Процессы нелинейного усиления и генерации излучения в многоуровневых, неоднородных и движущихся средах газовых лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Московский государственный университет имени М.ВЛомоиосова

Научно-исследовательский ниститут ядерной физики г, „ им.Д.В.Скобельцына

8 О'

! Н „

На правах рукописи УДК 621.373:535

ОДИНЦОВ Анатолий Иванович

ПРОЦЕССЫ НЕЛИНЕЙНОГО УСИЛЕНИЯ И ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В МНОГОУРОВНЕВЫХ, НЕОДНОРОДНЫХ И ДВИЖУЩИХСЯ СРЕДАХ ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ

(01.04.05 - оптика)

Диссертация на соискание учёной степени доктора физико-математических наук в виде научного доклада

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

Официальные оппоненты:

Член-корресповдент РАН, профессор Н.А.Генералов

Ведущая организация:

Физический институт им. П.НЛебедева РАН

Специализированного совета Д.053.05.80 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьёвы горы, НИИЯФ МГУ, 19 корп., ауд.2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Доктор физико-математических наук профессор А.И.Осипов

Доктор физико-математических наук профессор В.Я.Панченко

часов на заседании

Диссертация разослана

1999 г.

Учёный секретарь

Специализированного совета Д 053.05.80

Д.ф-м.н.

А.Н.Васильев

Московский государственный университет имени М.ВЛомоносова

Научно-исследовательский институт ядерной физики им.Д.В.Скобельцына

На правах рукописи УДК 621.373:535

ОДИНЦОВ Анатолий Иванович

ПРОЦЕССЫ НЕЛИНЕЙНОГО УСИЛЕНИЯ И ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В МНОГОУРОВНЕВЫХ, НЕОДНОРОДНЫХ И ДВИЖУЩИХСЯ СРЕДАХ ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ

(01.04.05 - оптика)

Диссертация на соискание учёной степени доктора физико-математических наук в виде научного доклада

Москва - 1999

Содержание

Общая характеристика диссертации.........................................................4

Актуальность темы.................................................................................4

Цель и основные задачи диссертации...................................................5

Научная значимость и новизна работы.................................................6

Практическая значимость работы..........................................................7

На защиту выносятся.............................................................................. 8

Апробация работы.................................................................................. Э

Объём и структура работы.....................................................................

1. Закономерности нелинейного насыщения

в газовых активных средах..............................................................И

1.1. Насыщение в многоуровневых средах...........................................!2

1.2. Влияние пространственной неоднородности

поля и среды и диффузии частиц....................................................'5

1.3.Особенности насыщения усиления

в движущихся средах........................................................................13

1.4. Экспериментальные исследования нелинейного

насыщения и диагностика активной среды......................................22

2. Физические процессы генерации излучения в длинноволновом

СО^-ГДЛ на связанных модах.........................................................27

2.1. Ноные лазерные переходы и диагностика активной среды............23

2.2. Моделирование физических процессов в ГДЛ

и оптимизация энергетических характеристик................................35

3. Формирование спектральных, угловых и поляризационных

свойств суперлюминесценции газовых лазеров...............................45

3.1. Какалирование суперлюминесценции в радкально-неоднородной усиливающей среде.........,.......................46

3.2. Модовая структура спектра суперлюминесценции.........................43

3.3. Поляризованная суперлюминесценция

в анизотропно-усиливающей среде................................................... 5/

4. Автомодулированная генерация быстропроточных

лазеров и новые возможности управления

временными характеристиками излучения......................................56

4.1. Лазерная система генератор-усилитель............................................... 57

4.2. Динамика генерации в неустойчивом резонаторе

проточного лазера с пространственно-неоднородными

характеристиками зеркал и накачки................................................ 62

Основные результаты и выводы.................................................................66

Цитируемая литература.............................................................................. ?о

Список работ по теме диссертации...........................................................75

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы

Появление источников когерентного излучения - лазеров в корне изменило облик современной оптики и ряда смежных областей физики. Возникли новые разделы и направления физики - нелинейная оптика, оптика когерентного излучения, статистическая оптика и другие. Открылись принципиально новые возможности проведения фундаментальных физических экспериментов по взаимодействию сверхсильных световых полей с веществом, лазерному термоядерному синтезу и других.

Особое место среди различных видов лазеров занимают лазеры на газовых активных средах. Многообразие типов газовых лазеров с широкой гаммой свойств и возможностей позволяет решать с их помощью самые разнообразные задачи как в области фундаментальных физических исследований, так и в различных прикладных областях. Газовые лазеры способны давать оптическое излучение с максимально достижимыми в настоящее время стабильностью частоты и пространственной когерентностью, а с другой стороны - с рекордно высокой мощностью. Они находят разнообразные применения в оптической связи и локации, экологии, медицине, технологии обработки материалов (так называемые "технологические лазеры") и во многих других областях современной науки и техники. Целый ряд типов газовых лазеров серийно выпускается промышленностью.

Несмотря на, казалось бы, несопоставимые характеристики газовых лазеров различных типов, их объединяет ряд общих свойств, обусловленных особенностями газовой активной среды. К таким свойствам относятся существенно многоуровневый характер активной среды, столкновитель-ный механизм процессов возбуждения и обмена энергией, относительно узкие спектральные линии, формирующиеся при участии допплеровского уширения, наличие диффузии частиц , а в ряде случаев и направленного движения среды.

Широкий круг разнообразных физических процессов, протекающих в газовых лазерах и определяющих их генерационные характеристики, выделяет физику газовых лазеров в самостоятельную область исследований. Несмотря на важность прикладных аспектов этих исследований, центральное место в них занимают физические проблемы, в то время как лазеры нередко выступают лишь как удобное средство изучения тех или иных физических явлений.

Представленная диссертация является обобщением работ автора по физике газовых лазеров, начатых в 60-е годы вскоре после появления лазеров. В 1963 г. автором был создан один из первых в нашей стране переносных образцов гелий-неонового лазера, который был отмечен серебря-

ной медалью ВДНХ. Выполненные в 1963-1964 г. работы по исследованию модового состава излучения гелий-неонового лазера были одними из первых, в которых получила экспериментальное подтверждение теория оптических резонаторов [1].

В дальнейшем исследования шли параллельно с развитием лазерной техники и появлением новых типов газовых лазеров (ионных аргонового и гелий-кадмиевого, суперлюминесцентных лазеров на газах и парах металлов, газоразрядных и газодинамических СС^-лазеров). В этих исследованиях решались актуальные проблемы физики газовых лазеров, касающиеся механизмов их работы, особенностей взаимодействия излучения с газовыми активными средами, оптимизации генерационных характеристик и другие. Многие из решаемых задач были тесно связаны с потребностями отечественной промышленности в освоении этого нового класса приборов. Значительная часть работ выполнялась в сотрудничестве с организациями и предприятиями, занимавшимися разработкой различных типов газовых лазеров, такими как НПО "Исток", ОКБ МЗЭВП, ТРИНИТИ и другие.

В диссертации получили решение фундаментальные вопросы физики газовых лазеров, среди которых установление общих закономерностей нелинейного насыщения усиления в газовых активных средах, выяснение особенностей формирования излучения суперлюминесцентных лазеров, вопросы нелинейной динамики лазеров с движущейся средой и другие. Многие результаты диссертации, в том числе связанные с первыми экспериментальными наблюдениями ряда физических явлений в газовых лазерах, носят приоритетный характер.

Цель н основные задачи диссертации

Цель работы состояла в комплексном экспериментальном и теоретическом исследовании характеристик нелинейного усиления и генералки излучения в различных типах газовых лазеров, в анализе влияния на их формирование ряда специфических свойств газовых активных сред, таких как многоуровневый характер лазерной кинетики, пространственная неоднородность, движение среды через резонатор, а также в разработке методов диагностики активных сред и оптимизации параметров лазерной генерации.

Основные задачи диссертации включали: * установление закономерностей нелинейного насыщения усиления в активных средах газовых лазеров, характеризующихся многоуровнево-стью, пространственной неоднородностью, наличием диффузии и направленного движения;

, • экспериментальное исследование характеристик нелинейного насыщения и диагностику параметров активных сред ряда типов газовых лазеров;

• разработку расчётных методов совместной оптимизации параметров активной среды и резонатора для получения максимальной величины съёма энергии;

• исследование многоуровневой колебательной кинетики связанных мод СОг в сильно неравновесных условиях и возможностей получения генерации на новых переходах;

• исследование особенностей формирования поля и когерентных свойств излучения в пространственно-неоднородных и анизотропных средах суперлюминесцентных лазеров с большим усилением;

• исследование динамики генерации лазеров с движущейся активной средой в различных резонаторных системах и развитие новых методов управления режимами генерации, основанных на использовании нелинейных светодинамических явлений.

Научная значимость и новизна работы

Научная значимость и новизна работы определяются тем, что в ней впервые был решен ряд актуальных и важных для физики газовых лазеров вопросов, связанных с формированием генерационных характеристик и свойств излучения в активных средах газовых лазеров. Исследования были выполнены применительно к ряду важных типов газовых лазеров (ионных аргонового и гелий-кадмиевого, суперлюминесцентных лазеров на газах и парах металлов, газоразрядного и газодинамического С02-лазеров).

В работе были впервые получены следующие основные результаты:

1. На основе развитого теоретического подхода выполнен анализ явлений нелинейного насыщения в газовых активных средах и установлены закономерности насыщения в многоуровневых, пространственно-неоднородных и движущихся средах газовых лазеров различных типов. Полученные теоретические соотношения использованы в расчетах энергетических характеристик лазеров и для их оптимизации.

2. Разработаны методы экспериментальной диагностики активных сред газовых лазеров, основанные на явлениях нелинейного насыщения. Выполнен юмплекс экспериментальных исследований нелинейных свойств усиливающей среды ряда типов газовых лазеров, в которых получена важная информация о параметрах сред и механизмах инверсии.

3. Выполнено комплексное исследование длинноволнового газодинамического СОг-лазера на связанных модах, включающее численное моделирование колебательной кинетики, расчеты энергетических характеристик генерации и их оптимизацию, экспериментальную диагностику ак-

тивной среды, анализ физических факторов ограничения энергосъёма. Экспериментально получена генерация на 8 новых колебательных переходах.

4. Обнаружены и детально исследованы специфические пространственные, спектральные и поляризационные свойства суперлюминесценции газоразрядных лазеров. Выявлены условия формирования пространственной когерентности излучения. Экспериментально получена одномо-довая суперлюминесценция с дифракционной расходимостью в лазере на неоне.

5. Предложен принципиально новый подход к проблеме управления режимами генерации лазеров с движущейся средой, основанный на использовании нелинейных светодинамических явлений. Разработан ряд методов управления временными характеристиками генерации лазеров с движущейся активной средой.

Впервые экспериментально наблюдались новые нелинейные эффекты и явления в газовых усиливающих средах:

® когерентные эффекты при распространении коротких световых импульсов в газовой усиливающей среде (1974);

• нелинейное фарадеевское вращение в газах (1970);

• эффект каналирования световых пучков и формирование одномодовой суперлюминесценции в радиально неоднородной усиливающей среде (1971-1973);

• квазирегулярная модовая структура спектров суперлюминесценции (1969);

• поляризация супеолюминесценции в сильноточном газовом разряде (1978);

• новые колебательные лазерные переходы в молекуле С02 (8 переходов) (1983);

• узкие трёхуровневые нелинейные резонансы в усиливающей среде аргонового лазера (1971);

Полученные в диссертации результаты вносят существенный вклад в развитие физических представлений о механизмах работы газовых лазеров, особенностях взаимодействия излучения с газовыми активными средами и закономерностях формирования генерационных характеристик газовых лазеров.

Практическая значимость работы определяется тем, что развитые в ней подходы и результаты исследований могут быть использованы для дальнейших разработок и совершенствования газовых лазеров различных типов. В частности, это относится к развитым в работе методам расчёта и

оптимизации характеристик съёма энергии с активной среды и к методам экспериментальной диагностики активных сред.

Значительный интерес для практических приложений могут представлять также результаты диссертации, касающиеся свойств суперлюминесцентных лазеров, длинноволнового С02-лазера и другие. Наконец, предложенные в работе методы управления режимами генерации проточных лазеров могут послужить основой для создания универсальных технологических лазеров с управляемыми временными характеристиками излучения.

Многие из результатов диссертации нашли практическое применение в организациях, занимающихся разработкой газовых лазеров.

На защиту выносятся:

1. Закономерности нелинейного насыщения усиления в многокомпонентных и многоуровневых газовых активных средах при наличии пространственной неоднородности поля и среды,процессов диффузии и направленного движения, которые устанавливают связь энергетических характеристик генерации с параметрами активной среды и резонатора и позволяют оптимизировать эти характеристики в конкретных лазерных системах.

2. Результаты экспериментальных исследований нелинейного насыщения и диагностика параметров активных сред газовых лазеров (ионных аргонового и гелий-кадмиевого, газоразрядного и газодинамического СОг-лазеров).

3. Физическая модель и данные расчётов многоуровневой колебательной кинетики связанных мод СОг в условиях сильной неравновесности, динамика формирования квазиравновесных распределений, определение запаса колебательной энергии в потоке и удельной мощности генерации в длинноволновом СОг-ГДЛ на связанных модах.

4. Оптимизация условий съёма энергии в длинноволновом СОг-ГДЛ, расчёт оптимального профиля газодинамического канала в зоне резонатора, выбор параметров рабочей смеси. Установление физических ограничений съёма энергии, которыми являются недостаточная столкнови-тельная связь колебательных уровней при низких концентрациях частиц и нагрев газа в резонаторе.

5. Получение генерации на 8 новых лазерных колебательных переходах и результаты исследования их характеристик.

6. Экспериментальное обнаружение и результаты исследования квазирегулярной модовой структуры линий импульсной суперлюминесценции (СЛ) газов.

7. .Явление каналирования пучков СЛ в неоднородной активной среде и формирование одномодовой СЛ.

8. Моды поляризированной СЛ в неоднородной анизотропно-усиливающей среде сильноточного газового разряда (теория и эксперимент).

9. Оптическая неустойчивость и автопульсации излучения в пространственно-неоднородных лазерных системах с движущейся активной средой.

10. Методы управления временными характеристиками проточных лазеров, основанные на использовании нелинейных светодинамических явлений.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на многих научных конференциях, симпозиумах, семинарах, школах, совещаниях, в том

числе:

® на Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Ереван 1967, Ташкент 1974, Ленинград 1978 (2 доклада), Ереван 1982, Москва 1985);

• на Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград 1977 (2 доклада) и 1982);

• на Всесоюзном симпозиуме по физике газовых лазеров (Новосибирск 1969, 2 доклада);

• на ХУЛ Всесоюзном съезде по спектроскопии (Минск, 1971);

» на I Всесоюзном симпозиуме по световому эхо (Казань, 1973);

• на I Всесоюзной конференции "Проблемы управления параметрами лазерного излучения" (Ташкент, 1978):

• на VIII Национальной конференции по спектроскопии (Варна, Болгария, 1978);

• на VIII Международном симпозиуме по взрывам и реагирующим системам (Минск, 1981);

• на VI Европейской конференции по атомной и молекулярной физике ионизированных газов (Е5САРШ-82), Оксфорд, Англия, 1982.

• На Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Марсель 1983, Такарацука (Япония) 1984);

• На Вавиловских конференциях по нелинейной оптике (Новосибирск, 1981 и 1984);

• На Всесоюзных конференциях "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград 1984,1986 (2 доклада) и 1988);

• На 1-1У Всесоюзных школах-конференциях "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах" (Москва, 1982-1988);

, » На Международной конференции "Мощные лазеры и их применения " (Шатура, 1995);

• на ХП Международном симпозиуме по высокоэнергетичным и химическим лазерам (Санкт-Петербург, 1998).

• На VI Международной школе "Хаос-98" (Саратов, 1998)

Личный вклад автора во всех работах, включённых в диссертацию, состоит в постановке задач и определении направлений исследований, в разработке теоретических подходов и экспериментальных методов, проведении расчётов и экспериментальных исследований, в анализе результатов. Под непосредственным руководством автора в исследованиях участвовали его аспиранты, а также сотрудники и студенты кафедры оптики и спектроскопии физического факультета МГУ.

Объём и структура работы

По теме диссертации опубликовано свыше 130 работ. В список публикаций для защиты представляется 100 работ, опубликованных в ведущих отечественных и зарубежных изданиях. Материалы диссертации докладывались на 35 научных конференциях.

Содержание научного доклада делится на 4 главы. В конце приводятся основные результаты и выводы диссертации, список цитируемой литературы и список публикаций по теме диссертации. Общий объём доклада составляет 83 страницы, включает 30 рисунков и 2 таблицы.

1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ НЕЛИНЕЙНОГО НАСЫЩЕНИЯ В ГАЗОВЫХ АКТИВНЫХ СРЕДАХ

Нелинейное насыщение усиления, выражающееся в уменьшении величины инверсной населённости уровней и коэффициентов усиления лазерных переходов под действием генерируемого излучения, является важнейшим свойством активной среды лазера. В более общем смысле к явлениям нелинейного насыщения следует отнести всю совокупность процессов, возникающих в активной среде под влиянием генерации и приводящих к снижению усиления. Характеристики нелинейного насыщения определяют величину мощности генерации, отдаваемой средой в резонаторе с заданными параметрами. С другой стороны, эти характеристики содержат ценную информацию о релаксационных константах, вероятностях переходов и других параметрах активной среды.

