Применение ВРМБ-зеркал в твердотельных лазерах с поляризационно-замкнутой резонаторами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИМ ФАКУЛЬТЕТ

ОД

, )

На правах рукописи УДК 621.373.826

ТЕРЕНТЬЕВА ИРИНА ВИКТОРОВНА

ПРИМЕНЕНИЕ ВРМБ-ЗЕРКАЛ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРАХ С ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ЗАМКНУТЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ.

Специальность - 01.04.05. - оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1998

Работа выполнена на кафедре оптики и спектроскопии физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

ст. науч. сотр. О.М.ВОХНИК.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник НИИ ядерной физики МГУ им. Д.В. Скобельцына Е.Г.ЛАРИОНЦЕВ,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИОФ РАН Д.А.НИКОЛАЕВ.

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский центр по технологическим лазерам РАН

Защита диссертации состоится Цк^ИР_1998 г.

в час. 30 мин. на заседании специализированного Совета № 1 ( К 053.05.17 )

Отделения экспериментальной и теоретической физики физического факультета МГУ в аудитории

Адрес: 119899, Москва, Воробьевы горы, физический факультет МГУ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан " ная

Ученый секретарь специализированного Совета № 1 ОЭТФ кандидат физико-математических наук

1998г.

Л.С.ШТЕМЕНКО

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение качества излучеиня и коэффициента полезного действия твердотельных лазеров остаются актуальными проблемами современной лазерной физики, поскольку именно эти характеристики определяют в первую очередь возможности применения твердотельных лазеров в современной медицине, связи, технологии. Исследования, посвященные решению этих проблем, ведутся как по линии поиска и изучения новых активных сред, так и разработки новых методов управления характеристиками выходного излучения.

Новыми активными средами для твердотельных лазеров с ламповой накачкой являются кристаллы скандиевых гранатов, соактиыгрованные нонами хрома и неодима. Возможность передачи возбуждения от ионов хрома, обладающих широкой полосой поглощения, нонам неодима обусловила резкое повышение эффективности лазеров ня этих кристаллах и достижение рекордных для твердотельных лазеров с ламповой накачкой коэффициентов полезного действия. Наиболее полно преимущества новых активных сред проявляются в схемах поляризацношю-замкнутых резонаторов, предложенных и иссяедовалных в последнее время. Дальнейшее улучшение характеристик лазеров с поляризационно-замкнутыми резонаторами, направленное на получате дифракционного качества выходного излучения, может быть достигнуто при использовании в них устройств, компенсирующих с помощью обращения волнового фронта внутрпреэонаторные фазовые и амплитудные искажения пучха. Однако, многие вопросы, связанные с применением в поляризацношю-замкнутых резонаторах устройств с обращением волнового фронта, остаются невыясненными. Отчасти это связано с тем, что в поляризациопно-замкнутых резонаторах излучение распространяется более сложным образом, чем в традиционных резонаторах типа Фабрн-Перо, из-за его деполяризашш при каждом проходе активного элемента. Экспериментальный материал, затрагивающий эти проблемы, крайне ограничен.

Для обращения волнового фронта (ОВФ)' излучения твердотельных лазеров используются в первую очередь устройства на основе обратного вынужденного рассеяния Мандельштама-Брпялюэна (ВРМБ). Бурное развитие наблюдается в настоящее время и в исследовании самого ¡тления ВРМБ. Предложенные и реализованные для возбуждения вынужденного рассеяния новые оптические схемы с использованием обратной связи стимулировали заметный всплеск интереса к этой

тематике. К таким схемам в первую очередь относится петлевая схема, в кохоро оптическая обратная связь осуществляется при самопересечении пучка накачки нелинейной среде. В этой схеме параметрическое взаимодействие лазерных и стоксовы води в ВРМБ-активной среде приводит к значительному росту усиления вьшужденног рассеяния и повышению качества обращения стоксова излучения. Другой спосо обратной связи предлагается в кольцевой схеме: в ней пучок обратной связ совмещается с исходным и возвращенное назад стоксово излучение действует ка затравочное, обусловливая рассеяние от гораздо более высокого уровня, че спонтанный шум. Значительное снижение порогов возбуждения вынужаешюг рассеяния и повышение качества ОВФ в схемах с обратной связьк продемонстрированное во многих работах, выполненных в последние годы, открываю перспективы использования подобных схем в лазерных резонаторах. Тем не менее, д настоящего времени такие исследования не проводились, несмотря на очевидны преимущества ВРМБ-зерхал с оптической обратной связью по сравнению с обычным! возбуждаемыми на одни проход нелинейной среды.

