Повышение эффективности синхронизации мод широкополосных твердотельных лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

БЕЛОРУССКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КР1СНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

КАЛАШНИКОВ Владимир Леонидович

УДК 621.373.826.038.825

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИНХРОНИЗАЦИИ МОД ШИРОКОПОЛОСНЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ

01.04.21 - лазерная ф!зика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск 1992

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте прикладных физических проблем имени А.Н.Севченко Белорусского ордена Трудового Красного Знамени государственного университета

Научные руководители: доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник В.П.МИХАЙЛОВ

кандидат физико-математических наук В.П.КАЛОША

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

А.С.ЧИРКИН ( Московский-Государственный Университет им.М.В.Ломоносова) доктор физико-математических наук, профессор

А.П.ШКАДАРЕВИЧ ( ЦКБ "Пеленг", г.Минск)

Ведущая организация: Ленинградский институт точной механики и оптики

Защита состоится "45" 1992 г. в А0°° часов

на заседании специализированного Совета К 056.03.01 по присуждению ученой степени кандидата наук Белорусского ордена Трудового Красного Знамени Государственного Университета по адресу: 220080, г.Минск, пр-кт Скорзшы 4, главный корпус, комн.206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского Государственного Университета.

Автореферат'разослан "11 -^992 года.

Ученый секретарь специализированного Сове1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность темы. Лазеры и лазерные системы с каждым годом ое шире используются в различных областях человеческой деятель-ости. На протяжении последних двух с половиной десятилетий еоолабевагаций интерес вызывают проблемы, связанные с получением использованием сверх- и ультракоротки! импульсов (УКИ) лазерного злучения,то есть импульсов, длительность которых лежит в диапа-оне от десятков фемто- до десятков иикосекунд.

Использование таких импульсов открыло широкие возможности в зучении быстропротекающих атомных и молекулярных процессов.

В плане.технически-прикладного аспекта применения УКИ отрываются йерспективы реализации предельных скоростей обработки передачи информации, создания сверхбыЬтродейтвуодих оптичес-их компьютеров.

Сейчас открывается новая область применения УКИ лазерно-о излучения - генерация коротких рентгеновских импульсов и влек-ротшх сгустков, которые могут найти широкое развитие в исследо-ании тонкой,' ранее малодоступной, внутриатомной динамики вещес-ва, а также в области создания систем по управляемому термо-дерпому синтезу.

Достигнутый прогресс в усилении высокомощных УКИ позволил ;алеко продвинуться в область сверхоильннх полей, значительно ревыиающих внутриатомные ( > 10^ В/см). Это открывает еовершен-о новые перспективы в исследовании разнообразных процессов в ирокой области - от нелинейной оптики атомов до нелинейной лектронной физики. ...

Определенный прогресс в последнее время наметился не только | сферё применения УКИ, но и в их получении. Уже с самого начала азеры УКИ делились по типу активных сред на два широких класса-. 1азеры на органических красителях и твердотельные лазеры. Именно гервые, обладая широкой полосой усиления, обеспечили прорыв в гемтосекундную область, а также возможность широкой перестройки :астоты генерации. Однако интенсивность УКИ, определяемая сече-мем рабочего перехода, была сравнительно невелика. Обратная си- * ■уация наблюдалась для твердотельных лаэеров, имеющих сравни-.

тельно узкую полосу, то есть относительно большую длительность УКИ (порядка единиц пикооекунд) и неспособных к прямой перестрой ке частоты, но обладающих достаточно больной интенсивностью генерации. Принципиально ситуация изменилась с разработкой твердотельных лазеров с широкими лкнияш усилешя (для А120э!Т13*, например, она составляет около 3500 см"1), позволяющих получать перестраиваемые выс ■«овдтенсивные импульсы фемтосекундчых длительностей. 5то вызывает особый интерес к получению УКИ в широкополосных твердотельных лазерных система1'..

Что касается самих методов получения УКИ, то, в последние год-два наметился прогресс в обеспечении высокоэффективной синхронизации иод за счет использования новых типов пассивных модуляторов, так что на пути пассивного внутрирозонаторного сжатия УКИ стало возможным получение высокоинтенсизной стабильной непрерывной генерации с предельно короткими длительностями и широкой полосой перестройки УКИ. 0 резком повышении интереса к проблемам аффективной синхронизации мод широкополосных твердотельных лазеров свидетельствует" всплеск публикаций тго зтой теме, наметившийся в последние годы.