На начальном этапе наших исследований характеристики нелинейного насыщения активных сред газовых' лазеров были известны лишь в самых общих чертах. В расчётах мощности генерации лазеров широко использовались так называемые "соотношения Ригрода" [1 ,2 ], хотя оки непосредственно применимы только для случая плоской однородной волны, взаимодействующей с однородной средой. По отношению к реальным газовым лазерам, характеризующимся, как правило, значительной пространственной неоднородностью как поля, так и среды, подобные расчёты могли служить только для получения качественных оценок. Оставался неясным вопрос о характеристиках насыщения в многокомпонентных и многоуровневых системах. В литературе по этому поводу высказывались различные точки зрения [4 ]. Наиболее полно насыщение в многоуровневых системах было рассмотрено в известной монографии под редакцией Б.И.Степанова [3 ] на основе метода кинетических уравнений. Однако полученные там расчётные соотношения, в большей степени отражают специфику твердотельных лазеров с оптической накачкой и, как правило, не могут быть непосредственно применены к газовым лазерам.

Нами решалась задача исследования общих закономерностей нелинейного насыщения газовых активных сред в стационарном режиме генерации с учётом влияния таких факторов, как обмен энергией между уровнями, пространственная неоднородность поля и среды, диффузия и направленное движение частиц, и получения на этом пути аналитических соотношений, которые могли бы быть использованы для расчёта энергетических характеристик реальных лазеров и их оптимизации. Такая постановка задачи с неизбежностью предопределяла выбор достаточно простых физических и расчётных моделей. Основными допущениями принятого подхода были:

- Использование метода кинетических (балансных) уравнений для насе-лённостей уровней, который, несмотря на известные его ограничения, с успехом применяется в расчётах стационарной и квазистационарной генерации.

- Пренебрежение деформацией поперечной структуры мод резонатора в неоднородной усиливающей среде (приближение заданной формы поля). Для большинства типов газоразрядных лазеров низкого давления с малым коэффициентом усиления, работающих на низших модах резонатора, такое приближение является вполне приемлемым, что подтверждается, в частности, и нашими измерениями [7].

- Исходное состояние среды в отсутствие генерации считалось заданным и характеризовалось набором фиксированных параметров, таких как скорости накачки уровней, релаксационные константы, вероятности обмена энергией и т.п., причём пренебрегалось изменением этих параметров под действием генерации.

Наряду с результатами теоретического анализа в настоящей главе приводится также краткий обзор выполненных экспериментальных исследований характеристик нелинейного насыщения в различных типах газовых лазеров. Помимо проверки теоретических соотношений эти исследования имели целью разработку и опробование экспериментальных методов диагностики активных сред, основанных на явлениях нелинейного насыщения.

1.1. Насыщение в многоуровневых средах

Для исследования закономерностей насыщения в многокомпонентных и многоуровневых системах нами решалась задача расчёта населён-ностей уровней при заданных величинах мощности, генерируемой на каждом из лазерных переходов. В отличие от обычно используемого подхода, в котором рассчитываются населённости при заданной плотности поля в резонаторе [1*-4*], данный подход позволяет исследовать лазерную кинетику населённостей уровней независимо от вопросов влияния формы линии и спектрального модового состава генерации [11,16]. Кинетические (балансные) уравнения стационарной генерации для населённостей уровней л, (/=/, 2, ... N - в порядке возрастания энергии) записывались в виде

^ + - ^Ру + ЦРЦ = 0. (1.1)

Здесь У] - полная вероятность распада уровня, включающая как радиационные, так и столкновительные процессы, Б, - скорость накачки, не связанной с обменом энергией внутри выделенной группы уровней, -

вероятность обмена энергией между уровнями )-н, Л> Рц - удельные мощности генерации (по числу квантов) в каналах и /->/. Рассматриваемые уровни энергии могут относиться к различным компонентам газовой рабочей смеси.

В случае атомарных и ионных лазеров в системе (1.1), помимо лазерных уровней, обычно можно ограничиться относительно небольшим числом возбуждённых уровней, достаточно сильно связанных между собой, населённости которых существенно зависят от мощности генерации.

Во многих типах газоразрядных лазеров непрерывного действия (гелий-неоновом, аргоновом, гелий-кадмиевом и других) генерация не оказывает сильного влияния на параметры плазмы разряда, а концентрации возбуждённых частиц невелики. В этих условиях величины <7,;, н Г, можно считать постоянными и уравнения (1.1) становятся линейными. Заметим, что в отдельных случаях подобного рода линеаризованные уравнения удовлетворительно описывают и кинетику молекулярных лазеров, например, СО2-ГДЛ с невысоким уровнем колебательного возбуждения [17*]. В общем случае линеаризованные уравнения типа (1.1) описывают изменения населенностей <5«, при малых вариациях мощности генерации

« .. 5л.

и тем самым определяют крутизну характеристик насыщения — — в

5Р ¡1

генерирующем лазере.

В рамках принятых допущений решения системы (1.1) определяют линейную зависимость населённости уровней и величины инверсии пере-

о.

ходов Ап^ = л,- —-пк ¿^-статистические веса уровней) от мощности Зк

генерации в каждом из каналов

и/(д,Г,5,Р)»и/°(д,Г,5)- ' О-2)

Апа(д,ГЛР) = , (1.3)

где

0-4)

т№ _ „(О Лк) с,

и ~ 11 8 к '

В соотношениях (1.2)-(1.5) п» А- населённости уровней и инверсия перехода в отсутствие генерации, д, Г, 5, Р означают совокупности соответствующих величин для всех уровней, И(д, Г) - детерминант матрицы ¡1^11, дц=-Гь Ар Л и - адъюнкты элементов детерминанта. Крутизна

характеристик насыщения населённости и инверсии пере-

д(Апц) (¡1\

хода-— = -7}. (д,Г) под действием генерации в одном из каналов

дРц 1

не зависит от значений мощности генерации в других каналах (если последние остаются фиксированными). Подобным образом ведут себя и параметры насыщения переходов. В то же время сами населённости и коэффициенты усиления переходов могут сильно изменяться при включении генерации на других каналах.

Полученные соотношения позволяют рассчитать предельную мощность генерации в резонаторе с бесконечной добротностью Р», соответствующую обращению в ноль инверсии на всех переходах.

В случае генерации на одном лазерном переходе (х-чк) имеют место соотношения

Рш=Ап°1кт\, ц^*, (1.6)

К

где величина т} характеризует эффективность съёма мощности с активной среды. Величина Г) может быть названа временем релаксации инверсии.

В случае однородно уширенной линии перехода для насыщенного коэффициента усиления а(у) получается известное соотношение [1 ]

«М-^. (1.7)

1 + 1118

где с?(\)=о(у)Ап0 - ненасыщенный коэффициент усиления, о(у) - сечение оптического перехода, I - интенсивность лазерного поля (по числу квантов), 1з=(а7)~' - параметр насыщения перехода.

Приведенные соотношения показывают, что в случае генерации на одном из переходов процессы обмена энергией между уровнями системы не приводят к качественному изменению вида характеристик насыщения. Специфика многоуровневой и многокомпонентной системы проявляется только в количественных изменениях начального коэффициента усиления и параметра насыщения лазерного перехода, которые зависят от значений релаксационных констант всех рассматриваемых уров:гг1, а начальный коэффициент усиления также и от скоростей накачек 5). При этом для произвольных соотношений релаксационных констант нелинейное насыщение лазерного перехода описывается единым параметром насыщения. Этот вывод подтверждается и анализом насыщения в многоуровневых молекулярных системах на основе диффузионного подхода Г5*1. Отмеченная "универсальность" характеристик насыщения позволяет свести многоуровневую систему, генерирующую на одном переходе ¡—>к, к эквивалентной системе, включающей только два лазерных уровня с эф-

фективными значениями релаксационных констант Г*, , выражающимися через величины д, Г, и скоростей накачки 5, *, зависящих от д, Г, Б [16]. При этом величины Ап°ц и Тц даются соотношениями

й*Гк + (^л* -- . ** . ,-, (1.8)

1 / 1 к -ЯИЯНс

т*=-г . .-• (1.9)

П Гк -циЧгк

Полученные соотношения, устанавливающие общие закономерности насыщения инверсии и усиления в многоуровневых системах, дают возможность рассчитывать характеристики насыщения и мощность генерации лазера по известным параметрам активной среды. Они могут быть использованы для анализа экспериментальных кривых насыщения и определения по ним параметров среды. Результаты расчётов служат теоретическим обоснованием ряда экспериментальных методов диагностики активных сред газовых лазеров, основанных на использовании явлений насыщения (см. §1.4). ■

В заключение данного раздела подчеркнем, что между изложенным выше подходом и подходом, оперирующим вероятностями индуцированных переходов [3*], естественно, нет принципиальной разницы, и между соотношениями, получаемыми в обоих подходах, легко устанавливается связь. Однако, рассматриваемый подход обладает рядом преимуществ, главное из которых заключается в том, что величины генерируемой мощности Р непосредственно определяются в эксперименте безотносительно к спектральным характеристикам излучения и среды.

1.2. Влияние пространственной неоднородности

поля н среды и диффузии частиц Применение рассмотренных выше локальных характеристик насыщения к определению мощности генерации реальных газовых лазеров требует разработки расчётных методов, позволяющих производить учёт влияния пространственной неоднородности поля и параметров среды в объёме резонатора. В численных расчетах резонаторов с нелинейной средой, моделируемой узкими слоями у поверхности зеркал (Фокс и Ли, 1966), было обнаружено сильное влияние поперечной структуры мод резонатора на характеристики насыщения усиления [6*]. Нами было выполнено более полное исследование этой проблемы с учетом как поперечной, так и продольной неоднородности поля в резонаторе и получены аналитические расчетные соотношения, описывающие насыщение однородной

среды гауссовским пучком ТЕМоо моды [8]. Расчеты проводились для случаев однородно и неоднородно уширенной линии перехода при генерации как на одной, так и на многих продольных модах резонатора. Расчёты показал!, что во всех случаях насыщение среды пространственно-неоднородным пучком с ростом мощности генерации происходит медленнее, чем в случае плоской однородной волны. В качестве специфической характеристики насыщения был введён эффективный радиус гаус-совского пучка ре, зависящий от степени насыщения Х=а°/а, где а -средний коэффициент усиления в пучке, определяемый потерями резонатора. Величина ре количественно характеризует расширение эффективной области взаимодействия пучка с активной средой при насыщении (рис. 1.1 и 1.2).

а(г)

Рис.1.1.Изменение насыщенного усиления в поперечном сечении гауссова пучка радиуса р для однородного насыщения (одючастотный режим)[8].

20 X

Рис. 1.2. Зависимость эффективного сечения пучка от степени насыщения (одночастотный режим). 1 - плоская однородная волна. 2 - гауссовский пучок постоянного сечения; однородное (а) и неоднородное (б) угиирение линии [8].

Для случая однородно уширенной линии и одночастотной генерации, когда насыщение коэффициента усиления описывается соотношением (1.7), выражение для полной снимаемой с активной среды мощности генерации Ркн с учётом каустики гауссова пучка имеет вид:

ч

2г?

4*1

(1.10)

( А

гр

\

Здесь Е,=2г/Ь, Р=\У/(про21.), Ь - конфокальный параметр резонатора, рп -радиус пучка в перетяжке, /=2Г2/ - длина активной среды,

оо

IV(г) = ]7(г, г)2лгс!г - полная внутренняя мощность излучения в резона-0

торе суммарная для встречных волн.

Для пучков постоянного сечения (1«Ь<) выражение (1.10) даёт для среднего по сечению пучка насыщенного коэффициента усиления а

гр

Последнее соотношение позволяет по известной величине потерь резонатора найти внутреннюю мощность РГи,с учётом пропускания зеркал, выходную мощность генерации.

Аналогичные расчёты проведены и для генерации на многих продольных модах, а также для случая неоднородно-уширенной линии перехода. В последнем случае суммарная по всем частотным модам внутренняя мощность генерации Ж даётся выражением

¥ = (1.12) сы 1п2

О, \

где ¥(л) и Ф(Х) - функции, определённые в [Г], X -—-

а

центральная частота, -допплеровская ширина линии перехода.

Рис. 1.3 иллюстрирует значительные отличия рассчитанных характеристик насыщения от даваемых соотношениями Ригрода [1 ,2 ] для плоской однородной волны. Хорошее согласие наших данных (кривая 2а) с результатами численных расчетов Фокса и Ли (точки) косвенно подтверждает, что деформация моды резонатора в усиливающей среде (которая учитывалась в расчетах [6 ]) не оказывает заметного влияния на мощность генерации.

При многочастотной генерации в общем случае а-а(г, х, у), причём пространственная неоднородность насыщенного усиления приводит к различию его спектрального распределения в разных точках (рис. 1.4).

Развитые методы расчёта были обобщены на случай наличия пространственной неоднородности как поля, так и среды [32, 34]. Это позволило решить вопрос об оптимальном выборе геометрии пучка, определяемой конфигурацией резонатора, при которой степень заполнения излучением активной среды обеспечивает максимальную величину съёма

энергии. При этом была показана необходимость проведения совместной оптимизации геометрии резонатора и коэффициентов пропускания зеркала и предложена методика определения указанных оптимальных параметров.

Влияние диффузии на характеристики насыщения обычно исследовалось путём феноменологического введения эффективных времён релаксации уровней [7*,8*]. Более строгие расчёты с использованием диффузионных уравнений проводились только численными методами [9 ], либо

ДО

•1

-г

- , 2а

0 /к 1.0 1дК

'г 5 а гох

Ф)

\x--m

ш

А4

—^--

1

13 Ль

Рис. 1.3. Кривые насыщения (одночас-тотный режим). Обозначения те же, что и на рис. 1.2. Кривые За,б -гауссов пучок переменного сечения. Точками показаны результаты расчетов Фокса иЛи[6 ].

Рис. 1.4. Зависимость коэффициента усиления от частоты (однородное насыщение, пучок постоянного сечения) а) на оси резонатора, б) на расстоянии р от оси

были выполнены в предположении, что световой пучок целиком заполняет сечение газоразрядной трубки [10*]. Это не позволило выявить характерные особенности насыщения усиления в присутствии диффузии частиц. Между тем очевидно, что перемешивание возбуждённых частиц при их диффузии в пространственно-неоднородной среде, должно приводить к принципиальным эффектам, так как процесс насыщения населённостей уровней под действием поля уже нельзя считать локальным. По этой причине развитый выше теоретический подход к проблеме насыщения и полученные соотношения не могут быть непосредственно применены к лазерным системам, в которых процессы диффузии играют заметную роль.

С целью выявления общих закономерностей влияния диффузии на характеристики насыщения усиления газовых сред нами исследовались упрощённые модели среды, описываемой одним или двумя диффузионными балансными уравнениями для верхнего и нижнего лазерных уровней, в рамках которых удалось получить аналитические выражения для характеристик нелинейного насыщения [53,60]. Расчёты показа- О 0,5 Г X ли, что диффузия при опре- рис. 1.5. Влияние диффузии на характери-делённых условиях может Стики насыщения усиления[53]. оказывать сильное влияние Однородное насыщение в отсутствие на характеристики насыще- диффузии, 2-R=0,5, р-0,14; 3-R-1.4 ния. Обеспечивая подвод ин- 0 И; р=}. Радиус трубки R и

вертированных частиц в об- , * , ,

' ^ . , радиус пучка р нормированы на диффу-

ласть поля и ускоряя эффек- Т

J ' ^^ заонную длину Lo тивнуга релаксацию нижнего

лазерного уровня, она приводит к возрастанию мощности генерации лазера. Вместе с тем качественный вид характеристик насыщения, как правило, изменяется не очень значительно (рис 1.5). Это позволяет в большинстве случаев приближённо характеризовать среду эффективным параметром насыщения, который, наряду с релаксационными константами, зависит от соотношения длины диффузии Lo и геометрических размеров системы (ширины пучка и радиуса трубки). Полученные аналитические выражения для параметра насыщения позволяют с удовлетворительной точностью производить расчёты мощности генерации с учётом процессов диффузии. Корректность расчетных моделей и полученных соотношений подтверждается сравнением рассчитанных величин параметров насыщения с результатами экспериментальных измерений в газоразрадном СО?-лазере низкого давления [53,86].

1.3. Особенности насыщения усиления в движущихся средах

Специфика насыщения усиления в движущихся активных средах связана как с нелокальностью взаимодействия поля со средой, так и с нестационарным характером этого взаимодействия при пролёте частицы

1 через пространственно-ограниченный, и, в общем случае, неоднородный световой пучок. Наряду с константами релаксации, в движущейся среде появляется ещё один дополнительный параметр — время пролёта частицы через область поля Х{. В многокомпонентных движущихся средах, например, в смеси СОг-Ыг, особое значение приобретают времена обмена энергией между компонентами и их соотношение со временем [11 -17'].

Имеющиеся в литературе численные расчёты конкретных лазерных систем, выполненные при помощи достаточно полных расчетных моделей, не позволяют выявить общих закономерностей насыщения усиления в движущихся средах. Аналитические расчёты двухкомпонентной среды были выполнены только для случая бесконечно-быстрого обмена энергией между компонентами [14*, 15*].

Нами решалась задача разработки и исследования достаточно простых расчётных моделей, допускающих получение легко обозримых аналитических результатов, которые позволяли бы в то же время с приемлемой точностью рассчитывать характеристики усиления в движущихся средах применительно к условиям газодинамического лазера на смеси С02-Ы2 [42,45,50,63].

В основу расчетов была положена трехуровневая модель ГДЯ, которая достаточно удовлетворительно описывает свойства реальных ГДЛ на смеси С02-^т2 с газовыми добавками (Н20, гелий) [14*,17 ].