Целью диссертационной работы являлось:

- разработка метода повышения качества излучения твердотельных лазеров подярнзационно-замкнутьши резонаторами, основанного на использовании ВРМ1 зеркал с различными типами обратной связи;

- исследование влияния на динамику генерашш и характеристики выходног излучения внешнего ВРМБ-зеркала с петлей обратной связи, включаемого собственны! излучением лазера с поляризационно-замкнутым резонатором;

- исследование твердотельного лазера с поляризационно-замкнутым резонаторо! н кольцевым ВРМБ-зеркалом, включаемым исходным лазерным излучением;

- разработка метода модуляции • добротности полярнзациоино-замкнутог резонатора с помощью ВРМБ-ячешсн н установление фнзггческого механизм модуляции.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые осуществлено подключение к резонатору твердотельного лазер петлевого и кольцевого ВРМБ-зеркал с оптической обратной связью, определен) условия их наиболее эффективного возбуждения;

- экспериментально исследованы особенности динамики генерации характеристик выходного излучения твердотельного лазера с поляризацноннс

замкнутым резонатором, обусловленные использованием оптической обратной связи при возбуждении ВРМБ;

- осуществлен новый метол модуляшш добротности пояяризацнонно-замкнутого резонатора с помощью внутрирезонаторной ВРМБ-яченки.

Научная значимость и пратчпеская ценность работы.

Полученные в диссертации результаты важны для понимания физических механизмов и закономерностей формирования пространственной и временной структуры излучения в лазере с полярнзашюнно-замкиутым резонатором н ВРМБ-зеркалом, включаемым собственным затравочным излучением. Выполненные экспериментальные исследования впервые показали возможность подключения к резонатору твердотельного лазера ВРМБ-зеркал с различными видами оптической обратной связи и продемонстрировали значительные преимущества таких зеркал по сравнению с обычными, а таких выявили условия, при которых их воздействие на лазерную генерацию осуществляется с наибольшей эффективностью.

Практическая значимость работы обусловлена тем, что полученные в ней данные о возможности эффективного применения ВРМБ-зеркал могут быть использованы прп разработке и созданш« твердотельных лазероз на основе скандиевых гранатов, соактивированшлх нонами хрома и редкоземельных элементов, обладающих дифракционным качеством излучения и высоким коэффициентом полезного действия.

Защищаемые положения.

1. Предложенный и реализованный способ повышения энергии и качества излучения твердотельного лазера, основанный на нспользоватш ВРМБ-зеркал с оптической обратной связью, а также метод модуляшш добротности поляризацконно-замкнутого резонатора с помощью внутрирезонаторной ВРМБ-ячейкн.

2. Экспериментальные данные о влиянии петлевого н кольцевого ВРМБ-зеркал с | оптической обратной связью на динамику генерации н характеристики выходного излучения лазера с лодяризацнонно-замкнутым резонатором, а также сравшттельпый анализ со случаем вынужденного возбуждения ВРМБ-зсркала за Ьд!Ш проход , нелинейной среды.

3. Численные расчеты инкрементов усиления вынужденного рассеяния и времени развития отклика ВРМБ-зеркал с различными видами обратной связи. Численные оценки влияния параметров схем обратной связи на эффективность ВРМБ-зеркал. ,

I

4. Экспериментальные данные о физическом механизме и условиях реализации |

режима моноимпульсной генерации при помещении в иоляризацнонно-замкнутый ;

1 1 I

резонатор ВРМБ-яче-йки, а также временных, энергетических, пространственных и спектральных характцшстик выходного излучения.

Достоверность полученных экспериментальных и численных расчетов, а также выводов работы обеспечиваются тщательностью разработки методики измерений, отсутствием противоречий между экспериментальными результатами и численными оценками, соответствием выводов общим физическим принципам и закономерностям, а также результатам, полученным другими авторамы.

Апробации работы и публикации.

