Х^-лазера.

Глава 2. Влияние тепловой самомодуляции световых пучков на их релеевекое ВР и четырехволновое взаимодействие.

2.1. ВР и ОВФ световых пучков в условиях их теплового самовоздействия.

2.1.1. Влияние тепловой самомодуляции волны на ее ВР.

2.1.2. Сравнение влияний тепловых самомодуляции и самодефокусировки лучков на их обратное ВР.

2.1.3. Подавление эффекта ОВФ при обратном ВР в условиях .саыомодуляции с пекл-накачки.

2. 2. Шроэденное■ взаимодействие четырех волн при их тепловой фазовой модуляции.

Глава 3. Параметрическая неустойчивость и ОВФ пересекающихся лазерных пучков при их попутном релеевском ВР.

3.1. Неустойчивость встречных однородных лазерных пучков в слое ЕШК (экспзршенты и теория).'

3.2. Параметрическая неустойчивость не точно встречных или неоднородных пучков.

3.2.1. Неустойчивость неколлинеарных волн в среде.с локальной нелинейностью.

'3.2.2. Неустойчивость встречных спекл-пучков.

3.2.3. Нелинейный режим, параметрической генеоации.

3.3. Экспериментальные исследования параметрической генерации.

s+

3.3.1. Параметрическая генерация и ОВФ излучения Nd..: YAG лазера в елоьх НЖК.

3.3. 2. Параметрическая- генерация в слое ЕЖ с зеркалом ь поле излучения СО£-лазера Заключение.