Путем решения системы кинетических уравнений были получены аналитические выражения для насе-ленностей уровней, и найдены соотношения, описывающие характеристики нелинейного насыщения и мощность генерации [42]. На рис.1.6 показаны рассчитанные зависимости Ргеи от величины потерь резонатора, равной Рис. 1.6. Насыщение усиления еСОгГДЛ [45].

среднему по ширине

пучка значению насыщенного коэффициента усиления а. Цифрами у кривых показаны значения параметра Ь/Нс, определяющего отношение протяженности резонатора вдоль потока А к характерной длине съема колебательной энергии Ис. Пунктиром пг. 1ана зависимость, рассчитанная в

ДО 0,5 ЦП °/а

модели бесконечно-быстрого обмена Нс-Ю [14*, 15*]. Точками показаны результаты экспериментальных измерений для И/Ъс= 1, 2, 4. Видно, что связь Рх„ и а в общем случае не является линейной, как это имеет место в неподвижной среде при наличии пространственной и спектральной однородности [16]. В области слабого насыщения каждая из кривых имеет прямолинейный участок, величину наклона которого можно характеризовать некоторым эффективным параметром насыщения /у. В случае, когда можно пренебречь потерями на релаксацию колебательной энергии, выражение для /■>■ принимает вид:

IV

уН

1 - ехр(- Я)

Я

-1

(1.13)

УЦл

Здесь у - содержание С02 в смеси с азотом, (V - вероятность колеба-

И

тельного обмена между компонентами смеси, Я = V - скорость по-

v

тока, сг- оптическое сечение перехода.

Проведенный анализ, позволивший установить особенности насыщения усиления в двухкомпонентных движущихся средах, и полученные аналитические соотношения были использованы в расчетах энергетических характеристик С02-ГДЛ и для их оптимизации. В качестве примера на рис. 1.7 приведены рассчитанные графики, позволяющие производить совместное определение оптимальных значений

параметров резонатора ССК-ГДЛ - протяженности вдоль потока и коэффициента связи 1ор1 в зависимости от заданной величины диссипативных потерь резонатора а. Приведены также значения максимально достижимой эффективности съема колебательной энергии т]тах. Для сравнения показаны результаты расчетов, основанных на модели с бесконечно-быстрым колебательным обменом (штрих-пунктир) и использующих соотношения Ригрода для неподвижной среды (штриховые линии). Точками показаны результаты экспериментальной оптимизации. Видно, что

в/(а°1)

Рис. 1.7. Результаты оптимизации параметров резонатора [42].

, учет специфики насыщения движущейся среды является весьма существенным. Отметим, что достоинством предложенных методов расчета и оптимизации ГДЛ является то обстоятельство, что активная среда характеризуется минимальным набором безразмерных параметров, задаваемых на входе в резонатор. В более общей постановке должна рассматриваться задача совместной оптимизации параметров активной среды и резонатора, решение которой возможно только численными методами [16*].

Результаты расчетов послужили теоретической базой для разработки ряда методов экспериментальной диагностики газодинамических лазеров [40,43-45,63].

1.4. Экспериментальные исследования нелинейного насыщения и диагностика активной среды

До начала наших работ экспериментальное изучение насыщения усиления было выполнено только для гелий-неонового лазера [18*]. Нами были впервые исследованы характеристики нелинейного насыщения наиболее важных типов ионных лазеров - аргонового и гелий-кадмиевого. Были получены также новые данные по характеристикам насыщения газоразрядного и газодинамического СОг-лазеров. Исследования нелинейного насыщения использовались для диагностики активной среды указанных лазеров.

Ионный аргоновый лазер. В серии работ [2-6,9-13,15,17,18] был установлен характер насыщения лазерных переходов как в многомодовом, так и в одномодовом режимах генерации и определены величины параметров насыщения основных переходов. Полученные данные о населён-ностях лазерных уровней, скоростях накачки и вероятностях распада, о роли процессов ступенчатого возбуждения и дезактивации уровней электронами способствовали пониманию механизма работы данного типа лазера [11]. Результаты этих исследований были использованы в разработках промышленных образцов лазеров (НПО "Исток", ОКБ МЗЭВП). Работы этого направления нашли отражение в обзоре [11], составленном с участием автора, и здесь более подробно не излагаются.

Наряду с изучением нелинейных свойств усиления, в аргоновом лазере исследовался и ряд других нелинейных явлений. В наших экспериментах с аргоновым лазером в магнитном поле удалось впервые наблюдать явление нелинейного фарадеевского вращения в газах [19]. Частотная зависимость нелинейной части угла поворота плоскости поляризации излучения имеет вид А9(НЛ)~Г{(6,П), где

2П П + З П-8

(1.14)

8 = Ау -2Аун IАу 1,А,у 1 - лоренцовская ширина линии

усиления, Дун - величина зеемановского расщепления линии. При О— 1 зависимость (1.14) обнаруживает узкий пик вблизи центра линии перехода Уд. Последний можно наблюдать в излучении перестраиваемого по частоте лазера при выделении на выходе соответствующего направления линейной поляризации (рис. 1.8, кривая 1). Ширина пика значительно меньше ширины лэмбовского провала (кривая 2, полученная в ортогональной поляризации).

Рис. 1.8. Частотные зависимости мощности выходного излучения одномодового аргонового лазера с магнитным полем в ортогональных линейных поляризациях (Л-488,0 нм, Н=300Э). Узкий пик в центре линии (кривая 1) обусловлен нелинейным фарадеевским вращением

Впервые экспериментально наблюдались узкие нелинейные трёхуровневые резонансы на связанных переходах генерации аргонового лазера 488,0 и 514,1 нм с шириной намного меньшей естественной ширины линий [22]. Среди прочих свойств этих резонансов было исследовано их зеемановское расщепление в продольном магнитном поле, особенности которого объяснены теоретически. Эта работа положила начало большой серии экспериментальных и теоретических исследований трёхуровневых резонансов в аргоновом лазере [36,56,62,19*,20 и др].

Гелий-кадмиевый лазер. Одной из задач экспериментальной диагностики активной среды Не-Сс1+ лазера с Х.=441,6 нм было выяснение физических механизмов ограничения и спада мощности генерации при больших токах разряда. Диагностика включала измерение важнейших лазер-

^ ных параметров среды (населённости уровней, скорости накачки и распада, параметр насыщения) в широком диапазоне изменения условий разряда (сила тока, давление, концентрация паров Сё). Основная информация была получена из измерений характеристик насыщения усиления и с помощью методов, основанных на исследовании влияния генерации на интенсивность спонтанной эмиссии. Эти последние мето^1,применявшиеся ранее для Не-Ые-лазера [21*-22*], получили свое дальнейшее развитие и обоснование в наших исследованиях аргонового [9-11] и гелий-кадмиевого лазеров. Для измерения параметров плазмы разряда (пе, Те, концентрация метастабильных атомов гелия) использовались зондовые и интерферометрические методы. Анализ экспериментальных результатов и расчёт по ним определяемых величин производился на основе теоретических соотношений, приведённых в §1.1. Их справедливость в условиях Не-С<1+ лазера, включая линейность изменения и, в зависимости от Рхн, была подтверждена в серии специальных экспериментов. В методике эксперимента и обработки данных учитывалась радиальная неоднородность лазерного пучка и активной среды. Всё это позволило получить значительно более полные и достоверные данные по сравнению с результатами выполнявшейся параллельно работы [23*].

гг, ю6саС' о г

1 _I_I_I_»

60 ¡00 и,ма

Рис. 1.9. Зависимость вероятности распада лазерного уровня 5я2 2Ом иона кадмия от тока разряда. Температура испарителя кадмия Т-220(1), 240(2) и 270'С (3), Р„е=3,5 Тор.

В качестве примера на рис.1.9 показаны экспериментальные зависимости полной вероятности распада Г2 верхнего лазерного уровня 5э2 20}а перехода с Я.=441,6 нм от силы тока разряда. Увеличение Г2 с ростом тока свидетельствует о сильной дезактивации верхнего лазерного уровня элек-

тронами. Расчитанная по экспериментальным данным скорость дезактивации составляет <ау>=5-10'7см3с"'. В Не-СсГ лазере этот процесс особенно существенен вследствие относительно малой вероятности радиационного распада верхнего лазерного уровня (1^'106с"'). Найденные значения Г2 хорошо согласуются с измерениями параметра насыщения перехода Х=441,б нм [27]. Полученные результаты позволили сделать обоснованный вывод о том, что процесс дезактивации верхнего лазерного уровня электронами, наряду с насыщением концентрации метастабильных атомов гелия, является основной причиной ограничения н спада мощности генерации гелий-кадмиевого лазера при больших плотностях тока. Сделан также ряд выводов, касающихся механизма накачки лазерных уровней, влияния реабсорбции резонансного излучения, особенностей катафореза в разряде и других. Проведенные комплексные исследования позволили получить достаточно полную картину процессов, протекающих в гелий-кадмиевом лазере и обусловливающих его генерационные характеристики.

Газоразрядный и газодинамический СО;-лазеры. Принимая во внимание, что в молекулярных газоразрядных лазерах, таких как С02 и СО лазеры, генерация может оказывать заметное влияние на параметры активной среды, нами ставилась задача получения диагностической информации непосредственно в генерирующем лазере. С этой целью была разработана экспериментальная методика, позволявшая в режиме стационарной генерации исследовать распределение насыщенных коэффициентов усиления колебательно-вращательных линий путём просвечивания активной среды излучением перестраиваемого зондирующего лазера [86]. Особенностью экспериментальной схемы было одновременное использование как спектральной, так и поляризационной развязки насыщающего и зондирующего излучений. Была развита методика определения по экспериментальным данным параметров среды, основанная на общей модели триноровского распределения.

Измерения показали, что в условиях типового газоразрядного СОг лазера низкого давления при умеренных уровнях насыщения деформация равновесного вращательного распределения является несущественной. С помощью данной методики были получены комплексные данные о насе-лённостях колебательных уровней, колебательной и газовой температурах активной среды как в отсутствие, так и при наличии генерации. Определены эффективные скорости накачки и распада верхних и нижних колебательных уровней и величины параметров насыщения для переходов 9,4 и 10,4 мкм. На основании полученных результатов сделаны выводы о процессах в активной среде, в частности, о роли диффузии колеба-

тельно-возбуждённых молекул, влиянии частичной диссоциации С02 в разряде и другие.

Экспериментальное исследование характеристик нелинейного насыщения в С02-ГДЛ с Х=10,6 мкм [42,43,45,63] имело целью проверку теоретических соотношений §1.3, а также опробование предложенных методов диагностики потока, основанных на явлениях насыщения. Эксперименты проводились на лабораторном образце СО2-ГДЛ [31] при работе последнего как в обычном, так и в смесительном [43] варианте. Экспериментальные зависимости мощности генерации Рын от величины полных потерь резонатора, полученные при различной протяжённости области взаимодействия потока с полем А, удовлетворительно согласуются с данными расчётов (рис. 1.6), что подтверждает корректность принятой теоретической модели. Найденные величины параметров насыщения при разной длине съёма позволяют с использованием полученных расчётных соотношений извлекать информацию о скоростях колебательного обмена и релаксации в потоке газа Определённые опытным путём величины оптимального пропускания зеркал и оптимальной длины съёма йор, достаточно хорошо согласуются с расчётными значениями (рисЛ .7).

В исследованиях СО2-ГДД весьма информативными оказались измерения "остаточного" коэффициента усиления на выходе потока нз резонатора о,«. Измерения а,** производились с помощью зондирующего лазера на некотором удалении (~1 см) от резонатора, достаточном для установления колебательного равновесия между компонентами смеси. Значения характеризуют величину выносимой из резонатора колебательной энергии, а зависимость о^ от мощности генерации Р„н следует рассматривать как одну из характеристик нелинейного насыщения. В условиях эксперимента при достаточно слабой релаксации рабочей смеси зависимости Ов^Рген) были близки к линейным и их экстраполяция к нулевым значениям а^непосредственно давала величину предельной мощности генерация. В общем случае анализ зависимостей а^Р*,,), полученных при изменении добротности резонатора и длины съёма, позволяет найти величину релаксационных потерь Р^ и определить оптимальную длину съёма.

Анализ результатов экспериментов и сопоставление их с известными из литературы данными подтверждает эффективность предложенных методов диагностики активной среды в исследованиях СОг-ГДЛ.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ

В ДЛИННОВОЛНОВОМ СОгГДЛ НА СВЯЗАННЫХ МОДАХ

Проблема получения мощного когерентного излучения в средней и дальней ИК-области (А>10 мкм) является актуальной для многих приложений, таких как фотохимия молекул, лазерное разделение изотопов, зондирование атмосферы и других. Одним из источников такого излучения является лазер на связанных модах молекулы СОг, работающий на смесях С02 с инертными газами и реализованный в настоящее время в вариантах газодинамического лазера с тепловой [24*] и с электроразрядной [25*] накачкой.

Потенциально зысокие энергетические характеристики этого лазера обусловлены большой энергоёмкостью связанных колебательных мод СОг, что в случае теплового ГДЛ позволяет работать при относительно низких температурах нагрева газа (~1000 К). Вместе с тем экспериментальная реализация данного лазера встречает значительные трудности, поскольку для получения инверсии требуется охлаждение газа до криогенных температур (50-100 К), которое может быть достигнуто в сверхзвуковом сопле с большой степенью расширения. Указанные трудности сдерживают разработку и исследование данного типа лазера.

Активная среда СОгГДЛ на связанных модах (СМ) сама по себе представляет весьма интересный объект исследований как многоуровневая молекулярная система с чрезвычайно высокой колебательной неравновесностью, находящаяся к тому же в сильно пересыщенном состоянии (температура газа в потоке намного ниже равновесной температуры конденсации С02). По сравнению с традиционным С02-лазером (/=10,6 мкм) данный лазер характеризуется гораздо более сложным механизмом образования инверсии, в который воатечено большое число колебательных уровней (~Ю2) и большое число различных элементарных процессов. Это обстоятельство не позволяет использовать для расчётов С02-ГДЛ на СМ физические модели, описывающие работу обычного СО2-ГДЛ.

В первых работах, в которых был сформулирован принцип получения инверсии на уровнях СМ СО2 [26*, 27*] и предложены схемы реализации лазера [28*, 29*], анализ активной среды исходил из предположения о наличии квазиравновесной триноровскок колебательной функции распределения (КФР) [30*]. На этом пути прогнозировалось получение генерации на целом ряде переходов и были сделаны весьма оптимистические оценки ожидаемых величин энергосъёма [31*, 32*]. Однако вскоре было показано, что формирование КФР в системе СМ в условиях сильной неравнозесно-сти во многом определяется наличием тока колебательных квантов на верхние уровни. Согласно "токовой модели" У-У ток создаёт основной канал релаксации колебательной энергии и может приводить к заметной де-

1 формации триноровского распределения даже на нижних колебательных уровнях [33*, 34*]. Рассчитанные при этом значения колебательной стат-суммы, а, следовательно, и запас колебательной энергии в СМ оказываются существенно меньшими, чем в модели "обрезанного" триноровского распределения [31*, 32*]. Экспериментальные исследования КФР в условиях сильной неравновесности для С02 и других ангармоннчных многоатомных молекул в литературе отсутствовали.

До начала наших работ генерацию удалось наблюдать лишь на одном из переходов (03'0-10°0) с длиной волны 18,4 мкм (ФИАН, 1978 г.). В этих экспериментах инверсия образовывалась при вытекании нагретой в ударной трубе смеси С02-Аг через щель в вакуум [24*]. Получение генерации на других переходах, особенно на мультиплетах СМ с у>4, имело принципиальное значение, так как оно давало прямое подтверждение наличия в системе СМ "пилообразного" распределения населённостей триноровского типа.

В своей работе мы ставили цель получения более полной теоретической и экспериментальной информации о свойствах С02-ГДЛ на СМ, которая позволила бы обоснованно оценить возможности дальнейшего расширения спектра генерации, достижимые энергетические характеристики и перспективы развития этого нового типа лазера.

В работе решались следующие конкретные задачи:

1. Получение генерации на ряде новых переходов в С02-ГДЛ на СМ, изучение условий их возбуждения в смесях различного состава, детальное

. исследование спектральных и энергетических характеристик генерации.

2. Разработка методов диагностики и комплексное исследование активной среды лазера с целью получения экспериментальной информации об основных её параметрах и, в первую очередь, о колебательной функции распределения.

3. Разработка достаточно полных теоретических моделей и расчёт генерационных характеристик С02-ГДЛ на СМ.

4. Оптимизация условий съёма энергии в резонаторе, включая профиль газодинамического канала, и оценка предельных энергетических характеристик лазера.

2.1. Новые лазерные переходы в диагностика активной среды

Эксперименты проводились на лабораторном образце С02-ГДЛ с электродуговым нагревом рабочей смеси, использовавшемся в исследованиях генерации с А.=10,6 мкм [31]. Установка имела достаточно большую длину усиления (40 см) и позволяла в широких пределах изменять высоту

ЕЛ

7X0 ВОН) 5000 (¡000 Ш

2000

1000

7

ЪЩ!)

6

ЗЙК710Г) »'а пятят—<е,*1ЪЪ(ет)

(пчта

зт°о (аям) глгима

ОТ(ВЦ5)

__20^ ПМ)

штугГ^Ытгш)

-МПКШ)

ООаД(ЬЯ5.5)

Ц'1 («ЦЯ

.тааш -—

Л» 17,9 икя

оо°! шго.т?