Основные резупьтаты докладывались на 15-й Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995), на № Межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1996), Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломомосов-96" (Москва, 1996), IV Симпозиуме "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1997) и содержатся в 6 публикациях, список которых приведен в конце реферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 10S страниц текста, в том числе 37 рисунков; список цитируемой литературы включает 84 наименования.

П. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности темы диссертации, формулируется цель работы, приводятся защищаемые положения, отмечается новизна, научная значимость и практическая ценность работы, а также дается краткое содержание работы по главам.

В первой главе диссертации проведен обзор литературных данных по к-ругу вопросов, наиболее тесно соприкасающихся с темой работы. К ним в первую очередь относятся публикации, посвященные исследованию твердотельных лазеров с ВРМБ-зеркалами, включаемыми собственным затравочным излучением, и зеркалами, обращающими волновой фронт. Рассмотрены и обсуждены результаты подключения внешнего ВРМБ-зеркала к резонаторам различной конфигурации, в частности, к Т-образному и поляризационно-замкнутому резонаторам.. На основе анализа литературных данных показано, что эффективность воздействия ВРМБ-зеркала тем выше, чем на более ранней стадии развития лазерного импульса присходиг его подключение, то есть чем ниже порог возбуждения вынужденного рассеяния. Одним из

способов существенного снижения порога является использование схем с оптической обратной связью, подробное рассмотрение которых в применении к ВРМБ также проведено в первой главе. Большое внимание уделено обсуждению принципиальных схем обратной связи, теоретическому описанию и анализ} экспериментальных данных. В качестве вывода из обзора литературы указано на перспективность использования схем возбуждения ВРМБ с оптической обратной связью в качестве зеркала резонатора лазера.

Отдельно рассмотрены работы, связанные с использованием ВРМБ-ячеек для модуляции добротности лазерного резонатора. Подробно обсуждены вопросы установления физического механизма, ответственного за изменение добротности. В заключение литературного обзора обоснована актуальность темы диссертационной работы.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию твердотельного' лазера с поляризацноюто-замкнутым резонатором и внешним ВРМБ-зеркалом, включаемым собственным затравочным излучением. Важнейшей особенностью проведенных исследований является то, что впервые в подключаемом к резонатору ВРМБ-зеркаяе используется оптическая обратная связь, а именно: рассмагржается влияние на лазерную генерацию ВРМБ-зеркала, в котором вынужденное рассеяние возбуждается в петлевой схеме [1].

В созданной экспериментальной установке в качестве исходного используется импульсно-периодический лазер на кристалле 1прт!-галлий-скандиевого граната ИСГГ: Сг3\ Кс15+ с поляризащюнно-замкнутым резонатором двух различных конфигураций: с двухлучевым еьшодом излучения н с составным отражателем [2]. ВРМБ-зеркало с петлей обратной связи располагается вблизи одного из двух выходных зеркал исходного резонатора. Длина кругового обхода петли Ь подбирается в соответствии с условием

настройки на центр полосы усиления ВРМБ [1]: Ь = Ш, где С - скорость света, Й -

стоксов сдвиг в используемой нелинейной среде (тетрахлорид олова - БпСЬ), т=1, 2,... Первичный пучок и пучок, обошедший петлю, пересекаются в среде под углом достаточно малым, так что изменением частотного сдвига в среде можно пренебречь. Возбуждение ВРМБ осуществляется в сфокуигрованных пучках накачки.

В отсутствие ВРМБ-зеркзла изяучешк в обеих конфигурациях поляризацнонно-замкнутого резонатора возбуждается в виде моноимпульсов небольшой пиковой мощности Рь « 0,09 МВт, длительностью ~ 45 нсек (частота повторения импульсов в эксперименте, если это не оговорено особо - 5 Гц). В спектре исходного излучения

наблюдается одна компонента, ширина которой не превышает 0,01 см-' , при этом длина когерентности генерируемого излучения достаточна для образования интерференционной картины при пересечении пучков в петлевой схеме. Излучение исходного лазера возбуждается в виде основной моды диаметром ~ 1,0 мм и расходимостью ~ 1,0 мрад.