Цель диооертациошой работы состояла в решении следующих задач:

1. Изучение эффективности пассивной синхронизации мод (ПСМ) твердотельных лазеров при ламповой накачке с учетом конечного времени релаксации усиления, а также динамики пассивной синхронизации мод при наличии фазовой самомодулящш (ФСМ) в элементах лазера.

2. Исследование двойной синхронизации мод, а томе синхронизации мод при наличии, линейного дополнительного резонатора в твердотельных лазерах при синхронной накачке ограниченным цугом с целью минимизации длительности УКИ гекореция.

3. Развитие Флуктуационной модели в применении к самосинхронизация мод твердотельных лазеров при непрерывной нахячке с новыми видами пассивных модуляторов, таких как дополнительный резонатор и нелинейный керровокий поляризационный затвор.

4. Анализ на основе флуктуэдиоянсй модели динамики генерации в таких ситемах'с целью повышения эффективности синхронизации мод.

Научная новизна дисоертационной работы заключается в следую-

;ем:

1. Выявлены основные закономерности трансформации областей флективной ПСМ цчроиополосных твердогельшл лазеров при ламповой :акачке в зависимости от времени релаксации усиления и изменения аяочевых параметров лазерной системы, тагах как пиковая мощность 'акачки н ее длительность, потери, параметр насыщения усиления, шрина полосы усилеш!я.

2. Проанализированы пути минимизация длительности УКИ и по-[авления сателлитов в твердотельных лазерах при ПСМ и наличии ХМ.

'}. Детально исследована динамика генерации лазеров на основе шрокоподосных твердотельных сред с двойней синхронизацией мод Фи синхронной накачке ограниченным цугом УКИ.

4. Продемонстрирована возможность улучшения синхронизации юд широкополосных твердотельных лазеров при синхронной накачке зграничешщм цугом за счет использования дополнительного линейного резонатора.

5. Разработана модель, описывающая самостарт генерации УКИ Озеров на основе твердотельных сред с дополнительным как гогаей-

тек и нелинейным резонатором при непрерывной накачке о учетом флуктуационного характера лазерного излучения и изучена ди-ммшеа генерации в таких системах.

6. Продемонстрировано увеличение еффективяоети самосинхронизации мод непрерывных твердотельных' лазеров с дополнительным резонатором про использовании просветляющегося затвора.

7. Проанализирована динамика генерации и особенности синхронизации мод в твердотельных лазерных системах о пассивным поляризационным модулятором на основе оптического эффекта Керра.

Достоверность приводимых в диссертации результатов и выводов подтверждается следующим:

1. Анализ динамики генерации твердотельных лазеров с синхронизацией мод основывается на традиционных приближениях с использованием уравнений Максвелла, скоростных уравнений и феноменологического описания безынерционной керрсвской нелинейности.

2. Используемые модели описания ноля лазерной генерации базируются на флуктуационной модели, получившей разнообразные под-

тверздения в своих следствиях и прямое подтверждение в экспери-мертах.

3. Б ряде предельных случаев и в основных тенденциях полу ченные результаты отвечают результатам работ, основанных на юш: подходах. Это относится к закономерностям поведения областей эффективной синхронизации мод с изменением параметра насыщения усиления, динамики генерации при наличии ФСМ, основным динамическим особенностям двойной синхронизации мод и самостарта генерации УКИ при непрерывной накачке с дополнительным резонатором.

4. Имеется согласие с проведенными экспериментами в ряде В1 водов. Это касается особенностей ПСМ твердотельных лазеров с ламповой накачкой, а также с ФСМ на олэментах лазера; основных характеристик деойной синхронизации мод при синхронной накачке ] предельном случае непросветляющегося затвора} закономерностей самосинхронизации мод лазеров с дополнительным резонатором. Кро! того, ряд результатов объясняет прежде' непонятные експериментал! ные данные, в частности: неоднозначную зависимость от сечения усиления эффективности синхронизации мод лазеров с -дополнительн! резонатором; возможность получения самосинхронизации мод в лазерах с линейным дополнительным резонатором; малую воспроизводимость ПСМ в ситемах о к&рровским нелинейным поляризационным затвором при непрерывной накачке и с пассивным просветляющимся затвором при ламповой накячке из-за нахождения Ене областей вффективной синхронизации мод.