окай'

1 (

01*3 (960,^)

со'о

Рис.2.1. Нижние колебательные уровни а лазерные переходы молекулы СО2- В скобках даны энергии уровней и центров мультиплетов в Кельвинах.

критического сечения сопла (0,1-0,3 мм) и параметры торможения потока р0 и Т0. Изменения, внесённые в конструкцию установки, сводились, главным образом, к увеличению степени расширения потока (А=50-150) с целью более глубокого охлаждения газа [46,51,54].

Помимо известного перехода с Х=18,4 мкм, в наших экспериментах было обнаружено ещё 8 новых лазерных колебательных переходов в диапазоне длин волн 16,4-21,2 мкм, изображённых на схеме рис.2.1 [47-49, 59, 61, 64,65].

Характеристики переходов представлены в таблице 2.1. Значения длин волн относятся к (^-ветвям переходов. Величины оптимального содержания С02 в смеси 7ор1 приведены для смесей СОг-Не. Величины

Т)

дают критическое отношение колебательной Т2 и газовой Гтемпе-

'кр

ратур, выше которого в трнноровской модели существует полная колебательная инверсия. На рис.2.2 даны зависимости мощности генерации на каждом из переходов от содержания С02 в смеси с неоном.

Таблица 2.1.

Переходы генерации С02-ГДЛ на связанных модах

Переход л, мкм Ветвь (Т/Г)«, Уотп-

02°0-01'0 16,2 Р 13,5 0,1

СЗ'0-0220 16,7 Р 9,6 0,15

03'0-10и0 18,4 р, 5,4 0,5

04'0-0330 17,2 р 7,8 0,33

0420-11'О 19,7 <} 4,2 0,7

04и0-11!0 21,2 0 3,4 0,65

05*0-04*0 17,6 р 6,9 0,33

05'0-12и0 19,6 3,3 0,75

06"0-0550 17,9 р 6,2 0,3

Генерация в неселективном резонаторе происходит на колебательно-вращательных линиях Р и <3 ветвей в области длин волн от 16,4 до 21,2 мкм. На рис.2.3 показан спектр генерации в диапазоне 16,4-18,4 мкм [79].

Для переходов 05'0-12°0 (л.=19,6 мкм), 0420-11 'О (Х.=19,7 мкм) и 04°0-110 (Х=21,2 мкм) генерация наблюдается только на С| ветвях, для которых вероятности оптических переходов заметно выше. Перечисленные переходы характеризуются относительно небольшой величиной (Т2/Т)хр и в условиях нашего эксперимента для них имеет место полная инверсия колебательных состояний. Инверсия уровней относительно слабо реагирует на повышение температуры газа в потоке и оптимум генерации наблюдается

в смесях с большим содержанием СО;, несмотря на то, что из-за низкого показателя адиабаты глубина охлаждения для них меньше. На данных переходах генерация может быть получена и в чистом С02.

Рис. 2.2. Зависимость мощности генерации в неселективном резонаторе от относительного содержания СО2 в смеси с неоном.

02*0-0i'o оз1'мгЪ мЬ&з'а os'o-сиЬ oeb-osb оз'о-юЬ

(14,2} (16,74) (17,2} (17,6) (17.9) (18.4)

Рис. 2.3. Спектр генерации в неселективном резонаторе в диапазоне 16,4-18,4мкм. Масштаб по длинам волн 0,2мкм/дгл. Смесь С02:Ке=1:5.

Переход 03'0-10°0 (>.=18,4 мкм) обладает несколько более высоким отношением ф/Т)^,, тем не менее во всех смесях для него достигается

полная инверсия колебательных уровней. Однако, кроме 0 ветви для данного перехода наблюдается также генерация на Р ветви. Конкуренция линий Р и О ветвей ослабляется в силу того обстоятельства, что линии этих ветвей идут с разных верхних уровней [79]. Интересно отметить, что генерация с 1=18,4 мкм наблюдалась также в смеси С02 с азотом и гелием, где она происходила одновременно с генерацией на переходе 10,6 мкм. При этом последняя приводила к дополнительному "разогреву" связанных мод [57].

На остальных пяти колебательных переходах, характеризующихся более высокими значениями отношения (ГУ7)кр генерация происходит только на линкях Р ветвей, что свидетельствует о наличии лишь частичной инверсии на колебательно-вращательных переходах.

Применение селективного резонатора с перестройкой частоты по отдельным колебательно-вращательным линиям даёт значительное увеличение числа генерируемых линий. При этом на переходе 13,4 мкм дополнительно появляются линии Н-ветви, сравнимые по интенсивности с линиями Р-ветви. Сопоставление спектров, полученных в селективном и неселективном резонаторах [66,79], позволило сделать ряд выводов об эффективности процессов У-У обмена и вращательной релаксации в зоне резонатора в наших экспериментальных условиях. Наблюдаемое значительное увеличение мощности генерации переходов в селективном резонаторе говорит о том, что У-У обмен играет важную роль в передаче колебательной энергии на лазерные переходы. Б то же время эффективность У-У обмена недостаточна для того, чтобы на одном из переходов снимать мощность, приближающуюся к суммарной мощности всех одновременно генерирующих переходов в неселективном резонаторе. Этот вывод согласуется с результатами расчётов раздела 2.2.

Полученные лазерные переходы на связанных модах С02 располагаются в достаточно широкой области спектра 16,4 - 21,2 мкм. При условии оптимизации параметров лазера можно прогнозировать дальнейшее увеличение числа генерируемых колебательно-вращательных линий. Так, повышение усиления на переходах 19,6,19,7 и 21,2 мкм, позволит получить в селективном резонаторе генерацию на Р и Я ветвях этих переходов. При этом окажется возможным достаточно плотно перекрыть линиями генерации интервал спектра от 16,4 до 21,7мкм (рис.2.4). Отметим, что создание перестраиваемого по частоте лазера в указанном диапазоне спектра может представить большой интерес для разных приложений.

Рис. 2.4. Панорамный спектр генерации перестраиваемого по частоте СО2-ГДЛ на связанных модах. Пунктирными линиями показана прогнозируемая генерация наР и Я ветвях переходов с полной колебательной инверсией.

Диагностика активной среды СОгГДЛ на СМ позволила получить первые систематические экспериментальные данные о её параметрах, включая информацию о колебательной функции распределения [79,82,87].

Определение коэффициентов усиления (КУ) переходов производилось с помощью модифицированного метода калиброванных потерь в селективном резонаторе, что позволило исключить влияние конкуренции переходов. Измеренные распределения КУ а(3) обрабатывались по методике, которая давала возможность находить величину постоянных потерь резонатора, значение газовой температуры Т и относительные населённости верхнего и нижнего колебательных уровней переходов

Для типичных параметров ГДЛ (А=75, смесь СОг'.Аг^Ы, рэ=1,6 106Па, Т0=1200К) максимальные значения КУ в Р, 0 и II ветвях перехода 18,4 мкм составляют 0,29. 0,61 и 0,28 м"!, а в Р-ветвях переходов 17,2 и 17,6 мкм 0,25 и 0,20 м"1, соответственно. Измеренное значение температуры газа равно 7Ь(85±5)К. Относительные населённости колебательных уровней представлены в таблице 2.2. Там же приведены триноровские населённости, рассчитанные для Г=85 К и Т2=660 К. Абсолютная величина населённости уровня !0°0 составляет «(10°0)=(4,7±0,3)1014 см'3.

Таблица 2.2.

Колебательные населенности лазерных уровней С02

Уровень 10°0 оз'о 0330 0420 0440 0530

ГЦэксп) 1,0 1,9+0,1 0,6+0,1 0,6±0Д 0,15±0,04 0,17±0,05

^(трин1) 1.0 1,86 0,57 0,57 0,13 0,16

Экспериментальное распределение населенности на нижних мульти-плетах СМ достаточно удовлетворительно соответствует триноровскому. Этот вывод согласуется с фактом наличия генерации с уровней следующего мультиплета с у=6 (см.таблицу 2.1). Несколько заниженное значение парциальной колебательной температуры для перехода (0530-0440), возможно, свидетельствует о начинающихся с у=5 отклонениях от триноров-ского распределения, однако они не выходят за пределы ошибок определения населенностей. Очевидно, что большой интерес представляет исследование населенностей в более высоких мультиплетах связанных мод, где ожидается "завал" колебательной функции распределения.

Из других методов, разработанных для диагностики длинноволнового СОг-ГДЛ и применявшихся в экспериментальных исследованиях, упомянем методы, основанные на измерении энергии импульсов генерации различных переходов в режиме модуляции добротности [82, 90]. Вследствие малой длительности импульса генерации режим модуляции добротности позволяет исключить взаимодействие колебательных переходов. Отпадает также необходимость учитывать процессы УТ релахсации и движение среды. Благодаря этому в режиме модуляции добротности во многом упрощается интерпретация наблюдаемых спектров и становится возможным непосредственное получение из них информации о населённостях колебательных уровней. Результаты диагностики активной среды, полученные в этих экспериментах, удовлетворительно согласуются с приведенными выше.

Оценка запаса колебательной энергии СМ в потоке, сделанная на основании данных о колебательных населённостях уровней и температурах Т и Т2 даёт £хш«130 Дж на 1 г С02. Эффективность замораживания колебательной энергии в сопле близка к т]~0,5.

Экспериментальная величина параметра насыщения перехода 18,4 мкм составляет 500 Вт/см2. Эти цифры показывают, что по своим удельным энергетическим характеристикам (на единицу расхода газа) длинноволновый С02-ГДЛ на связанных модах близок к традиционному СОг-ГДЛ с Д=10,6 мкм. Однако, по достижимой выходной мощности генерации он заметно уступает последнему, что связано с меньшей величиной расхода и более низкой плотностью газа в резонаторе при большой степени раскрытия сопла.

2.2. Моделирование физических процессов в ГДЛ и оптимизация энергетических характеристик

2.2Л Расчеты формирования инверсии в сопле и сравнение с экспериментом

Получение генерации на целом ряде колебательных переходов в С02-ГДЛ на СМ стимулировало дальнейшие теоретические исследования этого типа лазера. В работе [36*] была предложена достаточно общая теоретическая модель, использующая систему кинетических уравнений для нижних уровней СМ, и выполнен ряд расчётов характеристик длинноволновой генерации. В основу наших расчётов [67], имевших целью объяснение результатов эксперимента, также была положена модель поуровневой кинетики, поскольку она не связана с предположениями о наличии квазиравновесия и способна описать кинетику быстрого расширения газа в коротких соплах, которые применялись в эксперименте.

Система кинетических уравнений охватывала уровни молекулы С02 с энергией ниже 5000 см'1 (до мультиплета с у=7 включительно). Расчёты, выполненные в рамках одномерной газодинамики для параметров сопел, использованных в эксперименте, обнаружили существование заметного отрыва температуры распределения населённостей внутри мультиплетов Тм от температуры газа Т на выходе сопла, что свидетельствует о недостаточно сильной столкновительной связи между уровнями. По сравнению с экспериментом расчёты дают сильно завышенные значения КУ на переходах с большими значениями параметра ПУГ)^. Это расхождение указывает на существенное различие параметров реального течения от расчётных. В частности, как видно из результатов экспериментальной диагностики (раздел 2.1), температура газа в резонаторе значительно превышает расчётные значения (30-50 К), что в первую очередь сказывается на коэффициентах усиления переходов с большим отношением (Т2/Т),ф. Моделирование потока со скачками уплотнений позволило получить разумное согласие с экспериментальными данными [67]. Эти результаты показывают, что для данного типа ГДЛ обеспечение безударного течения газа приобретает особое значение. Для сопел с большими углами раскрытия и высокими числами Маха (М~10) это представляет собой непростую задачу [36*]. С другой стороны, обнаруженное сильное влияние структуры потока на характеристики длинноволновой генерации ставит под сомнение применимость в расчётах приближения одномерной газодинамики.

Как показали расчёты, выбор степени расширения газа в сопле является достаточно критичным, поскольку приводящее к росту инверсии охлаждение газа сопровождается уменьшением плотности молекул в резонаторе. Эти конкурирующие факторы определяет оптимальную величину

1 раскрытия сопла (для большинства переходов А=60-80) и оптимальный состав смеси (через показатель адиабаты). В этих условиях для обеспечения достаточно сильной столкновитеяьной связи между уровнями требуются относительно высокие давления торможения (20-30 атм).

2.2.2. Колебательная и вращательная кинетика уровней СМ в резонаторе

При достаточно большой протяжённости резонатора вдоль потока, необходимой для эффективного съёма колебательной энергии, можно говорить о наличии в каждой точке резонатора квазиравновесного распределения (КР) населённостей по колебательным и вращательным состояниям. Исключение составляет только узкая область на входе в резонатор, в которой происходит быстрое нарастание интенсивности поля.

В исследованиях кинетики уровней СМ и вида КР применялась более полная теоретическая модель, охватывающая 91 уровень СМ (до мульти-плета с у=10 включительно). Расчёты квазиравновесного колебательного распределения основывались на численном решении системы кинетических уравнений для населённостей урозней СМ [30*. 37*]

—=11 (РкЧ К&Ч^ -¿I?»/«/), (2.1)

йт к кЛ,т

где щ - доля молекул, находящихся на »-м колебательном уровне ( Xя/ ~ *)> ? и 0-" вероятности процессов У-Т релаксации и У-У обмена, /

- безразмерное время, выражаемое числом газокинетических столкновений, 2 - частота столкновений.

Значения вероятностей элементарных процессов и аппроксимация их температурных зависимостей выбирались на основе анализа литературных данных с применением з ряде случаев расчётного моделирования [72,38*].

Система уравнений (2.1) интегрировалась при постоянном значении газовой температуры Г от начального (г=0) равновесного состояния с температурой То>Т. Физически это соответствует быстрому, за время х«Туу, охлаждению газа в момент т=0. Такая модель позволяла не учитывать температурные зависимости вероятностей в процессе счёта. Влияние процессов У-Т релаксации в области у>10 учитывалось путём введения "граничного условия", согласно которому в группе уровней 9-го и 10-го мульти-плетов предполагалось наличие больцмановского равновесия при температуре газа Т.

деления населенностей уровней связанных мод. Цифрами у кривых указаны значения г.

Расчёты показывают, что характерный пилообразный вид распределения появляется уже через несколько газокинетических соударений, а за время т~50 формирование КР практически завершается (рис.2.5, цифрами у кривых указаны значения т). Детальный вид КР при 1=75 для начальной температуры нагрева 7о=1500К и температуры газа после мгновенного охлаждения Г=75К в отсутствие лазерной генерации показан на рис.2.6. Общий вид распределения качественно согласуется с результатами экспериментальной диагностики населенностей, приведенными в разделе 2.1. В то же время распределение обнаруживает ряд характерных особенностей, отличающих его от триноровского: 1) Средние населённости мультиплетоз для у>3 заметно отклоняются от трнноровских, рассчитанных для колебательной температуры Т2=99ОК, определяемой по нижней паре уровней 00°0 и 01'0. Колебательная статистическая сумма для 8 мультиплетов Сс<=3,9 существенно меньше триноровской (6,14). 2) Распределение населенностей центров мультиплетов является больцмановским только в своей средней части. При у=1 оно обнаруживается "излом". В верхних мульти-плетах (у>7) населённости убывают быстрее больцмановских. 3) Внутри мультиплетов с у>4 населённости верхних уровней существенно превышают больцмановские.

Рис. 2.6. Детальный вид КР населенностей уровней связанных мод. Кривые 1-4 показывают: триноровское с Т2=990К и Т=75К (1) и полученное в расчете (2) распределения средних населенностей муль-типлетов, больцмановские распределения с Т2=990К (3) и 870К(4).

Отмеченные особенности КР свидетельствуют о том, что в его формировании существенную роль играют процессы У-Т релаксации и вызываемый ими поток квантов на верхние уровни [33*, 34*]. Наблюдающийся в рассчитанных распределениях относительно медленный спад населенностей нижних уровней мультиплетов с у>6 указывает на возможность получения генерации на более высоких мультиплетах с \=7 и 8.

Анализ полученных КР для разных значений Т2 и Т как в чистом С02, так и в смесях С02-Аг различного состава, показывает, что подобно три-норовскому распределению, эти распределения с хорошим приближением являются двухпараметрическими. Они могут быть достаточно полно охарактеризованы значениями температур Т2 и Г или, например, заданием средней колебательной энергии связанных мод г^ (или среднего числа колебательных квантов Мсв) на одну молекулу СОг и температуры газа Г. Помимо величин есе(Т2,Т) и МСЗ(Т2,Т) в расчётах определялись значения колебательной статсуммы Ссв(Т2,1), а также скорость релаксации числа колебательных квантов Рре,(Т2, Т) =г#Ус/Уг. Последняя определяется, главным образом, скоростью процессов \Г-У обмена и сильно зависит от степени колебательной неравновесности. Это качественно согласуется с токовой моделью [34*]. Зависимости перечисленных величин от параметров Т2, Т представлены в графическом виде и с помощью аналитических аппроксимаций.

Расчёт генерационных характеристик активной среды производился в предположении, что генерация происходит на одном из колебательных

переходов (как правило, на переходе 18,4 мкм) в режиме его полного насыщения лазерным излучением. Для этого в расчётную модель вводилось дополнительное условие - равенство населённостей (на единицу статвеса) уровней данного колебательного перехода. Как показали расчёты, вызываемое генерацией искажение распределения на уровнях, отличных от уровней лазерного перехода, не слишком значительно [72]. Новое "насыщенное" КР в типичных условиях формируется за время г~10 газокинетических столкновений. Оно также характеризуется заданием двух параметров Т2 и Т. Мощность генерации, снимаемая на лазерном переходе, лимитируется скоростью У-У процессов, осуществляющих подвод колебательных квантов к рабочим уровням, и лишь в очень слабой степени зависит от процессов У-Т релаксации.