При возбуждении петлевого ВРМБ-зеркала с обеими конфигурациями поляризационно-замкнутого резонатора средняя мощность излучения, выходящего со стороны противоположного зеркала возрастает в 12 - 13 раз, пиковая мощность импульсов становится равной ~ 1,5 МВт, энергия моноимпульса достигает 60 - 70 мДж. На временной огибающей импульса появляется неглубокая модуляция с периодом, соответствующим времени обхода светом резонатора.

Пространственная структура выходного пучка с петлевым ВРМБ-зеркалом остается близкой к одномодовон при практически таком же диаметре пучка и расходимости. В спектре излучения появляются 3-4 компоненты, разделенные интервалом ~ 0, 08 см*', совпадающим со сдвигом ВРМБ в используемом веществе. Воспроизводимость импульсов выходного излучения с петлевым ВРМБ-зеркалом составляет не менее 90 % .

Включающееся тем же исходным излучением обычное ВРМБ-зеркало (оно образуется в отсутствие второго пучка накачки), вынужденное рассеяние в котором возбуждается за один проход нелинейной среды, оказывает значительно меньшее влияние на энергетические характеристики лазера, увеличивая выходи;,то мощность лишь в 1,8 раза. Тот факт, что более высокая эффективность петлевого ВРМБ-зеркала по сравнению с обычным обусловлена именно параметрическим взаимодействием пересекающихся лазерных и стоксовых войн, а не простым увеличением длины нелинейной среды за счет второго прохода, подтвержден экспериментально измерением выходной мощности при непересекающихся в среде пучках накачки. Подключение образующегося "двухпроходового" ВРМБ-зеркала усгуйает по эффективности петлевому в 5 - 7 раз.

Энергетическая эффективность возникающего в процессе генерации ВРМБ-зеркала характеризуется его эффективным коэффициентом отражения Я>фф, определяемом по методике, основанной на сравнении измеренного и расчетного значений энергосъема. Проведенная таким образом оценка эффективного коэффициента отражения петлевого ВРМБ-зеркала дает для него значение 64 %, для обычного - с тем же исходным лазером -11%.

Важнейшим результатом, полученным впервые, является экспериментально показанная возможность эффективного подключения петлевого ВРМБ-зеркала к лазерной генерации, свидетельствующая об отсутствии сколько-нибудь заметной временной задержки при возбуждении рассеяния в петлевой схеме. Для оценки времени установления стационарного режима вынужденного рассеяния и объяснения значительного различия в эффективности петлевого и обычного ВРМБ-зеркал проведен расчет инкремента усиления 0,фф вынужденного рассеяния, создаваемого в нелинейной среде излучением исходного лазера. Расчет выполнен с учетом импульсного характера накачки в предположении, что импульс имеет гауссову форму. Для петлевой схемы величина в различных экспериментальных условиях составляет ~ 150, что

превышает известное пороговое значение йпор ~ 25 + 30 в 5 - 6 раз. В то же время инкремент усиления О вынужденного рассеяния при возбуждении за один проход нелинейной среды оказывается равным ~ 20, что является практически пороговым значением. Такое значительное различие в превышении порогового инкремента для случаев петлевого и обычного ВРМБ-зеркал объясняет различие в их эффективности. Важно также то, что эффективное возбуждение петлевого ВРМБ-зсркала оказывается возможным пучками заметно меньшей интенсивности, чем в случае обычного ВРМБ-зеркала, что обеспечивает преимущество для развития ВРМБ по сравнению с другими конкурирующими нелинейными процессами.

Расчет временного интервала Л1 , в течение которого инкремент усиления О^ф в петлевой схеме достигает порогового значения, равного 25 + 30, показывает, что в настоящих условиях он составляет (8 + 10)т, где т - время кругового облета петли, при уровне мощности исходного импульса ~ 80 % от максимального значения. Экспериментальные данные, полученные при анализе осциллограмм импульсов исходного лазера и лазера с петлевым ВРМБ-зеркалом, находятся в хорошем согласии с проведенными численными оценками.