На защиту выносится следующее:

1. Путем настройки твердотельной лазерной системы в режиме ПСМ на второй порог генерации и сужения полосы усиления удается избежать фрагментации УКИ генерации из-за ФСМ и обеспечить лине! нооть "чирпа" вблизи их максимума.

2. В режиме двойной синхронизации мод широкополосного твердотельного лазера при синхронной накачке ограниченным цугом су;цес: вует область оптимальных параметров (параметра насыщения усиления, длины цуга накачки, расстройки длин резонаторов), в которо! возможна генерация УКИ с длительностями меньшими, чем при традиционной синхронной накачке.

3. Использование дополнительного линейного резонатора для тверд; тельного лазера при синхронной накачке ограниченным цугом позво-

вт добиться сокращения длительности УКИ генерации и подавления теллитов.

Развитие флуктуационной'модели синхронизации мод непрерывных ардотельных лэе ров показало возможность применения линейного нолнительного резонатора в качестве пассивного модулятора в шиком дивпазоне изменения параметров системы.

Определены области оптимальных параметров (интенсивность начет, коэффициенты фазовой самоыодуляции, связи резонаторов и зовой расстройки мевду ними, сечекие усиления), при которых еет место эффективная самосинхронизация мод непрерывных твердо-льннх лазеров с дополнительным резонатором.

Введение просветляющегося затвора в основной либо в дополни-льный резонатор при синхронизации мод непрерывных твердотвль-х лазеров с дополнительном резонатором повышает эффективность нхронизации мод, что характеризуется расширением области пара-тров.при которых наблюдается генерация стабильных цугов УКИ, еньшением порога самосинхронизации мод, расширением области пустимых фазовых рассогласований резонаторов.

На основе флуктуационной модели показано существование зам-ушх по параметрам системы областей эффективой ПСМ непрерывных ердотельных лазеров с нелинейным поляризационным керровокш«. твором.

Практическая значимость полученных результатов состоит в м, что они детально анализируют пути повышения эффективности нхронизации мод широкополосных твердотельных лазеров как. при мповой и синхронной накачках, так и при непрерывной накачке за зт оптимизации параметров лазерной системы и использования но-х типов пассивных модуляторов! дополнительного резонатора (ли-йного и нелинейного), либо нелинейного кврровского поляриза-онного затвора. Показано, что в результате управления накачкой,, терями, спектрально-селективными элементами и характеристикам/ ссивных модуляторов возможно получение высокоинтенсивных УКИ с ительностями, определяемыми шириной полосы усиления лазерной стены, что может йайти непосредственное практическое примене-е в создании высокоэффективных генераторов лазерных импульсов бойко- и фемтосекундного диапазона длительностей. Практическое ачение имеет возможность применения отработанной модели и ме-

тодики описания самостарта к разнообразному классу задач по анализу динамики генерации в режиме синхронизации мод.

АттробЕция работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI Всесоюзной конференции "Оптика ■ лазеров" (г.Ленинград,1990 г.), XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (г.С.-Петербург, 1991 г.), VII Международной конференции по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (г.Байрейт, Германия, 1991 г.), на семинарах кафедры физической оптики Белгосуниверситета.

Основные результаты опубликованы в 5 статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введений, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста; включает 43 рисунка, 17 страниц списка литературы, состоящего из 145 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность тема, сформулированы • цель и основные положения, выноримне на .защиту; отмечены новизна работы, ее достоверность и практическая значимость; указана структура диссертации и последовательность изложения материала.

В первой главе дан обзор теоретических методов исследования ПСМ твердотельных лазеров и синхронизации мод при синхронной накачке. Изложены основные подходы к анализу ПСМ лазеров на осно) твердотельных сред с просветлякздшоя поглотителем, базирующиеся 1 применении флуктуационной модели генерации лазеров. В первой главе представлен обзор.основных типов моделей аппроксимирующих поле генерации и допускающих .численное исследование.

Проанализированы подхода к описанию влияния ФСМ, возникаюце! при большой интенсивности поля генерации, характерной для твердотельных лазеров, иа ПСМ.