Расчёты взаимодействия лазерного излучения с уровнями СМ привели к обнаружению эффекта кинетического охлаждения газа, который имеет место в условиях поглощения излучения с Л=18,4мкм [70]. Ранее такого рода эффекты наблюдались в СОг при поглощении излучения с 2=10,6 мкм [39*].

В отличие от традиционных СОглазеров с Д=10,6 мкм, в которых генерация, как правило, происходит на одном из колебательно-вращательных (КВ) переходов Р-ветви, спектр длинноволновой генерации СОг-ГДЛ в обычном (неселективном) резонаторе характеризуется наличием в Р-ветвях переходов целого ряда (-10) КВ линий (рис.2.3). Это свидетельствует о недостаточной эффективности вращательного обмена в условиях низких плотности и температуры газа в зоне резонатора. Для расчётов вращательной структуры спектров генерации была применена упрощенная кинетическая модель, в которой кроме оптических переходов учитывались Я-Т процессы и У-У подкачка КВ уровней лазерного перехода. Для вероятностей вращательного обмена Р^ использовались аппроксимирующие аналитические выражения, полученные при численном моделировании эксперимента [40*]. Значения интенсивностей генерации ОД) на КВ линиях варьировались, исходя го условия минимизации функционала

Р^[<^)>-сспор}, (2.2)

J

где <а(!/?> - среднее по апертуре резонатора значение КУ, апор - пороговая величина КУ, определяемая потерями резонатора.

Рассчитанные распределения 1(1) переходов удоштетворительно объясняют наблюдаемые качественные закономерности экспериментальных спектров - сужение спектра по отношению к спектру генерации в селективном резонаторе и сдвиг максимума распределения в сторону больших значений 3. Вид спектра содержит информацию о параметрах среды и может быть использован для диагностики. [74,78]

2.2.3. Физическая модель генерации и оптимизация условий съёма энергии

Трудности эффективного съёма энергии в резонаторе являются "узким местом" С02-ГДЛ на СМ. В связи с этим нами решалась задача совместной оптимизации параметров активной среды и резонатора и одновременно установления физических ограничений предельно-достижимой величины энергосъёма. Была разработана упрощенная физическая модель процессов в резонаторе, в которой предполагается существование КР, параметры которого Т2(х), Т(х) являются функциями координаты вдоль потока. Принималось, что генерация происходит на одном из колебательных переходов, а плотность поля в резонаторе достаточна для полного насыщения инверсии перехода. Численные расчёты были выполнены для Q-ветви перехода Д=18,4 мкм в смесях С02-Аг. Характеристики активной среды Сю N№ Р ры и Р „н выражались через параметры 1г, Т с использованием аналитических аппроксимаций полученных в численных расчётах зависимостей.

Система уравнений, описывающая изменение параметров КР и газодинамических параметров р, v в резонаторе, имела вид [83] dp _ pv dv ~dx ~Kr~dx

(2.3)

rfv dx сIT dx dT2 _

dx = dx

1 dS

--+-

Sdx сшТ

v

I

RT + v + сдшТ\

1

»

сдин

dNce 8Nra dT

dx

if« 3 v

+-

ar dx

fdN,,

3T2

(2.4)

(2.5)

(2.6)

(2.7)

где

сдш =Rp + Ry(C02)

Wdm =~r(C02)R

d£r

8sce dNce

dNce dsra IdN,

IdNr

дТ дТ2 дТ / дГ2

св ( еЪ с23 ,

(2.8)

рген&л2

<Их дГ2 / дТ2 3 v v а изменение запаса колебательных квантов и излучаемой энергии даётся

(2.9)

соотношениями

dNce dx

(2.10)

^- = -Г{С02)Ще119л. (2.11)

ах v

Здесь R - газовая постоянная на единицу массы смеси; р=у(СО:)+512; N3 -запас квантов в антисимметричной моде; &3 - их энергия в Кельвинах; <?, -энергия лазерного кванта; G23 - скорость обмена квантами с антисимметричной модой; S(x) - сечение сошга. Величина с^ играет роль "динамической" теплоёмкости среды, учитывающей влияние температуры газа Г на энергию связанных мод е^ при фиксированном iV„, a W^ характеризует скорость передачи колебательной энергии в поступательные и вращательные степени свободы, рассчитанную при постоянной температуре газа. Функция £^л(х) показывает энергию излучения, снимаемую с единицы массы смеси на участке (0, х) в резонаторе (*=0 соответствует входу в резонатор). Система уравнений (2.3)-(2.11) обладает свойством подобия по отношению к изменению давления на входе в резонатор и соответствующего растяжения (сжатия) масштаба по оси х для всех функций, включая Six). '

Расчёты, выполненные для газодинамического канала постоянного сечения, позволили количественно проанализировать роль различных физических факторов, приводящих к ограничению энергосъёма. Среди них особую роль играет нагрев газа в потоке, происходящий за счёт процессов V-T релаксации, перезонансного V-V обмена и торможения потока. Нагрев газа приводит к возрастанию дели выносимой из резонатора колебательной энергии, которая, ках правило, значительно превышает энергию, теряемую за счёт V-T релаксации внутри резонатора.

На рис.2.7 показано изменение параметров активной среды Т2, Т, и удельного энергосъёма е^ в канале постоянного сечения, рассчитанные для смеси CCh.:Ar=l :2 при типичных начальных условиях на входе в резонатор Г/=Гз°=750К, 7V=60K, pfp\ мм рт.ст. [83]. Максимум излучаемой энергии г^=ЗбДж/г достигается при оптимальной дайне съёма дгорг=37см. Исчезновение инверсии при д-=лг0Р; обусловлено как потерями колебательной энергии в результате излучения и релаксации, так и нагревом газа в зоне резонатора. Повышение температуры газа при x~xopt АТ~Твъа-Т^ЬШ, {Теоа- температура на выходе резонаторе). Заметный вклад в AT, составляющий приблизительно /7*^Г«0,35ДТ, вносит торможение потока. Эффективность съёма энергии, запасённой в связанных модах (КПД резонатора), при х=хор, составляет 77^,=0,38. Оценка предельного значения полного энергетического КПД лазера rj^e^/xj/ho, где /г0 начальная удельная энтальпия в камере нагрева даёт rjm=3,4%.

Характер зависимости ^(х) таков, что при уменьшении длины съёма до 0,5хор1 снижение энергосъёма не превышает 20%. Увеличение давления на входе в резонатор приводит к сокращению длины съёма {хор,~1/ро).

Рис.2.7. а) Изменение колебательной Т2 (1) и газовой Т(2) температур в зоне резонатора б) Изменение колебательной энергии связанных мод е^ (I) и полной энергии излучения е^и (2) по длине потока в зоне резонатора.

Расчёты удельного энергосъёма, достигаемого при х=хор, в зависимости от параметров Т2° и Т0 на входе в резонатор показали, что наилучшие условия съёма наблюдаются при не слишком высоких 7У(650-750К) и низкой газовой температуре То «40К (рис.2.8). Это связано с ускорением У-Т релаксацки при большой степени неравновесности и, с другой стороны, с увеличением выноса колебательной энергии при повышении Тд. При х=хор, выносимая энергия на одну молекулу С02 практически однозначно определяется температурой Г,«*, которая по условию исчезновения инверсии определяет и колебательную температуру Т2вых. Разбавление С02 инертным газом стабилизирует температуру в зоне резонатора, что приводит к увеличению ц^,. Однако энергосъём на единицу массы смеси, также как и полный КПД лазера, для таких смесей оказываются невысокими. Найденные величины удельного энергосъёма превышают значения, полученные в расчётах [67], где длина съёма не оптимизировалась. Однако, если с учётом зависимости е^и(х) (рис.2.7) произвести пересчёт данных к одинаковым длинам съёма, то для сопоставимых параметров смесей имеет место разумнее согласие результатов расчётов.

Рис.2.8. Зависимость удельного энергосъема е^ от колебательной и газовой температур на входе в резонатор.

Уменьшение негативного влияния нагрева газа может быть достигнуто при использовании расширяющегося газодинамического канала в зоне резонатора [83]. Нами был разработан достаточно простой приближённый метод определения оптимального профиля канала Б(х), основанный на подходе динамического программирования [41*]. Анализ уравнения динамического программирования данной задачи совместно с (2.3)-(2.П) показал, что с хорошим приближением оптимальная "траектория" системы в координатах Г* Т однозначно определяется текущим запасом квантов в связанных модах Мсв(х). Зависимости от ]У„ оптимальных температур Т2 (Мс,) и Т (МСб) находились из условия максимума отношения Р^/Р^,.

Оптимальный профиль канала 5 (х) определяется требованием, чтобы на всём протяжении съёма значения Тг(х) и Т(х) соответствовали оптимальным. На основе такого подхода было получено уравнение для функции оптимального профиля 5 (х) [83]

<£с

1

1

' ЯТ + у2

сдин

лг амС1

вх

Г,

дин

сдин1

(2.12)

\сдин^

которое использовалось в численных расчётах совместно с уравнениями (2.3-2.11). Начальные значения температур на входе в резонатор рассчитываются по тем же зависимостям Г2° (л'®«), для заданного начального запаса квантов М„°. Тем самым одновременно с оптимизацией профиля канала оптимизируются и параметры среды на входе в резонатор.

, 1ГПИ

Ш

Щ-

0,1 V 0,3 1 2 5 19 Ш Х,Й Рис.2.9. Оптимальный профиль канала в зоне резонатора Я(х) - (1), изменение по длине потока колебательной температуры Г2(х) - (2) и удельного энергосъема £шл (х) - (3)

На рис.2.9 представлены результаты расчётов для следующих начальных условий: ХС02)=1/3, ро=14 мм рт.ст., у=1,4 105см/с, ¿7^°= 1,25 (что со-

' ответствует ?2° =715К, Г°=70К). Как видно из этих данных,поддержание

оптимального температурного режима в профилированном канале требует быстрого расширения потока, что неизбежно приводит к возрастанию длины съёма Расчётное значение максимума энергосъёма £^=52,5 Дж/г получено при х=2м. Однако уже начиная с дг=1м рост ешл(х) практически прекращается, а основная часть энергии снимается на значительно более коротких расстояниях. При конструктивно приемлемой длине съёма ;г=30см энергосъём составляет 0,9 от максимального. Рассчитанный максимальный КПД резонатора равен ^,=0,67. Таким образом, расчёты свидетельствуют о возможности дополнительного повышения эффективности съёма за счёт профилирования канала, хотя длина съёма при этом возрастает.

В данном расчёте не учитывался ряд факторов, таких как пространственная неоднородность потока, наличие примесей, потери излучения в резонаторе, которые могут ухудшать характеристики генерации. Поэтому рассчитанные величины удельного энергосъёма соответствуют предельно достижимым его значениям в данном типе лазера.

Проведённые детальные исследования" СО2-ГДЛ на СМ позволяют сделать некоторые оценки практической ценности и перспектив дальнейшей разработки этого типа лазера:

1 .По своим удельным энергетическим характеристикам (на единицу расхода газа) и КПД длинноволновый СО2-ГДЛ на СМ вполне сравним с обычным С02-ГДЛ с А=10,6 мкм. Однако свойственные ГДЛ высокие абсолютные мощности генерации в данном лазере не достигаются из-за низ-кок плотности потока при относительно малых величинах расхода газа.

2.Труддасти экспериментальной реализации, благодаря которым СОг ГДЛ на СМ выглядит в настоящее время достаточно "экзотическим" устройством, носят, в основном, технологический характер и по мере совершенствования экспериментальной техники могут быть преодолены.

3.Имеются неплохие перспективы повышения мощности и КПД лазера при переходе от варианта теплового ГДЛ к электрогазодинамическому лазеру. Первый шаг в этом направлении был сделан в работе [25*], где дня накачки рабочей смеси использовался тлеющий разряд, возбуждаемый в дозвуковой части ГДЛ. Заслуживает внимания и вариант возбуждения электрическим разрядом в закритической области сопла, хотя в техническом отношении он является более сложным.

3. ФОРМИРОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ, УГЛОВЫХ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ СВОЙСТВ СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ

Суперлюминесцентные лазеры на самоограниченных переходах газов и паров металлов представляют собой важный класс газовых лазеров, обладающих интересными физическими свойствами и находящих целый ряд практических применений. Их достоинствами являются высокий КПД, большие удельные импульсные и средние мощности генерации, разнообразие рабочих веществ и переходов, в том числе в УФ области спектра. Благодаря очень высокому коэффициенту усиления (до 102дБ/м) они способны давать мощное лазерное излучение (суперлюминесценцию) в отсутствие резонатора.

На момент начала наших работ когерентные свойства суперлюминесценции оставались практически неизученными, особенно в экспериментальном отношении. В литературе по данному вопросу высказывались самые противоречивые точки зрения - начиная от утверждения, что суперлюминесценция (СЛ), как усиленное спонтанное излучение, обладает полностью стохастической природой, до представлений о полной пространственной когерентности поля СЛ [42*,43*]. Проблема формирования когерентности СЛ в нелинейной усиливающей среде в отсутствие резонатора имеет достаточно фундаментальный характер. Помимо общего научного значения, когерентные свойства СЛ важны и с точки зрения практических применений СЛ-лазеров.

Наши первые исследования пространственной и временной когерентности СЛ газовых лазеров (1969-1973гт.) совпали по времени с периодом интенсивного развития теоретических представлений о формировании когерентности лазерного излучения, в т.ч. в безрезокаториом режиме (см., например, [44*,45 ]. Экспериментальное обнаружение квазирегулярной структуры спеюра импульсной С Л (1969г.) стимулировало появление серии работ, посвященных дальнейшему исследованию и теоретической интерпретации этого явления [46*-49*].

В наших работах, результаты которых кратко изложены в настоящей главе, выполнено комплексное экспериментальное исследование когерентных свойств СЛ в различных образцах СЛ-лазеров на самоограниченных переходах газов и паров металлов [50*]. возбуждаемых сильноточным импульсным разрядом (переходы в Ке, К2, Си, Т1, РЬ), а также в непрерывном Не-Ие лазере на переходе Х=3,39 мкм. Исследования включали изучение спектрального (модового) состава линий СЛ, временной и пространственной когерентности поля СЛ, поляризационных характеристик излучения, а также статистических свойств СЛ. При этом в качестве основной ставилась задача изучения условий формирования

когерентных свойств СЛ в усиливающей среде лазера. Наряду с 1 традиционными оптическими методами, применялись и методы, сравнительно недавно разработанные в физике лазеров, например, поляризационный интерферометр для измерения пространственных корреляционных функций поля [44*].

3.1. Каналирование суперлюмннесценцни

в радиально-неодиороднон усиливающей среде

В наших работах было показано, что в достаточно типичных экспериментальных условиях, когда излучение заполняет сечение газоразрядной трубки, СЛ характеризуется низкой пространственной когерентностью, близко соответствующей когерентности теплового источника с той же геометрией. (Ошибочные выводы авторов [42*,43*] о полной когерентности СЛ связаны с неправильной интерпретацией экспериментальных результатов.) При этом поле СЛ в каждом импульсе обнаруживает выраженную "зернистую" структуру (спекл-структуру), которую удаётся наблюдать благодаря малой длительности импульсов СЛ тр, сопоставимой с временем когерентности излучения тс~тр. В работе нашего аспиранта Г. В. Абросимова [51*] было показано, что фаза колебаний сохраняется только в пределах одного "зерна" (спекла) поля СЛ. Для переходов Ие (Х=540,0нм) и Т1 (1=540,Онм) размеры спеклов определяются геометрией излучающего объёма и могут быть оценены по теореме Ван-Циттерта-Цернике. В то же время для двух других переходов неона (Х=594,0нм и б14,3нм) размеры спеклов существенно превышают такую оценку.

б

Рис.3.1. Эффект каналирования СЛ (переходЫе Х~614,3нм). Давление газа в трубкер=1 Тор (Э) и 0,02Тор (б).

Дальнейшие исследования выявили сильную зависимость пространственной когерентности СЛ от условий разряда и привели к

обнаружению явления каналирования СЛ в усиливающей среде [21,29,33]. Практически одновременно и независимо от наших работ такой эффект наблюдался в ВКР [44 J и в лазерах на красителях [52 ]. Интересно, что в известных работах Аллена и Петерса, выполнявшихся параллельно с нашими работами, каналнроваиие СЛ в газовых лазерах не было обнаружено, хотя и отмечалось влияние инверсии среды на пространственную когерентность [53"].