Для уточнения зависимости эффективного коэффициента отражения ВРМБ-зеркала от превышения инкремента усиления в над пороговым значением проведены специальные измерения с обычным ВРМБ-зеркалом. Для варьирования в без внесения амплитудной развязки между лазером и ВРМБ-зеркалом используется постановка фазовых пластинок, вносящих дополнительную расходимость в пучок и меняющих

2 ЬР

таким образом инкремент усиления, равный С — , где Ь - удельный коэффициент

.001

усиления ВРМБ в нелинейной среде, О - диаметр пучка на фокусирующей литое, Оц-

расходимость пупса, накачки. Полученная зависимость Р.эфф от О свидетельствует, что с превышением порогового инкремента растет с увеличением О по нелинейному

закону. Важным результатом проведенных измерений является экспериментально установленная возможность компенсации фазовых искажений, вносимых между лазером и ВРМБ-зеркалом.

Сравнение двух исследованных конфигураций полярнзационно-замкнутого резонатора показывает, что их отклик на подключение внешнего ВРМБ-зеркала примерно одинаков. Наблюдающееся отличие в глубине модуляции временной огибающей выходного лазерного импульса объясняется при учете потоков излучения разной поляризации, распространяющихся в резонаторах.

В третьей главе излагаются результаты экспериментального исследования лазера с поляризацногшо-замкиутым резонатором и внешним кольцевым ВРМБ-зеркалом. В настоящей работе кольцевое ВРМБ-эеркало, также как и петлевое, впервые используется в качестве зеркала резонатора.

В исходном лазере на основе ИСГГ: Сг3+ , N<3'* используется поларизациошю-замкнутый резонатор с составным отражателем. Кольцевое ВРМБ-зеркало располагается вблизи выходного зеркала, осуществляющего вывод горизонтально-поляризованного излучения. В отличие от петлевой схемы, в кольцевом зеркале пучок обратной связи с помощью делительной пластинки с коэффициентом отражения г точио совмещается с первичным пучком. Длина оптического пути в кольцевой схеме также, как и в петлевой, устанавливается кратной обратной величине стоксова сдвига в используемой нелинейной среде - ЭпОд . Возбуждение вынужденного рассеяния осуществляется в сфокусированных пучках.

Теоретическое описание действия кольцевой схемы проводится на основе уравнений, полученных в [3]. Показано, что снижение пороха возбуждения вынужденного рассеяния и увеличите коэффициента отражения кольцевой схемы по сравнению с обычным возбуждением за один проход нелинейной среды, обусловлено более высоким уровнем затравочного стоксова поля 5 вследствие возвращения его

части, равной № , по пути обратной связи. Расчет показывает, что существует связь между уменьшением порога Опор и максимально достшшмьш коэффициентом стоксова отражения II, зависящая ог отражения делительной пластинки г, а именно: при увеличении г впор уменьшается, но уменьшается и максимально возможное значение Я, Эта связь является следствием использования делительной пластинки: с одной стороны она способствует росту усиления расеянного пучка за счет механизма обратной связи, с

другой стороны - она отражает некоторую часть мощности входного пучка Рь , падающего на кольцевую схему. При использовании кольцевого ВРМБ-зеркапа в качестве зеркала резонатора лазера величина коэффициента отражения г играет еше большую роль, поскольку с его увеличением возрастает и степень амплитудной развязки лазера с зеркалом, существенно уменьшающая эффективность его подключения к лазеру. Поэтому величина г в эксперименте варьируется, пршшмая значите 0,01; 0,05; 0,17.

Подключение кольцевого ВРМБ-зеркала при всех значениях г сопровождается значительным ростом средней и пиковой мощности выходного излучения. Длительность и пространственные характеристики выходного излучения не претерпевают особых изменений по сравнению с исходным, в спектре же добавляются 23 компоненты, отстоящие друг от друга на величину стоксова сдвига.

Важность наличия оптической обратной связи в возбуждавшейся схеме ВРМБ-зеркала подтверждается при сравнения его влияния на лазерную генерацию с влиянием обычного ВРМБ-зеркала, Выходная мощность лазера с обычным ВРМБ-зеркалом в 2-3 раза ниже мощности лазера с кольцевой схемой возбуждения рассеяния.