1 Дан обзор основных методов теоретического изучения синхронизации мод при синхронной накачке, как аналитических, основанных, на поиске собственных функций оператора, описывающего лазерную систему, так и численных, основанных на пошаговом рассмотрении динамики генерации.

В данной главе представлен обзор литературы по новым методаь

- В -

синхронизации мод, использующим дополнительные резонаторы и кер-ровскую нелинейность в качестве пассивных модуляторов.

Во второй главе предотавлены результаты Исследования путей повышения еффект. знооти синхронизации мод твердотельных лазеров при использовании пассивного затвора на основе просзетляадегося поглотителя.

Интенсивные исследования многочисленных активных сред (АС) о широкой полосой усиления в последнее время показали, что по возможности реализации генерации и перспективности приложений первенство принадлежит сапфиру с титаном. Его чрезвычайно широкая полоса усиления, перекрывающая большую часть ближней ИК области спектра, позволяет, в принципе, решить задачу получения непосредственно иэ резонатора перестраиваемых импульсов фемтосекундных длительностей, о мопйоотями, значительно превосходящими мощности перестраиваемых фемтосекундных лазеров на красителях. В отличие от традиционных сред, сапфир о титане»! имеет время релаксации возбужденного состояния Та« Э.5 мке, что вынуждает, во избежание существенных потерь на компенсации релаксации, использовать на- . качки с длительностью импульса Тн порядка ыикрооекунд. Это существенно сокращает этап синхронизации мод и ведет к уменьшению ее эффективности. В связи с этим отсяи задача иоледования эффективности ПСМ лазеров на основе широкополосных твердотельных АС с учетом конечных времен и I*.

Нами проанализирована возможность улучшения ПСМ в лазерах то основе широкополосных твердотельных АС, имеющих микросекундные зремена релаксации усиления, при ламповой накачке за счет управ-чения параметрами лазерной системы. Анализ основывался на Еяуктуационной модели ПСМ. Рассмотрение развития генерации на гелинейном этапе с точки зрения эффективности синхронизации мод j широкополосных средах,проведено.в приближении безынерционного юглотителя на основе аппроксимации флуктуационной картины излу' [ения на k-том проходе по резонатору в виде двух выбросов нтенсивнооти с амплитудами А( (к, rj) и Аа(к,г?) в'момент локаль-юго времени п . a ■fates¡е стационарного на аксиальном периоде фона нтенсивности S<k). Выбросы и фон в процессе взаимодействия с езынерционным затвором считались независимыми, а .контраст пиков ыбросов и превышение максимального пика над фоном в начале нели-

нс-Ягюго этапа для различных ширин полос усиления, выбирались, исходя из статистического анализе линейного этапа.

Области еффективной синхронизации мод на плоскости параметров в'1(1 где Т2 - время поперечной релаксации усиления,

св- сечение излучательного перехода, I -плотность потока фотонов,

в

насыщающих затвор, и превышения мощности накачки над пороговой 6» при различных ширинах паюсы усиления представлены на рис.1, для 10~14(1)« 10~13(2), 10"12 с (3).Области ниже и справа нижних кривых кавдой пары отвечают режиму свободной генерации, сами эти кривые -' двухпороговому режиму, а области выше и слева верхних кривых - режиму генерации гигантского .импульса, при котором доля

Рис. 1.

внергии в первом выбросе менее 90% (область неэффективной синхронизации). В области параметров а, 571 Между кривыми имеет место аффективная спхрошзация мод.

Из рис.1 видно , что увеличение ширины полосы при фиксированном 5йГ тресучт перехода к более кестким затворам с большим I . Кроме того, с уменьшением уменьшается "размер" области

6 3 ,

эффективной синхронизации. Для фиксированной ширины полосы угаш ния применение более ¡¡сестких затворов переводит систему в более широкую по 5Я область еффективонй синхронизации, в которой ад-бор соответствующего превышения является менее критичным, хотя ] большим по величине.

Для сравнения на рис.1 пунктир'ом показаны также области эффективной ешхранизацщ; при отсутствии релаксации возбужденно

состояния. Видно, что релаксация приводит к сужению втих областей и существованию их, лишь начиная о некоторого порогового ivy, при котором накачка в состоянии компенсировать релаксацию. Пги отсутствии релаксации аффективная синхронизация при соответствующем выборе параметров затвора возмогая й при малых iff.