Каналирование излучения в CJI лазерах с высоким усилением связано с формированием в среде радиально-неоднородного профиля коэффициента усиления, спадающего от оси трубки к периферии, в результате чего образуется "активный волновод" [45 ]. В газовом разряде такая ситуация, как правило, имеет место при пониженных давлениях газа, когда отсутствует (или мало) насыщение инверсии по плотности тока (рис.3.1). При относительно небольшой длине усиления /«/о, где lD-m2 -"дифракционная длина", а - радиус пучка, размеры спеклов и величина угловой расходимости пучка в могут быть оценены исходя из рассчитанных размеров эффективной "задающей области" разряда, в которой происходит формирование CJI. При квадратичной аппроксимации профиля усиления это даёт для угловой расходимости характерную зависимость в ~ (ag¡)'!/2, где Оо - коэффициент усиления на оси разряда [29]. Более общие расчёты с учетом дифракции излучения позволяют найти величину предельного радиуса пучка в активном волноводе с !»!и [44*,45*,52*]. Для получения пучков СЛ с дифракционной расходимостью на переходе Ne с л=540 нм в наших экспериментах использовалась система из двух последовательно расположенных разрядных трубок (генератор-усилитель) с промежуточным ослаблением пучка для уменьшения нелинейного насыщения [29]. Детальные исследования пространственных корреляционных функций поля, выполненные с помощью поляризационного интерферометра сдвига, подтвердили, что излучение на выходе усилителя обладает практически полной пространственной когерентностью. Излучение с полной пространственной когерентностью было получено также и в непрерывном He-Ne лазере, работающем в режиме СЛ на переходе А.=3,39 мкм [33]. В разрядной трубке диаметром 10 мм и длиной 1=4 м наблюдалось формирование узкого (¿M мм) высококоллимированного пучка СЛ. Измерения контраста интерференционных полос в схеме Юнга показали высокую (близкую к 1) степень пространственной когерентности пучка. Расходимость пучка в дальней зоне соответствовала дифракционной.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований показали, что в отношении пространственной когерентности СЛ газоразрядных лазеров в общем случае занимает промежуточное место между излучением теплового источника и полностью когерентным

, излучением одномодового лазера. При определенных условиях в активном канале СЛ-лазера из шумового спонтанного излучения на его входе формируется СЛ с высокой степенью пространственной когерентности.

3.2. Модовая структура спектра суперлюмииесцеиции

В отличяе от генерации в резонаторе, формирование спектра СЛ, как и других её свойств, происходит в самой активной среде в результате нелинейного взаимодействия среды с распространяющимся через неё излучением. До начала наших работ (1969 г.) было известно одно фундаментальное свойство спектра СЛ, получившее название спектрального сужения линий СЛ (Ярив и Лейт, 1963 [54*]). Ширина линии СЛ в отсутствие насыщения усиления даётся соотношением

где ДУщ - ширина линии спонтанной эмиссии, определяющей контур линии усиления, ао - коэффициент усиления в центре линии. (Предполагается, что контур линии усиления аппроксимируется квадратичной зависимостью.) Имеется очевидная аналогия спектрального сужения и рассмотренного выше каналирования пучков в неоднородной среде (в области где дифракция несущественна). В обоих случаях среда с большим усилением осуществляет спектральную или пространственную (угловую) фильтрацию излучения. Насыщение усиления приводит к тому, что линия вначале перестаёт сужаться, а при определённом уровне насыщения может происходить обратный процесс расширения линии [55*].

Наличие специфического расщепления линий СЛ было впервые обнаружено в наших экспериментах по излучению когерентных свойств СЛ неона [14].Расщепление присутствовало на всех трёх исследованных линиях неона >.=614,3, 594,4 и 540,0 нм (рис.3.2). В дальнейшем подобная структура наблюдалась нами в парах таллия (А=535 нм) и свинца (Х -405,7, 406,2 и 723 ни) [24]. Это даёт основание считать, что указанная структура представляет собой общее свойство импульсной СЛ лазеров на самоограниченных переходах. Максимальное число компонент расщепления наблюдалось в линии СЛ неона с Х=614,3 нм и достигало 10, Было найдено, что структура линии сохраняет свои характеристики лишь в пределах области пространственной когерентности. Положения компонент в разных импульсах генерации не воспроизводятся. При регистрации спектра с наложением достаточно большого числа импульсов огибающая спектральной линии приобретает гладкую форму. В условиях

насыщения усиления ширина огибающей значительно превосходит даваемую (3.1) и может быть сравнимой с шириной спонтанной линии.

Рис. 3.2. Интерферограммы линии суперлюминесценции Не Я=614,3нм при различных давлениях газа. а)р~0,05Тор, б)р=0,5Тор Детальное исследование условий возникновения структуры линий СЛ, проведённое для перехода № 1=614,3 нм, выявило связь её характеристик с длительностью импульса излучения Тр, которая, в свою очередь, определяется временем существования инверсии в разряде [21]. Указанная линия возбуждается в широком диапазоне давлений неона (КГ2-! Тор, а в капиллярных трубках до 10 Тор). При этом длительность импульса меняется от 15 до ~0,5 не. Структура наиболее чётко выражена при малых давлениях газзр<1 Тор. С ростом давления компоненты структуры уширяются и при давлениях в несколько Тор наблюдается одна широкая линия генерации. При /7=10 Тор её ширина достигает 2000 МГц, что превосходит допплеровскую ширину линии. Было установлено, что во всей области существования модовой структуры её характерный масштаб соответствующий среднему расстоянию между компонентами, определяется обрат-нон длительностью импульса СЛ Число компонент структуры

приблизительно равно N ■■

Лу

сл

.-1

Эти данные свидетельствуют в пользу флуетуационного (стохастического) происхождения модовой структуры спектра СЛ, возникающей при условии ДУся»^,'1 и являющийся временным аналогом пространственной спекл-структуры поля СЛ. Выполненный нами расчёт флуетуационного спектра в линейном приближении подтвердил наличие глубокой модуляции мгновенной спектральной плотности излучения С(со) [28]. В согласии с экспериментальными данными ширина "компонент"

была близка к тр'\ а их число уменьшалось при сокращении длительности 1 импульса.

Более тщательный анализ показывает, что наблюдаемый в условиях насыщения спектр СЛ нельзя считать чисто стохастическим. Практически на всех экспериментальных спектрограммах заметна определённая упорядоченность расположения компонент и их интенсивностей. Такого рода упорядоченность даёт основание говорить о квазирегулярной (квазипериодической) "модовой" структуре спектра СЛ. Позже подобная структура линий СЛ наблюдалась многими авторами в различных средах в молекулярном азоте [46*], в лазере на красителе [48*], в линиях ВКР в кальците и жидком азоте [56 ] и других. Наличие квазипериодичности было подтверждено статистическим анализом интервалов структуры [46 ].

Большой интерес вызывает вопрос о природе квазипериодичности спектра СЛ. В наших первых работах формирование квазипериодичности в результате регуляризации флуетуационного случайного спектра связывалось с взаимной конкуренцией спектральных компонент в нелинейной усиливающей среде с неоднородно уширенной линией либо с захватом частот флуктуационного спектра комбинационными тонами соседних компонент [21]. Впоследствие в литературе было предложено несколько механизмов образования квази. периодической модовой структуры спектра СЛ, в числе которых автонаведённая обратная связь, расщепление контура коэффициента усиления в присутствии сильного поля, когерентные эффекты типа светового эхо, квазистационарная дифракция излучения, процессы четырехволнового взаимодействия и другие [46г49*]. Среди этих работ следует выделить работу [48*], в которой была сделана попытка создания общей нестационарной теории формирования пространственной когерентности и спектра СЛ.

Когерентные Ьекш в СЛ - усилителе на неоне.

Благодаря короткой длительности импульсов СЛ, которая может быть значительно меньше времени фазовой памяти атомов в газе, эффекты когерентного взаимодействия поля и среды могут играть заметную роль в формировании свойств СЛ газоразрядных лазеров, включая механизм расщепления спектра. Наша работа [26] по исследованию этих эффектов в СЛ - лазере на неоне была первым экспериментальным наблюдением когерентных эффектов при распространении коротких световых импульсов в газовых усиливающих средах.

Эксперименты проводились на переходе Не1(2рг1з4) с Х=540нм. Использовалась система генератор - усилитель из двух газоразрядных трубок с промежуточной пространственной фильтрацией излучения. Это позволяло получать на входе трубки усилителя практически полностью

Рис. 3.3. Осциллограммы импульсов на выходе усилителя (слева входной импульс). а)холодный усилитель, б) <9„~л; в)9юя0,3ъ г)ваяО,1к, д)ва*0,01ъ

е)многомодовый пучок,

ж)метки 10нс.

одномодовое СЛ - излучение, интенсивность которого регулировалось с помощью ослабителей. На рис.3.3 можно видеть эффект когерентной самомодуляции импульса СЛ в усилителе в зависимости от "площади" входного импульса 0ЕХ. Модуляция поля приводит к расщеплению спектральной линии СЛ [26]. Наблюдался также эффект "сверхсветового импульса" - распространение огибающей импульса со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.

3.3. Поляризованная СЛ в анизотропно-усиливающей среде

Реализованная в наших работах программа комплексного исследования когерентных свойств СЛ включала также исследование поляризационных характеристик излучения, остававшихся ранее практически неизученными. Нами было впервые обнаружено наличие характерной поляризации СЛ, обусловленной анизотропией усиления среды, которая возникает вследствие зеемаь, вского расщепления уровней атомов в собственном магнитном поле возбуждающего разряда [35].

Экспериментальные исследования были выполнены на шести СЛ переходах в неоне и парах свинца. Лазерные трубки, как правило, работали с концевым зеркалом, что позволяло, помещая поляризатор между зеркалом и торцом трубки, задавать определённое состояние поляризации на входе в усиливающую среду. Для исследования выходного излучения использовалась автоматизированная сканирующая система, которая позволяла определять значения параметров Стокса в разных точках поперечного сечения пучка как в ближней, так и в дальней зоне. В

типичных условиях газоразрядных CJl-лазеров напряжённость собственного кольцевого магнитного поля разряда Н—//^ достаточна для зеемановского расщепления линий атомов сравнимого по величине с допплеровской шириной линии. В этих условиях коэффициенты усиления сц, для я-поллризации (компонента электрического вектора е,) и а, для о-поляризации (компонента г,) становятся различными, т.е. возникает анизотропия и дихроизм усиливающей среды. При этом для частот вблизи центра линии перехода a*>a<j.

В приближении геометрической оптики (/<</0) уравнения для компонент вектора £ записываются в виде Ss, да

-f = + (3.2)

an Y an

где й - единичный вектор луча.

В случге первоначально непояяризованной аксиальной плоской волны и линейного режима усиления степень поляризации в выходном сечении пучка даётся выражением

1-ехР[-2^(г)/1 1+ ехр[-2Ла(г)/]

где Aa(r)=aJr)-Or(r).

При характерных для СЛ-лазеров высоких коэффициентах усиления даже в случае неполного зеемановского расщепления линии может выполняться условие Аа!»1, что даёт Р«/. Это означает, что, в дополнение к сужению частотного и углового спектра СЛ, активная среда при наличии анизотропии усиления может "отфильтровывать" определённое состояние поляризации из кеполяризованного спонтанного "шума" атомов.

В приосевых областях разряда величина Да падает за счёт уменьшения аапряжённости магнитного поля, а на краях пучка - за счёт общего уменьшения коэффициента усиления. Корректный расчёт величины Да(г) на основе полной картины зеемановского расщепления линии позволяет удовлетворительно объяснить наблюдаемое распределение степени поляризации в сечении пучка.

В анизотропной среде формирование пространственных дифракционных мод в активном канале СЛ-лазера, естественно, нельзя рассматривать без учёта поляризационных свойств излучения. В связи с этим нами решалась общая задача формирования поля СЛ в анизотропном активном канале и расчёта дифракционных мод такого канала [37,41].

5 1 ,

— + —Д\

6 2 ¡к -

д V г« ^ = —+А

& и ) \£<Р;

В линейном режиме развитие поля описывалось в рамках параболического приближения системой уравнений

к = I (3-5)

' /=1,2

где Дх - лапласиан по поперечным координатам, ау(х, у) - тензорное поле коэффициента усиления. В цилиндрической системе координат г, <р, г этот тензор диагонален и уравнения могут быть записаны в виде

(3.6)

где А - некоторый дифференциальный оператор, зависящий от параметров анизотропного канала а и р, имеющих смысл эффективного радиуса канала и коэффициента анизотропии (0<ц<1). Нахождения мод активного канала сводится к отысканию собственных функций оператора А. Выражения для полей мод были получены в виде разложений по малому параметру ц с точностью до ц4.

В качестве примера приведём выражение для основной моды анизотропного волновода, ограничившись членами ~р.2. В силу цилиндрической симметрии задачи существуют два вырожденных линейно-независимых состояния, переходящих друг в друга при повороте на угол го2:

( Я\{г)со$<р

'9)п

-Ий(г)са&<р)

Расчёт функций Из и собственного значения л0 даёт:

/ 2" 2~ —

¡е ~т v

Л

2 У 32

Яо

4 V 2 У

32

ехр(-£г2), ехр(-£г2),

(3.8)

где £ = т/2ег, е = трубки.

хка

\ 8 а1

, 1те<0, а- коэффициент усиления на оси

5-1

На рис.3.4 показано рассчитанное распределение эллиптической поляризации основной моды в сечении пучка при выделении на входе трубки линейной поляризации вдоль оси X.

Рассчитанные моды анизотропного активного канала, в том числе основная мода существенным образом отличаются от известных в литературе мод лазеров. Амплитудно-фазовые и поляризационные характеристики поля излучения анизотропных мод в сечении пучка закономерным образом изменяются от точки к точке, образуя достаточно сложные двумерные распределения, которые содержат в себе информацию о свойствах усиливающей среды, в частности, о параметре анизотропии ц.

Поляризационные свойства основной моды могут быть использованы для её селекции в СЛ лазере и получения одномодового режима СЛ. В связи с этим в нашей работе была поставлена задача получения одномодовой СЛ и детального экспериментального исследования её амплитудных, фазовых и поляризационных характеристик и сравнения с развитой теорией.

Исследования одномодовой СЛ [52,69,76] производились на линии неона 614,Зим в системе генератор-усилитель, состоящей из двух последовательно расположенных разрядных трубок. Между трубками помещались ослабители для уменьшения уровня насыщения, а также поляризующие устройства, с помощью которых можно было задавать определенный тип поляризации на входе усилителя.

Сравнение экспериментальных значений параметров Стокса и параметров эллипсов поляризации в различных точках сечения пучка показало их хорошее согласие с теоретическими величинами и позволило определить величину параметра анизотропии (1=0.6.

Насыщение усиления приводит к уменьшению анизотропии среды. Влияние насыщения наиболее характерным образом проявляется в изменении угловой структуры поля, наблюдаемой при работе усиливающей трубки в скрещенных поляризаторах. На рис.3.5 приведены фотографии пучка СЛ в случае скрещенных входного и выходного поляризаторов в линейном режиме усиления (а), при слабом (б) и сильном (в) насыщении. Видно, что при достаточно сильном насыщении наступают качественные изменения распределения поля. Анализ влияния эффектов

О 17 23 \

Рис.3.4. Распределение эллиптической поляризации основной моды СЛ.

насыщения, выполненный численными методами в рамках геометрооптической модели, позволил объяснить характерные особенности наблюдаемых распределений поля [81,84,85]. В частности, он показал, что возникающие при сильном насыщении дополнительные узловые линии поля соответствуют точкам, в которых насыщение полностью компенсирует начальную анизотропию коэффициента усиления.

а б в

Рис. 3.5. Поперечное сечение пучка СЛ для скрещенных входного и выходного поляризаторов.

Измерения фазовых характеристик поля, выполненные с помошчо методов сдвиговой интерферометрии и эллипсомотрни, показали, что в случае линейной поляризации излучения к а входе в усилится', распределение фазы в выходном излучении является анизотропным и характеризуется двумя главными радиусами кривизны волнового ф>---нта К, и Лу. Теореткческая интерпретация фазозс". анизотропии дала хорошее согласно с экспериментальными данными.

Таким образом, из основании всего комплекса эксперименталг-чг-х данных можно сделать вывод о том, что развитая теория анизотропных мод СЛ удовлетворительно описывает наблюдаемые характеристики поля.

4. АВТОМОДУЛИРОВАННАЯ ГЕНЕРАЦИЯ БЫСТРОПРОТОЧНЫХ ЛАЗЕРОВ И НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

УПРАВЛЕНИЯ ВРЕМЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Нелинейные светодинамические явления, такие как оптическая неустойчивость стационарной генерации, автопульсации излучения, возникновение хаотических режимов представляют большой интерес как для общей теории распределённых нелинейных динамических систем, так и с точки зрения их влияния на характеристики генерации [57*]. В движущихся средах существуют специфические механизмы неустойчивости, обусловленные нелокальным характером взаимодействия поля со средой и возникновением обратной связи между различными пространственными зонами системы. Возможность развития автоколебаний в неустойчивом резонаторе с поперечным протоком среды была теоретически предсказана в [58*]. Имеются отдельные экспериментальные данные, косвенно свидетельствующие о существовании указанных автоколебательных режимов [59*, 60*]. В прикладном аспекте такого рода явления обычно рассматривались как нежелательные, нарушающие стабильную работу лазера, и внимание исследователей было направлено на поиск условий их подавления (см., например, [61*]).

Нами был сформулирован альтернативный подход к данной проблеме, который заключается в использовании данного класса нелинейных явлений для разработки на их основе принципиально новых методов управления динамическими режимами генерации лазеров с движущейся средой [91]. Подобные методы могут представлять значительный интерес, в частности, для быстропроточных технологических лазеров, для которых переключение режимов генерации увеличивает число технологических операций, доступных данному лазеру. Был предложен и теоретически разработан ряд методов получения автомодулированной генерации в различных лазерных системах с движущейся активной средой (система генератор-усилитель, неустойчивые резонаторы с неоднородными зеркалами и неоднородной внутренней накачкой). Особенность всех этих систем, с которой тесно связан механизм неустойчивости стационарной генерации, состоит в значительной пространственной неоднородности их параметров в направлении потока среды. Исследования динамических свойств подобного рода систем объединяются в рамках общей проблемы нелинейной динамики пространственно-неоднородных распределенных систем с движущейся активной средой.