Конкретные значения роста средней выходной мощности Р* с подключением кольцевого ВРМБ-зеркала по отношению к исходной Ро при г=0,01;0.05 н 0,17 составляют соответственно 3.8; 6,5 и 3,4 раза. Рассчитанные значения порогового инкремента усияени Опор при этом равны 4,1; 2,7 и 1,0. Таким образом, при увеличении г от 0.01 до 0,17 эффективность подключения кольцевого ВРМБ-зеркала проходит через свое максимальное значение при г-0,05, когда уменьшение порогового инкремента усиления и небольшая по величине амплитудная развязка сочетаются отпнмальным образом. Специально проведенные измерения влияш)я развязки между лазером и кольцевым ВРМБ-зеркалом на эффективность его подключения указывают на сильную зависимость эффективности от развязки, н практически полное отключение ВРМБ-зеркала при внесении потерь, составляют!« 30%.

В четвертой главе сообщаются результаты исследования модуляции добротности с помощью ВРМБ-яченки в лазере с поляризанионно-замкнутым резонатором. Для исследования возможности модуляции добротности полярнзаннонно-замкнугого резонатора с помощью ВРМБ-ячейки используется конфигурация с составным отражателем. ВРМБ-ячейка включает в себя кювету с нелинейной средой и две линзы с фокусным расстоянием 5 см. Расстояние между линзами устанавливается таким образом, что пучок, пройдя через ВРМБ-ячешсу, остается параллельным.

В сыостировшшом состояшш иоляризацнонно-замкнутого резонатора свободна!! генерация возникает при любом превышении мощности накачки над пороговым значением U^p - 100 Вт. Увеличение накачки до 1.6 U^ не приводит к генерации моноимпульсов, а сопровождается ростом энергии свободной генерация. Дш уменьшения начальной добротности резонатора и повышения за счет этогс шггенсиБНости излучения свободной генерации используются два способа. Первый - эте разьюстировка выходных зеркал резонатора, второй - исключение одного из зеркал и: резонатора. В этом случае полярнзацнонно-замкнутьш резонатор превращается i резонатор с поляризациотшм выводом излучения.

При разыостнровке зеркал на угол ~ 5' и превышении накачки в 1,2 раза пс отношению к U^ режим модуляции добротности реализуется. Регулярное возбужлешк ВРМБ-хюветы приводит к генерации одного моноимпульса за вспышку дампы накачки Вынужденное рассеяние возбуждается одним из первых импульсов свободно!-генерации, поскольку перед гигантским импульсом иногда регистрируется один (реже два) гагаок свободной генерации. Важно отметить, что после сысвечпванш мононмпульса, свободная генерация уже не возникает.

Исключение одного из зеркал также приводит к генерации гигантских имнульсов Другое зеркало при этом остается в сьюстнрованном состояшш. Пороговая мошносп накачки для такого резонатора также составляет 1,2 í/^

Характеристики излучения в режиме моду ляпни добротности для поляризационно-замкнутого резонатора с разъюспфовадшыми зеркалами и резонатора < поляризационным выводом излучения практически одинаковы за исклгочетшсм пространственной структуры выходного пучка

При регулярном возбуждении ВРМБ-юоветы среднее значеш!е выходное мощности излучения составляет 150 - 200 мВт, что при частоте следования импульсо! 5 Гц соответствует энергии моноимпульсов ~ 30-40 мДж , пиковой мощности ~ 1-2 Мвт при длительности в среднем ~ 35 не по уровню 1/2 от максимума импульса. Временна? огибающая промодулирована с характерным периодом ~ 10 не, что соответствует времени обхода светом резонатора .В спектре излучения регистрируется 2 - ' эквидистантных компоненты. Расстояние, между ними составляет 0,08 см"1, чте соответствует стоксову сдвигу в веществе при ВРМБ.

Уменьшение энергии накачки приводит к уменьшению мощности импульсов снижению частоты нх появления и уменьшению количества спектральных компонент.

Пространственная структура излучения, генерируемого в режимах модулящн добротности для двух использованных резонаторов, существенно отличаются. Прг

разыостировкс поляризашюнно-замкнутого резонатора генерируется преимущественно мкогомодовое излучение. Пучок имеет расходимость ~ 3 мрад, что при его диаметре на зеркале ~ 3 мм. ниже дифражциотюЛ примерно на порядок. Распределение поля в дальней зоне является существенно неоднородным . Важно отметить, что такую же пространственную структуру имеет излучение в режиме свободной генерации. Модовын состав меняется при незначительных изменениях юстировки зеркал .