Рост длительности накачки обуславливает увеличение области эффективной синхронизации, а также смещение ее в сторону меньших <3 и 6W. Однако для выбранного Т" увеличение длительности импульса нвкэчки означает значительное увеличение анергии накачки при превышениях 5W, обеспечивающих аффективную синхронизацию мод.

Большие интенсивности УКИ, получаемых в твердотельных лазе-, pax при ПСМ Могут стать причиной проявления различных нелиней-ностей в оптических материалах лазера, что, в частности, вызывает ФСМ поля генерации. В связи с этим, возникает вопрос об исследовании возможности управления длительностью, фазовой модуляцией и временной формой УКИ при наличии ФСМ нд основе обобщения флуктуа-ционной модели генерации твердотельных лазеров с ПСМ.

На основе флуктуанионной модели излучения твердотельного лазера с ПСМ нами была рассмотрена динамика изменения временной формы и частотной модуляции импульса генерации при наличии ФСМ и учете ширины полосы усиления. Для анализа степени деформации временной формы импульсов сравнивались среднеквадратичная длительность и длительность на полувысоте максимального пика и рассматривалась доля энергии импульса в максимальном пике. Показано, что при умеренных значениях параметра ФСМ за счет настройки системы на второй порог в цуге гагэлтекил импульсов генерируются УКИ с малой долей оперши в боковых сателлитах и практически линейным "чирпом" в центральном пике. При дальнейшем увеличении параметра ФСМ его достигается с помощью спектрально-ограничившчего фильтра в резонаторе.

Известно, что ПСМ твердотельных лазеров, обладая целим рядом преимуществ, уступает синхронно-накачиваемым системам в воспроизводимости параметров УКИ 'генерации при заданных параметрах системы. Двойная синхронизация мод, объединяя достоинства обоих методов, представляется весьма перспективной в целях получения перестраиваемых УКИ с зздзтиш свойствами на такой широкополосной

среде, как А1 О ^И3*. Учитывая, что твердотельная среда, обладая небольшим сечением поглощения о . нуждается в выоокоинтенсивной

14

накачко, которая наиболее просто реализуется в виде нестационарного цуга УКИ при ПСМ твердотельного лазера, представляет интерес рассмотрение динамики двойной синхронизации мод при такой накачке.

Рассчеты показали, что при определенных где а =

= Т„оа1 , параметры импульса в процессе генерации наиболее близки

Н 8

к тем, при которых имеет место аффективное сокращение длительности поглотителем. Это обеспечивает сокращение длительности УКИ по сравнению со случаем традиционной синхронизации мод при синхронной накачке. Влияние затвора на сокращение длительности тем больше, чем меньше накачка, то есть чем меньше модуляция АС за счет накачки. С ростом интенсивности накачки 1„ средние длительности импульсов генерации для случаев "оптимального" затвора и непросветлявдегося затвора в меньшей степени отличаются друг от друга. При этом увеличение накачки В рассматриваемых пределах обуславливает увеличение значения 0ОПТ почти на два порядка. Равные средние интенсивности генерации наблюдаются при значительно меньших накачках в случае а = (?опт по сравнению оо случаем о —~ю. Это свидетельствует об уменьшении необходимой для эффективной генерации интенсивности синхронной накачки при использовании просветляющегося затвора.

Эффективным методом получения импульсов колоколообразной временной формы без сателлитов, возникающих из-за опережения основным пиком генерации импульса накачки, является введение компенсирующего рассогласования периодов резонаторов генерирующего и накачиваицвго лазеров АТ. Использование затвора позволяет получить при МаО цуг УКИ без сателлитов. Наличие затвора ведет к существенному сглаживанию резонансного характера зависимости длительности УКИ генерации от ЛТ.

Еще одна возможность минимизации длительности импульсов генерации при двойной синхронизации »¿од связана с использованием кратной синхронной накачки, при которой период резонатора накачи-вамцего лазера кратен периоду резонатора генерирующего лазера.При кратной синхронной накачке выбор оптимального затвера, обеспечивающего наибольшее сокращение импульсов генерации, является значительно менее критичным по параметру насыщения.