Теоретический анализ имел целью выявление наиболее общих закономерностей динамического поведения рассматриваемых систем и проводился на основе достаточно простых аналитических и численных моделей.

Использовалось приближение геометрической оптики, активная среда описывалась простейшими кинетическими уравнениями. В большинстве расчетов принималась однокомпонентная модель активной среды с одной релаксационной константой. Часть расчётов была выполнена для двух-компонентной среды, моделирующей параметры рабочей смеси, используемой в СО2-ГДЛ с длиной волны 10,6 мкм.

Основное внимание уделялось определению границ областей существования различных динамических режимов и исследованию временных характеристик автомодулированной генерации.

4.1. Лазерная система генератор-усилитель

Один из вариантов системы генератор-усилитель изображён на рис.4.1. Излучение, формируемое в резонаторе генератора, образованном зеркалами Мз, Мд с апертурой <13, направляется в усилитель, расположенный выше по потоку, где оно усиливается при многократных проходах между выпуклыми зеркалами М,, М2 и вызывает насыщение активной среды. Для предотвращения самовозбуждения зеркала развёрнуты на небольшой угол, так что их оптическая ось ле- Рис.4.1. Лазерная система ге-жит за пределами апертуры усилителя с!, нератор-усилитель с движу-(изображена на рисунке пунктиром). Об- щейся средой. ратная связь (влияние усилителя на генератор), необходимая для возникновения автоколебаний, осуществляется благодаря движению среды. Ширина промежуточной зоны с12, в которой поле отсутствует, может существенно влиять на динамику генерации.

По сравнению с неустойчивым резонатором, для которого проводились расчёты в [58 ], система генератор-усилитель обладает более широким набором параметров, благодаря чему расширяются возможности управления её характеристиками. Наряду с общим временем пролёта Тг=ч!/'у (¿^¡-кЬ+сЗз) важную роль играют времена пролёта через отдельные зоны системы т/'ЦзД (¡'=1, 2, 3 соответственно для усилителя, промежуточной зоны и генератора). Особое значение имеет возможность независимого выбора коэффициента связи генератора и усилителя.

4.1.1. Результаты численного моделирования

На рис.4.2 показаны рассчитанньв границы областей стационарной генерации (слева от кривых) и автомодулированной генерации в координатах хг, где тЕ={ссоТг)"1 характеризует время нарастания волны в венасыщенной среде (однокомпонентная среда, число проходов в усилителе N=10, начальное усиление а1МЬ=5). Параметром кривых является РиМ Границы областей автомодулирован-

величина выходных потерь - .

г ной (справа от кривых) и стационарной гене-генератора 6 нормирован- рации

ная на коэффициент усиления. Из этих данных можно видеть, что процессы накачки и энергообмена, характеризуемые в принятой модели временем релаксации тгеЬ являются факторами, поддерживающими устойчивость стационарной генерации. Этот вывод согласуется с аналогичными расчётами для неустойчивого резонатора [61*,62*].

При большой скорости указанных процессов (гге1«т^ возникновение автомодуяящш возможно только при высоких значениях коэффициента связи, когда величина потерь генератора 0 приближается к пороговой. Оценка нижнего предела величины потерь 6,™,, соответствующей границе возбуждения автоколебаний, даёт

#т<п -I

Гге/

.(3)

ехр

7

Тге!

1-ехр

А

V

Тге1

/J

(4.1)

Возникновение автопульсаций при увеличении 8 естественно связать с тем обстоятельством, что стационарная генерация становится менее эффективной вследствие роста инверсии в генераторе и одновременно доли эдергии, выносимой потоком из системы. Для нмульсно-периодической генерации зги потери снижаются, так как в промежутке между импульсами инверсия насыщена ниже порогового уровня. Величина 9 может играть роль удобного в эксперименте "управляющего параметра" системы, изменение которого позволяет "переключать" режимы генерации.

Временные характеристики автомодулированной генерации (частота следования, длительность и форма импульсов) зависят от соотношения геометрических размеров зон системы и параметров среды. При этом могут реализовываться режимы с периодами следования импульсов, существенно меньшими тг. На рис.4.3 приведена типичная временная зависимость мощности генерации на выходе усилителя, рассчитанная для условий СОгГДЛ. Период наблюдаемой пичковой структуры соответствует частоте релаксационных колебаний в генераторе.

Расчёты показывают, что при условии ¿1«с11 перевод системы генератор-усилитель в автомодуляционный режим работы путём увеличения выходных потерь в генераторе не сопровождается существенным падением средней мощности генерации, н эффективность съёма энергии остаётся достаточно высокой (т]~0,б). В то же время достигается значительное (в несколько раз) увеличение пиковой мощности,

4.1.2. Влияние Фазового согласования между генератором и усилителем на развитие неустойчивости

В процессе развития автоколебательной неустойчивости в рассматриваемой системе важное значение имеет соотношение фаз возникающих колебательных возмущений в разных точках движущейся среды. Наличие промежуточной зовы между усилителем и генератором, в которой поле отсутствует, приводит к фазовой задержке колебаний инверсии в потоке. В зависимости от величины последней поток может либо усиливать, либо ослаблять колебания инверсии в генераторе. Исследование этих вопросов производилось с помощью простой аналитической модели, основанной на предположении о пространственной однородности полей в пределах отдельных зон. На практике однородность поля может быть реализована только в специальных резонаторных системах, например, в резонаторе с вращением поля [63*].

Система уравнений для поля и среды в нормированных величинах имела вид

Рис.4.3. Временная зависимость мощности генерации на выходе усилителя.

да да 5г дх

+ — = + )а + 3, (4.2)

ш щ

тд = (<а3>-а3 М3 . (4.4)

с/и/3

ИГ

Здесь а- коэффициент усиления, нормированный на его значение на входе в усилитель а^ , у/ = Ыт/ - нормированная плотность мощности излучения в среде, V} - мощности излучения в усилителе и генераторе, 5-скорость накачки, <о^> средние по апертурам усилителя и генератора значения коэффициента усиления, а, - средние значения полных распределённых потерь в усилителе и генераторе, ац - коэффициент связи генератора и усилителя. Текущее время г и константа релаксации г =гге/^ нормировались на координата х нз длину с1.

Исследование устойчивости стационарных решений а^гу,- системы (4.2)-(4.4) в линейном приближении показало, что инкременты развития неустойчивостей у для различных мод возмущений характерным образом и достаточно сильно зависят от соотношения геометрических размеров зон системы В случае слаборелаксирующей среды и малого насыщения уравнение для у, помимо геометрических размеров, содержит только один

параметр А, величина которого пропорциональна ——^^-и зависит также

а31

от других параметров системы. Границы устойчивости (11еу=0) соответствует значениям этого параметра

яп(1-р)

где р = 2¿2/(^1 + 23г), 3г=с1:+с1}/6, п- номер моды возмущения. Частота колебаний на границе устойчивости Оп - 1ту„ определяется только геометрическими размерами

а„=2т/(с1х+2йг). (4.6)

На рис.4.4 показаны рассчитанные по (4.5) границы устойчивости для возмущений различного порядка. Выше кривых (А>А*п) Яеу„<0 и стационарная генерация является устойчивой. При А<А*п Яеу^О имеют место автоколебания. Таким образом, раскачке автоколебаний способствуют увеличение коэффициента связи генератора с усилителем и, с другой стороны, приближение усилителя к порогу самовозбуждения. Обращает на

себя внимание сильное влияние на устойчивость системы соотношения геометрических размеров. Для различных мод существуют области значений р, в которых автоколебания невозможны ни при каких значениях параметра А. Такое поведение системы объясняется наличием "резонансов" в раскачке автоколебаний при определенных значениях фазовой задержки на длине промежуточной зоны, обеспечивающих фазовое со-

Рис. 4.4. Гр

тасование колебаний инверсии ^ устойчивости в сис-

в генераторе и усилителе. Это те?е генератор-усилитель для возмуще-обстоятельство дает принцип» нии порядка. Выгие кривых

альную возможность, изменяя шеет шсто стационарная генерация, размер промежутка между ге- ниже " автоколебания. Цифрами у кри-нератором и усшгетелем, воз- номер моды возмущения

буждать те или иные автоколебательные моды и таким образом управлять частотой следования импульсов.

Прямое количественное сравнение результатов численного моделирования системы генератор-усилитель и приведенного аналитического расчета достаточно затруднительно. Причины этого кроются в различии использованных расчетных моделей, описывающих, по существу, разные варианты системы.

Тем не менее, несмотря на различие моделей, и аналитические расчеты, и численное моделирование приводят к одним и тем же основным качественным выводам в отношении динамических свойств системы генератор-усилитель. К ним относятся, в частности, вывод о стабилизирующем действии процессов восстановления инверсии (накачка, У-У обмен) и о том, что увеличение коэффициента связи между генератором и усилителем способствует переходу системы в автомодуляционный режим генерации.

4.2. Динамика генерации в неустойчивом резонаторе проточного лазера с пространственно-неоднородными характеристиками зеркал н накачки

Специфический механизм развития автоколебаний в неустойчивом резонаторе (НР) с поперечным протоком среды связан с происходящим в нём поперечным переносом излучения от "задающей" центральной области на оптической оси к периферии [63*]. Действие ряда факторов, присущих реальным лазерным системам (конечная скорость обмена энергией в среде, наличие накачки в объёме резонатора и другие) обычно приводит к подавлению автоколебаний [62*].

Нами предложен метод получения автомодулированной генерации в быстропроточных лазерах с использованием НР специального типа, отличающегося неоднородной в направлении потока апмлитудно-фазовой характеристикой зеркал [92-95]. Принципы действия данной системы и рассмотренной выше системы генератор-усилитель во многом аналогичны: в "задающую область", в которой формируется лазерное излучение, вносятся дополнительные потери, благодаря чему атомодуляционный режим генерации становится энергетически более выгодным, чем стационарная генерация. В другом варианте метода ухудшение условий генерации в при-осевой области НР достигается за счёт неоднородности коэффициента усиления среды, которая создаётся выбором соответствующего профиля накачки внутри НР [96-98]. В плане практической реализации в быстро-проточных лазерах последний способ обладает несомненными преимуществами, обусловленными относительной простотой изменения профиля накачки в электрическом разряде с секционированными электродами.

4.2.1. Неустойчивый резонатор с неоднородными зеркалами

Расчеты проводились для НР цилиндрической геометрии с одинаковыми зеркалами, которые в общем случае располагаются несимметрично относительно оптической оси резонатора (рис.4.5).

Уравнение для интенсивности поля I в НР записывалось в виде [94]:

хЕ+ЯЖ^'Ф-ф (4.7)

дх 1п МЫ 1п М

2Ь

где тс = ■ -время затухания поля в НР, ооусловленного расширением сшМ

пучка, М- коэффициент увеличения на двойной проход, Ь • длина резонатора.

Распределение потерь а(х) по апертуре зеркал задавалось выражением

в(д) = аовф[-£_^21], (4.8)

где 2И0- ширина неоднородной приосевой зоны, а0~ потери на оси резонатора.

Использовалась простейшая модель двухкомпонентной активной среды -смеси газов СО^-Нг без накачки, описываемой линеаризованными кинетическими уравнениями [91].

Результаты расчетов показывают, что поведение системы существенно зависит от соотношения времени пролета верхней по потоку части ИР Т/ = А/Л> и времени колебательного обмена та/- Вторая часть резонатора в принятой модели не оказывает влияния на динамику генерации, а служит только для съема энергии с активной среды. Другим важным фактором, определяющим режим генерации, является величина дополнительных потерь ао. На рис. 4.6 представлены границы областей стационарной и автомодулированной генерации в координатах (И/Н, а/а^Х где Я - длина съема колебательной энергии, Н= \-та/, о« - значение коэффициента усиления на входе в НР. В обычном НР с однородными зеркалами (ао = 0), который исследовался в работах [58*- 62 ], автомодулированная генерация имеет место только при очень малых и больших временах пролета ^ в областях й/#<7х10'2 и к,/Н > 10, которые соответствуют двум предельным случаям - отсутствия обмена и полного многократного обмена энергией между компонентами смеси за время т/. В обоих этих случаях рабочая смесь ведет себя подобно одно-компонентной среде, для которой стационарная генерация является неустойчивой [58 ]. При введении дополнительных потерь на оси НР область существования стационарной генерации сужается и она уступает место автоколебаниям.

Остановимся на вопросе об эффективности съема колебательной энергии потока при автомодулированной генерации. Наряду с общими факторами, такими как сокращение времени взаимодействия молекул с полем по сравнению со стационарной генерацией и переполнение нижнего лазерного уровня, к снижению эффективности съема должно приводить

• г 5

\

г —та^

»...... ,,

Рис. 4.5, Схема неустойчивого резонатора с неоднородными зеркалами. Штриховыми линиями изображена приосевая зона с увеличенными потерями.

также ухудшение добротности резонатора из-за введения дополнительных потерь.

Достижение максимальной эффективности съема при заданной полной апертуре резонатора й=й/ + И2 требует одновременной оптимизации величины дополнительных потерь а0 и соотношения размеров И/ и Как и для стационарной генерации проточного лазера [63 ], симметричное положение оптической оси не является оптимальным. Смещение оси от среднего положения, приводящее к сдвигу границ автомодулированной генерации, позволяет получить приемле- рации в НР с неоднородными зерка-мую эффективность съема 7] при лами. 1-стационарная генерация, 2-умеренной величине дополнитель- автомодуляционный редким. ных потерь (т) « 0,6 при АД =0,25 и а(/авг=0,2).

Вопрос о влиянии дифракции и границах применимости геометрооп-тического приближения требует отдельного исследования. Очевидно, что размер неоднородной зоны зеркал должен выбираться с учетом условия, чтобы эквивалентное число Френеля Л^, = Ь^/2ЩМ - М{) не было бы намного меньше 1 [63*]. Дифракционные искажения будут особенно значительными при большой величине неоднородных потерь а0- Дифракционная связь между приосевой и периферийной зонами резонатора может препятствовать развитию автоколебаний, поскольку порог генерации уже не будет однозначно определяться условиями на оси резонатора. По этой причине, в частности, может оказаться невозможным получение автомодулированной генерации в НР с центральным отверстием связи. Нами проводились пробные расчеты нестационарных распределений поля в НР с неоднородными зеркалами и движущейся средой с учетом дифракции на основе численного решения интегрального уравнения Кирхгофа. Результаты, полученные для типичного набора параметров системы, показали разумное согласие с геомстрооптическим расчетом.

Ухудшение добротности в задающей приосевой зоне НР, стимулирующее переход лазера в автомодуляционный режим, может осуществляться также за счет фазовой неоднородности, создаваемой путем локального изменения кривизны зеркал в окрестности оптической оси. Преимущество последнего способа заключается в том, что излучение не выводится из резонатора, а лишь перераспределяется в пределах приосевой зоны.

Рис. 4. б. Границы режимов гене-

Нами были выполнены расчеты, в которых фазовая неоднородность моделировалась посредством введения переменного коэффициента увеличения HP М(х) [64*]. Результаты, полученные с разными профилями М(х), показывают, что таким путем может быть достигнуто дополнительное увеличение энергетической эффективности автомодулированной генерации.

4.2.2. Неустойчивый резонатор с неоднородной накачкой

Как уже отмечалось, наличие накачки внутри HP является фактором, стабилизирующим режим стационарной генерации быстропроточного лазера [59*, 61*]. Более детальный анализ позволяет выявить двоякое влияние накачки на динамику генерации [97]. С одной стороны, восстанавливая инверсию среды и ускоряя процесс генерации, накачка способствует затуханию флуктуации инверсии и устойчивости стационарной генерации. С другой стороны, она оказывает косвенное влияние на устойчивость стационарной генерации посредством изменения стационарных распределений коэффициента усиления и интенсивности поля в HP. Однородная накачка выравнивает эти распределения и тем самым дополнительно повышает устойчивость стационарной генерации. В противоположность этому неоднородная накачка при некоторых условиях может способствовать возникновению неустойчивости. Схема HP с неоднородной накачкой аналогична изображённой на рис.4.5.

Анализ динамики генерации в HP с неоднородной накачкой проводился в простейшей модели однокомпонентной среды в приближении квазистационарной генерации. Линеаризованные уравнения для малых возмущений 5а(х, t) и ôw(x, t) имели вид

да. да а __ _

■—--— =--a-wsw, (4.9)

ôt ох as

dw ~

~asa, (4.10)

ex

~ Sa ^ ôw u „

где a-—, vj~— - относительные возмущения, индекс s означает

«i ws

стационарные распределения. Распределение накачки S(x) имело профиль типа (4.8), характеризующийся резким спадом вблизи оси резонатора в пределах зоны неоднородности.

Результаты расчётов выделяют четыре области изменения параметров, отличающихся типом динамического поведения системы. На рис.4.7. эти области изображены в координатах т/т/и &а„ для значения h(/hj-0,1 (am - максимальное значение коэффициента усиления в отсутствие генерации, 8=lnM/2L). Это область стационарной генерации I, область регулярных автопульсаций II с относительно высокой частотой повторения (пери-

од T«t/), область нерегулярной (хаотической) генерации III, и, наконец, область IV, в которой наблюдаются "низкочастотные" регулярные автопульсации с периодом Т~т/.