Пространственная структура излучения при рсалнзашга режима модуляции добротности в резонаторе с поляризационным выводом излучеш!я близка к основной моде. Излучение имеет расходимость ~ 0,8 мрад, что близко к дифракционному пределу. Пучок имеет диаметр — 1,5 мм на зеркале н однородное распределение поля но сечешао. Более высокое качество пучка в резонаторе с поляризационным выводом излучения связано с отсутствием в этом случае разъюсгнровки.

Наблюдающееся соответствие пространственной структуры пучков г режимах свободной геиеращт и модулированной добротности ранее уже отмечалось г. литературе и объяснялось тем, что при генерации гигантского импульса происходит быстрый экспоненциальный рост ннтенснвности лазерного излучения, и значительная часть инверсной населенности снимается за 3-4 обхода светом резонатора, з течение которых перестройка типов колебаний не успевает произойти.

Эффективность ВРМБ-зеркала максимальна при частоте следования 5 Гц, по мере ее увеличения К,ф уменьшается. Максимальная частота следования, при которой имеет место модуляция добротности, составляет 12 Гц, ее дальнейшее увеличение до 15 Гц приводит к срыву режима модулированной добротносгп. Значения максимального коэффициента отражения ВРМБ-зсркала, необходимого дяя воэбуяедення режима модушфованной добротности, при различных частотах следования примерно одинаковы (~ 15°'о), что указывает на пороговый характер устгноилашя этого режима. Соответствующие началу возбуждения резшта модуляции добротности значения выходной энергии с ростом частоты повторения импульсов увеличиваются. Это объясняется тем, что, при росте тепловых нагрузок возрастает расходимость исходного излучения и для достижения порогового инкремента усиления ВРМБ необходимо увеличение мощности излучения.

Полученное значение эффективного коэффициента отражения ВРМБ-зеркала ~ 80% является достаточно высоким и указывает на перспективность применения ВРМБ-ячейки для модуляции добротности поляризатшонно-замкнутого резонаора.

Для установления механизма модуляции добротности проведены измерения спектра генерируемого излучения вблизи порога возбуждения режима модулировштой

1j

добротности и сравнение относительного выхода Р,/Р2 в режимах свободной генерацт и генерашш мононмпульсов, где Р,, Р: - мощности, выходящие через зеркала 1 н рсзонатора(ВРМБ-яченка установлена вблизи зеркала 2). Полученные результата позволяют сделать вывод о том, что физическим механизмом модуляции добротности 1 исследованном лазере является вынужденное рассеяние Моиделыптама-Ернллкона.

Ш. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 .Предложенный и реализованный способ повышения энергии и качеств; излучения твердотельного лазера с полярнзационно-замкнутым резонатором основанный на использовашш внешних ВРМБ-зеркал с оптической обратной связью позволяет получить на порядок более высокий рост мощности выходного нзлучент дифракционного качества по сравнению с обычным ВРМБ-зеркалом, возбуждаемым з; один проход нелинейной среды. Установлено, что эффективность способа не зависит о-используемой конфигурации полярнзашонно-замкнутого резонатора.

2.Впервые продемонстрирована возможность подключения к резонатор; твердотельного лазера ВРМБ-эеркала с петлей обратной связи, и достигнут высокий —65%, эффективный коэффициент отражения такого ВРМБ-зеркала. Показано, чт< возбуждение петлевого ВРМБ-зеркала происходит при существенно более низких, чеь обычно, интенсивностях исходного излучения, что позволяет избежать конкуренции с< стороны других нелинейно-оптических процессов.

3.Проведено сравнительное исследование влияния на характеристики лазерног< излучения петлевого и обычного ВРМБ-зеркала, возбуждаемого за один npoxoj нелинейной среда. Установлено, что "при обеспечении обоими отражающим» устройствами качества выходного пучка, близкого к дифракционному, петлевое ВРМБ зеркало дает более высокий рост выходной мощности по сравнению с обычным, чт£ обусловлено более низким порогом возбуждения вынужденного рассеяния в neraesoi схеме.

4.Выполнены численные оценки эффективного инкремента усиленш вьшужденного рассеяния и времеш! достижения его порогового значения tnoP npi различных потерях в петлевом ВРМБ-зеркале. Отмечено, что величина tnoll определяем возможность подключения петлевого зеркала к лазерной генерашш, Проведенс

сравнение результатов расчета с экспериментальными данными, и дано объяснение наблюдающихся закономерностей.