В третьей главе исследуется динамика генерации УМ при использовании новых методов синхронизации мод твердотельных лазеров.

К настоящему времени достигнут существенный прогросс в использовании насыщающихся поглотителей в целях получения эффективной синхронизации мод лазеров при различных типах накачки. Однако, традиционные пассивные затворы, из-за присущей им инерционности и уменьшения вффективности сжатия УКИ при больших ин-тенсивностях генерации, не позволяют продвигаться далеко в фемто-секундную область. Такую возможность представляют системы с пассивной обратной связью в виде дополнительного резонатора и использующие практически безшерционную керровскую нелинейность.

Обратная связь, возникающая из-за взаимодействия излучения из основного резонатора с его репликой из' дополнительного резонатора, позволяет получить значительное сокращение длительностей УКИ генерации при синхронной накачке. Так как, в случае использования таких ЛС, как А12031Т1Э*, обладающих малым, по сравнению с красителями и кристаллами с центрами окраски, сечениями поглощения и излучения, более проста в техническом отношении высокоинтенсивная синхронная накачка в виде ограниченного цуга УКИ, представляет интерес исследование влияния линейной обратной связи в виде дополнительного резонатора в таких системах.

Нами было показано, что управляя параметром связи основного резонатора и линейного дополнительного резонатора удается улучшить синхронизацию мод широкополосной твердотельной среды при синхронной накачке ограниченным цугом УКИ и достичь болев коротких длительностей импульсов генерации, <1ем в случае отсутствия дополнительного резонатора.

В настоящее время установлено, что синхронизаодя мод твердотельных лазеров с дополнительным резонатором, содержащим нелинейный элемент, как правило - оптическое волокно, обеспечивающее ФСМ, возможна не только при синхронной нэкпчке, но также при непрорывной нгшачк'?. Как уже отмечалось выше, процесс синхронизации мод в таких системах обладав',- целым рядом преимуществ по сравнении с традиционной 1ЮМ. Однако, существующие теоретические рассмотрения оямосторта генерации УКИ п лазерах с дополнительным резонатором носили по.-.уничеотьешшЯ характер я не учитывали

флуктуашонный характер излучения, что не позволило проанализировать условия оамостарта в зависимости от параметров системы! Кроме того, не получило объяснения возникновение самостарта в системе с линейным дополнительным резонатором с колеблющимся, зеркалом.

Нами представлена модель, учитывающая флуктуациошый характер излучения и описывающая генерацию твердотельного лазера с дополнительным как линейным, так и нелинейным резонатором при непрерывной накачке и показаны облаоти параметров, при которых наблюдается самостарт генерации, то есть форлшроваяие стабильного цуга УКИ.

Моделирование процесса генерации включало рассмотрение многократного прохождения поля генерации по кольцевому резонатору и формирование его временной формы за счет усиления АС, линейных потерь, спектрального фильтра, а также связи с дополнительным резонатором. Кроме того, учитывалось наличие ФСМ либо в АС, либо в дополнительном резонаторе. Генерация инициировалась из спонтанного шумового излучения АС, которое добавлялось и на всех последующих проходах по резонатору. Постоянно присутствующее шумовое возмущение позволяло однозначно решить вопрос об устойчивости получаемых.стационарных реше(п1й, которые, таким образом, становились вполне независимыми от инициирующей случайной шумовой выборки и определялись параметрами системы в целом (в том числе,и среднестатистическими свойствами шума).

Основными варьируемыми параметрами являлись нормированная интенсивность накачки о, .Т™»»1«» где -период резонатора, коэф-

14 £л7<э кг рЗо

фициент связи резонаторов в, нормированные коэффициенты ФСМ Р"У<7аТрези Рь/свТрез, где Ра и Рь- коэффициенты ФСМ, пропорциональные нелинейному коэффициенту преломления и длине нелинейного елемента в основном либо в дополнительном резонаторе соответственно,. а также фазовое рассогласование между резонаторами Ф и tф,oпpeделящее групповую задержку поля на частотно-селективных элементах.

' Исследование зависимости характера синхронизации мод от параметров системы показало, что самостарт генерации стабильных цугов УКИ возможен лишь в ограниченных областях параметров.На рис.? представлены области самостарта на плоскости параметров

0,2

СИ

- 2

0,6

а)

0,7

Рис.

а14Трэз1н и 6 при наличии ФСМ (а).в ЛС для Р4/ОаТрез= 0.002 (1i, 0.004 (2), 0.С08 (3), (б) в дополнительном резонаторе для Рь/0атрез= 0.008 (1), 0.016 (2J, О.Ь (3). Вне областей само-сгарта наблюдаются различные режимы генерации: ниже и левее -отсутствует синхронизация мод, выше и правее - наблюдаются несколько импульсов генерации на периоде резонатора с интенсивными перекачками энергии между ними. Из рис.2 еидно, что рост нормировшшого коэффициента нелинейности, обратно пропорционального öaj сопровождается уменьшением порога самостарта, однако площадь областей при этом может уменьшаться, так что система становится чувствительна к малым изменениям параметров и получение синхронизации мод затрудняется. Существует оптимальное значение Ра'ь/оаТрг1Г}, для которого площадь области максимальна. Введение ФСМ в дополнительный резонатор, как и сужение полосы пропускания частотного фильтра, улучшает синхронизацию мод, что сказывается на увеличении площадей соответствующих областей и на менее критичной их зависимости от параметров системы. Существенным моментом является быстрое подавление синхронизации мод при введении фанового рассогласования между резонаторами.

Сильная чувствительность режима генерации непрерывного твердотельного лазера с дополнительным резонаторам к фазовому рассогласованию между сезопаторши заставляет искать пути повышения эффективности синхронизации мод в таких системах. Наш было показано, что введение просветляющегося затвора с высоким коэффициентом пропуекчния к од. м из резонаторов значительно

расширяет области синхронизации мод, понижает порог самостарта, а также уменьшает отрицательное влияние фазового рассогласования на эффективность синхронизации мод, так что такая система способна обеспечивать стабильную генерацию УКИ-без электронного контроля длин резонаторов.

Трудности фазового согласования длин резонаторов при самостарте с дополнительным резонатором можно избежать, используя поляризационный пассивный затвор На основе оптического аффекта Керра, расположенный в резонаторе генерирующего лазера. Простейш затвор такого типа имеет оледущий вид. Линейно поляризованный свет из АС падает на четвертьволновую пластинку под углом а0 меаду вектором его поляризации и оптической осью пластилки. Выходящий из Х/4-пластинки эллиптически поляризованный свет самопре-цессируег в нелинейной оптической среде и падает на анализатор, ориентированный под углом а по отношению к оптической оси пластинки К/4. Пропускание такой системы Т, зависит от а0, а и интенсивности падающего света Кя).

Как .и в случав синхронизации мод с дополнительным резонатором, самостарт генерации стабильных УКИ в такой системе возможен в ограниченны! областях параметров. На рис.3 представлены области эффективной синхрониЭация мод на плоскости о,.Т_„ЛГ1 и а для-

14 риЗ л

нормированного параметра керровской нелинейности па/0*трез= 0.05 (1,3), 0.025 (2), ао= Я/6 (1,2), я/12 (З).Кек видно из рис.3,

а сопровождается увеличением порога самостарта, что связанс

с уменьшением пропускания затвор? Однако при этом область эффективной синхронизации мод расширяется.Уменьшение ад, соответствующее переходу в область, где степень просветления большая, увеличивает область самостарта вследствие возрастания степени дискриминации УКИ затвором. • Уменьшение параметра нелинейное?! ведет к росту порога самостарта 5 Рис. 3. уменьшает площадь соответветству1

щих областей.

• Существенным является то, что при синхронизации мод керров-шй поляризационный затвор работает как в режиме просветления, ж и в режима затемнения для импульсов со значительно выросшими ггенсивностями. Это стабилизирует генерацию. КерровогаШ поляри-(ционный затвор представляется весьма 'перспективным средством ш ПСМ в силу своей безынерционности и простоте манипулирования ¡раметрами затвора в широком диапазоне их изменения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДУ

1. Анализ ПСМ широкополосных твердотельных лазеров ри лам->вой накачке показал влияние конечного времени релаксации и дли-»льности импульса накачки на области аффективной синхронизации )д. Исследовано изменение етих. областей при расширении полосы • шерэции и варьировании просветляемых и непросветляемых потерь, ¡зультаты расчетов,' качественно согласующиеся с экспериментом, шдетельствуют о необходимости перехода к более жестким затворам т расширении полосы генерации АС.