5.Впервые экспериментально реализован твердотельный лазер с внешним кольцевым ВРМБ-зеркалом. Продемонстрирован значительный рост мощности выходного одномодового излучения по сравнению со случаем подключения обычного ВРМБ-зеркала. Проведен расчет порогового инкремента усиления и коэффициента отражения стоксовой волны, и получено хорошее согласие расчетной п экспериментальной зависимостей от потерь в кольцевой схеме.

6.Экспериментально исследовано влияние степени обратной связи в кольцевой схеме на эффективность подключения кольцевого ВРМБ-зеркала. Выработаны рекомендации по оптимизации параметров кольцевой схемы при ее использовании в резонаторе лазера.

7.Экспериментально продемонстрирована возможность модуляции добротности полярнзационно-замхнутого резонатора с помошыо ВРМБ-ячейки, и определены условия перехода к режиму модулированной добротности. Получен высокий, ~ 80%, коэффициент отражения ВРМБ-зеркала.

S-Проведено исследование механизма модуляции добротности. Установлено, что модуляция добротности резонатора обусловлена дополнительным отражением вследствие обратного вынужденного рассеяния Манделыгпама-Бриллюэна.

IV. ПУБЛИКАЦИИ

1.Boxinnc О.М., Михайлов В.А., Спажакин В.А., Терентьева И.В., Щербаков И.А. Твердотельный лазер с петлевым ВРМБ-зеркалом. Оптика и спектроскопия, т.78, №2, с.338-340,1995.

2.Вохник О.М., Спажакин В.А., Терентьева И.В. Экспериментальное исследование энергетических характеристик твердотельного лазера с ВРМБ-зеркалом.Оптика атмосферы и океана, т.8, №3, с. 1-4, 1995.

3.Вохшгк О.М., Спажакин В.А., Терентьева И.В. Компенсация внутрпрезонаторных искажений в твердотельном лазере с помощью ВРМБ-зеркала. Тезисы докладов 1П Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана", Томск, 1996, с.52.

4.Терентъева И.В. Исследование механизма внутрирезонаторной модуляции добротности в иоляризационно-замкнутом резонаторе. Сборник тезисов

j6

Международной конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам 'Ломоносов-9", секция "Физика". Москва, МГУ, 1996. с. 111-113.

З.ВохникО.М.. Мартынов Д.Г.. Терентьева Н.В. Модуляция добротности поляризационно-замкнутого рсюнатора с помощью ВРМБ-ячсйхи. Оптика и спектроскопия, T.S2, №1, с.156-158, 1997.

6.Васильев А.Б., Вохшш О.М., Снажакин В.А., Терентьева И.В. Лазер на кристалле ИСГГ:Сг3*', N'dr с кольцевым ВРМБ-зеркалом. Тезисы докладов IV Симпозиума "Оптика атмосферы и океана", Томск, 1997, с. 190-191.

V. ЛИТЕРАТУР А

1.В.И.Одинцов, Л.Ф.Рогачева. Эффективное обращение волнового фронта в режиме параметрической обратной связи. Письма в ЖЭТФ, т. 36, № 8, с.2о 1 -284, 1982.

2.V.A.Mikhailov, A.M.Prokhorov, I.A.Shcherbakov. Scandium-Gamel Lasers with Higli Puise and Average Output Power. Laser Physics, v.l. >й6, p.p.590-614, 1991.

S.G.K.N.Wone. MJ.Damzen. Investigations of Optical Feedback Used to Enhance Stimulated Scattering. IEEE Journal of Quantum Electronics, v. 26, №1, p.p.139-148, 1990.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с плановой научно-исследовательской темой "Физические процессы формирования и преобразования пространственно-временной структуры когерентного излучения в лазерных системах и оптических каналах распространенения" (регистрационный номер 01.9.80 000534), а также при финансовой поддержке Министерства науки и технической политики Российской Федерации, осуществлявшейся в рамках Государственной научно-технической программы "Физика квантовых к волновых процессов" по направлению ""Лазерная физика" (проект №1.59)

ООП Физ. ф-та МГУ Зак. 58-100-98