2. Исследование динамики ПСМ твердотельных лазеров с учетом !М и конечной ширины полосы усиления показало, что за счет на-'ройкй системы на второй порог и сужения полосы усиления уда-■ся избежать отрицательного влияния ФСМ на синхронизацию мод и ¡лучить УКИ с линейным "чирпом" в условиях высоких интенсив-)стей.

3. Численное моделирование двойной синхронизации мод широ-щолосиого твердотельного лазера позволило найти области опти-1льных параметров системы, в частности, параметра насыщения ¡иления, при которых возможно получение УКИ минимальных дли-!лыюстей уже при ограниченном нуге накачки.

4. Результаты изучения синхронизации мод широкополосного ¡ердо'гелыюги лазера с линейным дополнительным резонатором при шхронной накачке ограниченным цугом свидетельствуют, что, гратзляя параметром связи основного и дополнительного резонато-¡в, удается сократить длительности УКИ генерации и подавить са~ ¡ллиты, то есть улучшить синхронизацию мод.

5. Развитие флуктуационной модели генерации твердотельных

лазерсв при непрерывной накачке показало существование самосинхронизации .мод яри наличии как нелинейного, так и линейного / дополнительного резонатора. ' 6. Численно продемонстрировано существование замкнутых областей эффективней самосинхронизации мод лазеров с дополнительны» резонатором и и трансформация с изменением лазерных параметров.

7. Предложен новый метод повышения•эффективности синхронизации мод непрерывных твердотельных лазеров о дополнительным резонатором за счет использования вспомогательного просветляющегося затвора. ,

8. Анализ динамики генерации твердотельных лазеров с нелинейным керровишм поляризационным затвором позволил прийти к выводу о существовании в таких системах замкнутых областей эффективной синхронизации мод и определить основные закономерности, позволяющие аффективно управлять этими областями.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах!

1. Демчук М.И., Калашников В.Д., Калоша З.П., Михайлов^ В.П., Старовойтов A.M. Влияние фазовой самомодуляцки на временные характеристики УКИ твердотельных лазеров // Квантовая електро ника. -199U -Т.18. -П5. -С.572-575.

2. Демчук М.И., Жаворонков К.И., Калашников В.Л., Калоша В.П., Михайлов В.П. Эффективность пассивной синхронизации мод в лазерах на основе широкополосных твердотельных оред с ламповой накачкой // Квантовая электроника. -1991. -Т.18. -N7. -С.851-854.

3. Demchuk МЛ., Z.havoronkov if.I., Kalasimikov V.l., Kaiosha V.P Mikhailov Y.P. Passive mode-locking efXioienoy of wideband solid-state lasers with lamp pumping IJ Optics Communications -1991. -V.82. -N3,4. -P.521-525.

4. Демчук М.й., Калашников В.Л., Калоша В.П., Михайлов В.П. Синхронизация мод твердотельных лазеров на основе широкополое- . ных сред с линейным дополнительным резонатором при неотацио-' йарной синхронной накачке // Тез. докл. XIV Международной конференции ло когерентной и нелинейной оптике, 24 - 27 сентября 1991 г. -С.-Петербург. -С.РТЬНб.

- 18 -

emohuk M.I., Kalashniltov V.L., Kalosha V.P., Mikhailov V.P. bde locking of Bolid-state wideband lasers with linear ex-emal cavity for nonstationary synchronous pumping // In: VII nt.Symp. Ultrafast processes in spectroscopy. -Beyreuth. ¡ermany. -1991. -P.M0P12.

[емчук М.И., Калашников В.Л., Калоша В.П., Михайлов В.П. Син-:ронизация мод твердотельных лазеров на основе широкополосных ;ред с линейным внешним резонатором при нестационарной синх-зонной накачке // Квантовая электроника. -1992. -Т.19. -N2. -С.237-239.

Салатников В.Л., Калоша В.П., Михайлов В.П., Демчук М.й. Само-зтарт генерации УКИ в твердотельных лазерах с дополнительным резонатором при непрерывной накачке // Квантовая электроника. -1992. -Т.19. -N4. -С.487-491.