Наличие двух видов автомодулированной генерации с различными частотами повторения импульсов говорит о существовании двух разных механизмов автомодуляции. Первый из них имеет место в области IV для r»tf, где восстановление инверсии связано со сменой газа в резонаторе. Масштаб пространственной неоднородности стационарных распределений а,(х) и 1,(х) в этом случае определяется апертурой резонатора А/, а период автопульсаций Г близок к т/. Второй механизм реализуется при T«tf в области П, где восстановление инверсии в приосевой области (где накачка отсутствует) является следствием накачки в соседних зонах и движения возбуждённых молекул к оси резонатора. Период следования импульсов в этом случае близок к to=ho/v. Контрольные расчёты, выполненные с однородной накачкой, подтверждают, что механизм неустойчивости стационарной генерации в области П связан именно с неоднородностью накачки. Исследование устойчивости стационарной генерации в HP с однородной накачкой и полностью однородными распределениями насыщенного коэффициента усиления и интенсивности генерации в поперечном сечении пучка показали, что возмущения в такой системе всегда затухают. (В рамках принятой модели такая полностью однородная система реализуется при условии "согласования" входного коэффициента усиления с величиной распределенных потерь резонатора а^-в).

Таким образом, можно считать установленным, что неустойчивость стационарной генерации в области II (рис.4.7) обусловлена видом стационарных профилей as(x) и щ(х), формирующихся под действием неоднородной накачки, которые характеризуются быстрым возрастанием при удалении от оси резонатора. Такая геометрия системы способствует нарастанию относительных возмущений о? (x,t) и w(x,t) в направлении навстречу потоку. Это качественно видно из (4.9) и (4.10), где члены, ответственные за взаимодействие возмущений, пропорциональны ws и а,, соответственно. Поскольку накачка в приосевой зоне практически отсутствует, за-

1.0

04

0.S

9Л

0.2

/ $

/'

ш iv

А 1

7 % . . . 1 и -t .

/

11 Ы

U

10

Рис.4.7. Области существования различных режимов генерации в неустойчивом резонаторе с неоднородной накачкой.

тухание относительных возмущений инверсии в потоке газа, описываемое первым членом в правой части (4.9), значительно ослабляется. В этих условиях возмущения, возникающие на некотором расстоянии от оптической оси, беспрепятственно достигают оси и порождают автопульсации мощности. При другом профиле, в частности, в случае однородной накачки, её влияние на динамику генерации проявляется главным образом в релаксации возмущений в потоке, что ведёт к стабилизации стационарной генерации.

Таким образом, в практически важном случае, когда время пролёта намного превышает время релаксации среды, Т/»г,е/, динамика генерации полностью определяется выбором профиля накачки в "управляющей" приосевой зоне НР. Это создаёт физические предпосылки для разработки новых методов управления динамическими режимами быстропроточного лазера путём изменения профиля накачки [97,98].

Особый интерес представляет хаотическая генерация, которая наблюдается в промежуточной области соотношения характерных времён системы т~тг (область Ш на рис. 4.7), где в образовании инверсии участвуют как механизм смены газа в резонаторе, так и внутренняя накачка. Взаимодействие указанных конкурирующих механизмов с отличающимися характерными временами приводит к сложному хаотическому поведению системы [99-100].

В заключении отметим, что проведенные теоретические исследования и модельные расчеты показывают возможность осуществления с помощью предложенных методов автомодуляционных режимов генерации в лазерах с движущейся активной средой и непрерывным возбуждением, в том числе в газодинамических и быстропроточных С02 и СО-лазерах. В рассмотренных системах автомодуляциснный режим генерации достигается ценой относительно небольшого снижения средней мощности генерации и позволяет получить высокие пиковые мощности при частоте повторения импульсов до десятков кГц. Такого рода режимы могут представлять значительный интерес, в частности, для лазерной технологии. Предложенные способы не требуют применения импульсно-периодических источников возбуждения разряда и каких-либо модулирующих элементов. Они позволяют путем изменения параметров резона-торной системы или пространственной конфигурации разряда вблизи оси НР варьировать временные характеристики импульсов, а также получать непрерывный режим генерации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе единого теоретического подхода проведен анализ явлений нелинейного насыщения в газовых лазерах различных типов. Установлены особенности нелинейного насыщения в многоуровневых, пространственно-неоднородных и движущихся активных средах и в средах с диффузией частиц. Полученные теоретические соотношения использованы в расчетах характеристик генерации лазеров и для их оптимизации.

2. Разработаны методы экспериментальной диагностики активных сред газовых лазеров, основанные на явлениях нелинейного насыщения. Выполнены комплексные экспериментальные исследования характеристик насыщения и параметров активных сред ряда типов газовых лазеров (ионные аргоновый и гелий-кадмиевый, газоразрядный и газодинамический С02-лазеры). Получена важная информация о населен-ностях лазерных уровней, скоростях накачки и вероятностях распада, процессах дезактивации уровней электронами и других, позволившая получить более полное представление о механизмах образования инверсии в активной среде и характеристиках генерации.

3. Выполнено численное моделирование многоуровневой колебательной кинетики связанных мод С02 в условиях сильной неравновесности. Изучены особенности квазиравновесных распределений и динамика их формирований. Определён запас колебательной энергии и достижимые величины удельной мощности генерации в длинноволновом С02-ГДЛ на связанных модах. Экспериментально получена генерация на восьми новых лазерных колебательных переходах. Показана возможность создания СОг-ГЛ Л с перестройкой частоты по колебательно-вращательным переходам в диапазоне длин волн 16,2-21,2 мкм.

4. Разработана физическая модель процессов генерации в резонаторе длинноволнового СОг-ГДЛ. Выполнены расчёты оптимального профиля расширяющегося газодинамического канала в зоне резонатора и оптимальных параметров рабочей смеси в длинноволновом С02-ГДЛ. Установлены физические ограничения съёма колебательной энергии, которыми являются недостаточная столкновительная связь колебательных уровней при низких концентрациях частиц и нагрев газа в резонаторе. Покззано, что по своим удельным энергетическим характеристикам данный тип лазера сравним с обычным С02-ГДЛ с к= 10,6 мкм.

5. Впервые исследованы пространственная структура, спектральный состав и поляризационные свойства излучения суперлюминесцентных лазеров на самоограниченных переходах газов и паров металлов (Ne, TI, Pb). Установлено, что наряду с проявлениями стохастических свойств СЛ, таких как наличие пространственной спекл-струюуры излучения, при определённых условиях в безрезонаторном СЛ-лазере формируются пучки с высокой степенью когерентности. Показано, что в результате каналирования пучков СЛ в радиально-неоднородной усиливающей среде (активный волновод) достигается полная пространственная когерентность пучка. Впервые экспериментально обнаружена и исследована квазирегулярная модовая структура спектра СЛ. С помощью СЛ-лазера на неоне впервые наблюдались эффекты когерентного взаимодействия коротких световых импульсов в газовой усиливающей среде.

6. Обнаружено наличие специфической поляризации СЛ в неоднородной анизотропно-усиливающей среде сильноточного газового разряда, происхождение которой связано с зеемановским расщеплением линии усиления в собственном магнитном поле разряда. Выполненный теоретический анализ этого явления исходит из представления о модах поляризованной СЛ, характеризующихся сложным распределением амплитуды и фазы компонент в поперечном сечении пучка. Экспериментально выделена низшая мода анизотропного активного канала в СЛ лазере на неоне. Показано, что нелинейность усиления приводит к качественным изменениям указанных мод.

7. Исследованы явления оптической неустойчивости и условия возникновения автомодуляции излучения в пространственно-неоднородных лазерных системах с движущейся активной средой в условиях стационарного возбуждения. Определены границы областей существования различных динамических режимов генерации и исследованы их характеристики. Проанализирована связь механизмов возникновения неустойчивости с наличием пространственных градиентов параметров системы в направлении потока, в том числе неоднородного распределения скорости накачки. Показано, что светодинамические явления такого рода могут быть использованы для создания принципиально новых высокоэффективных методов управления временными характеристиками излучения лазеров с движущейся средой, в том числе газодинамических и быстропроточных технологических лазеров.

Цитируемая литература

1*. Rigrod W.W. Gain saturation and laser output power. // J.Appl. Phys., 1963, v.34, №9, p.2602-2609.

2*. Rigrod W.W. Saturation effects in high-gain lasers. // J.Appl. Phys., 1965, v.36, №89, p.2487-2490

3*. Методы расчёта оптических квантовых генераторов, т.1. Под ред. Б.И.Степанова, Минск, 1966,454с.

4*. Папуловский В.Ф. Насыщение в молекулярных системах. // Оптика и спектроскопия, 1974, т.37, №2, с.246-249.

5*. Короленко П.В., Макаров В.Г. О кинетике вращательного обмена в молекулярном лазере. // Журн. прикладной спектроскопии, 1981, т.34, №6, с.980-987.

6*. Fox A.G., Li Т. Effect of gain saturation on the oscillating modes of optical masers. //IEEE J.Quant.EI., 1966, v.2, №12, p.774-783.

7*. Smith D.C., McCoy J.H. Effects of diffusion on the saturation intencity of a COj-laser. //Appl.Phys.Lett, 1969, v. 15^9, p.282-284.

8*. Christensen C.P., Freed C., Haws H.A. Gain saturation and diffusion in C02 lasers, //IEEE J.QuantEl., 1969, v.5/6, p.276-283.

9*. Shirahata H., Nakao S. Characteristics of small-signal gain and saturation intensity inC0.2 waveguide lasers. //Japan J. Appl. Phys., 1978, v.17,a'7, p.1255-1261.

10*. Григорьянц B.B., Кузяков Б.А., Синицын A.M. Параметр насыщения волноводного СОг-лазера. //Квантовая электроника, 1979, т.6, №4, с.759-764.

И*. Cool Т.A. Power and gain characteristics of high speed flow lasers. //J. Appl. Phys., 1969, v.40, p.3563-3573.

12*. Генералов НА., Козлов Г.И., Селезнёва HJC. Расчёт характеристик газодинамического лазера. //Журн.прикл.мех. и техн.физики, 1972, №5, с.33-48.

13*. Веденов А.А., Напартович А.П. Теория быстропроточного газового лазера. // Теплофизика высоких температур, 1974, т.12, №5, с.952-956.

14*. Напартович А.П., Шарков В.Ф. К расчёту мощности газодинамического СОг-лазера. // Теплофизика высоких температур, 1974, т.12, №3, с.659-660.

15*. Микаэлян A.JI., Минаев В.П., Обод Ю.А., Турков Ю.Г. О характеристиках лазера на двуокиси углерода с поперечной прокачкой, работающего в режиме усиления.// Квантовая электроника, 1974, т.1, №5, с.1175-1179.

16*. Лосев С.А., Макаров В.Н. Многофакторная оптимизация газодинамического лазера. // Квантовая электроника, 1976, т.З, с.960-968.

17*. Конюхов В.К. Газодинамические СО2-лазеры. //Квантовая электроника, 1977, т.4, №5, с.1014-1022.

18*. Троицкий Ю.В. Оптимальная нагрузка и характеристики насыщения инфракрасного гелий-неонового лазера. // Журн.прикладной спектроскопии, 1965, т.2, №1, с.32-36.

19*. Быкова О.Г., Лебедева В.В., Быкова Н.Г., Петухов А.В. Свойства нелинейных трёхуровневых резонансов при произвольных соотношсли-ях однородной и неоднородной ширин переходов. //Оптика и спектроскопия, 1982, т.53, №1,с.171.

20*. Быкова Н.Г., Гринь Л.Е., Лебедева В.В., Седельникова А.Э. Узкий пик в центре допплеровски уширенной линии, возникающий при действии сильной стоячей волны на смежном переходе. // Оптика и спектроскопия, 1988, т.64, №6, с.2216.

21*. Parks J.H., Javan A. Collision-induced transitions within exited levels of neon. //Phys. Rev, 1965, v.139//5A, p.1351-1358.

22*. Каслин B.M., Петраш Г.Г., Хайкин A.C. К исследованию процессов столкновений с участием возбужденных атомов неона в гелий-неоновом лазере. //Оптика и спектроскопия, 1967, т.23, №1, с.28-32.

23*. Browne P.G., Dunn М.Н. Perturbation spectroscopy of the He-Cd laser discharge. //J. Phys B: Atom. Molec. Phys., 1974, v. 7//10, p.l 113-1121.

24*. Веденеев A.A., Волков А.Ю., Демин АЛ. и др. Газодинамический лазер с тепловой нака-псой на переходах между деформационной и симметричной модами СО2. //Письма в ЖТФ, 1978, т.4, вып.11, с.681-684.

25*. Баранов А.Н., Волков А.Ю., Демин А.И., Кудрявцев Е.М. Электрогазодинамический лазер на переходах между уровнями спаренных мод молекулы СО2. //Квантовая электроника, 1984, т. 12, с.2202-2203.

26*. Ликальтер А.А. О колебательном распределении многоатомных молекул. //Журн.прикл.мех. и техн.фкзики, 1976, №4, с.3-10.

27*. Ликальтер А.А. Лазер на переходах между уровнями спаренных мод С02. //Квантовая электроника, 1975, т.2, с.2399-2402.

28*. Конев Ю.Б. Возможность стационарной и квазистационарной генерации газоразрядного СОг-лазера при частичной инверсии на длине волны 16 мкм.//Письма в ЖТФ, 1978, т.4, вып.11,с.677-681.

29*. Конюхов В.К., Файзулаев В.Н. К возможности создания газодинамического лазера на переходах между уровнями спаренных мод С02. //Квантовая электроника, 1978, т. 5, №12, с.2620-2622.

30*. Гордиец Б.Ф., Осипов А.И., Шелепин Л.А. Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры. - М.: Наука, 19S0, 512 с.

31*.Brunne M., Zielincki A., Milewski J., Volkov A.Yu., Demin А.1., Kudriavtsev E.M. Simplified calculations for prediction of parameters of 18.4-mcm C02 continuous-wave gasdynamic lasers. //J.Appl.Phys., 1981, v.52, №1, p.74-86.

32*. Веденеев A.A., Волков А.Ю., Гоменюк Ю.В., Демин А.И., Кудрявцев Е.М., Полуян В.П. Теоретическое и экспериментальное исследование газодинамического лазера с тепловой накачкой на смеси С02-Аг (Хе) с длиной волны генерации 18,4 мкм. Препринт ФИАН, 1979, №120, 50с.

33*. Конюхов В.К., Файзулаев В.Н. О релаксации энергии ангармонических осцилляторов и спаренных мод молекул С02. Препринт ФИАН 1981, №89.

34*. Файзулаев В.Н. Токовая модель колебательной релаксации двухатомных молекул. Препринт ИОФАН №241, М, 25 е., 1984.

35*. Исламов Р.Щ., Конев Ю.Б., Липатов Н.И., Пашинин П.П. Теоретическое исследование характеристик активной среды на переходах между уровнями симметричной и деформационной мод С02 при тепловой накачке. Препринт ФИАН, №113. М, 1982,35 с.

36*. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1976 г., 888 с.

37*. Бирюков A.C., Шелепин Л .А. Кинетика физических процессов в газодинамических лазерах. Влияние формы сопла на инверсию. //ЖТФ, 1974, т.44, в.6, С.1232.

38*. Фоменко Л.А. Взаимодействие колебательно-неравновесного утлеки-. слого газа с резонансным излучением на переходах между уровнями связанных мод СО* Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук. М., - 1986.

39*. Осипов А.И., Панчекко ВЛЛепловыс эффекты при взаимодействии лазерного излучения с молекулярными газами. М.: Московский университет,- 1983.-И 7 с.

40*. Jacobs R.R., Thomas S.J., Pettipence K.J. J-dependence rotational relaxation in the C02 00°1 vibrational level. //IEEE Joum.Quant.El.,1974, v.QE-10, №5, p.480-485.

41*. Гноенский Л.С., Каменский Г.А., Зльсгольц Л.Э. Математические основы теории управляемых систем. - М.: Наука, 1969,512 с.

42*. Leonard D.A., Zinky W.H. Coherence properties of the superradiant 5401A pulsed neon laser. //J.Appl.Phys.Lett., 1968, v.12, p.l 13.

43*. Касымджанов M. А. Некоторые свойства стимулированного излучения импульсного ультрафиолетового М2-лазера с поперечным разрядом. //Вестник МГУ, сер.З-физика, астрономия, 1970, №1, с.83-86.

44*. Арутюнян А.Г., Ахманов С.А., Голяев Ю.Д., Тункин В.Г., Чиркин A.C. Пространственные корреляционные функции поля и интенсивности лазерного излучения.// ЖЭТФ, 1973,т.64, вып.5, с. 1511-1526.

45*. Беспалов В.И., Пасманик Г.В. О пространственной когерентности шумового излучения в активных каналах. Доклады АН СССР, 1973, т.210, №2, с.309-311.

46*. Ищенко В.Н., Лисицын В.Н., Ражев A.M., Раутиан С.Г., Шалагин A.M. О расщеплении линий излучения импульсных лазеров на сверхсветимости. // Письма в ЖЭТФ, 1974, т. 19, вып.11, с.669-672.

47*. Емельянов В.И., Климонтович Ю.Л. Временная эволюция и тонкая структура сверхизлучения Дике и сверхсветимости в системе двухуровневых атомов.// Оптика и спектроскопия, 1976, т.41, вып.б, с.913-919.

48*. Клюкач И.Л., Соколовский Р.И. Структура спектров суперлюминес-ценции.//ЖЭТФ, 1976, т.71, вып.2, с.424-432.

49*. Черноброд Б.М. Субструктура линии стационарной суперлюмикес-ценции, обусловленная процессами четырёхволнового взаимодействия. // Оптика и спектроскопия, 1989, т.67, вып.б, с. 1299-1303.

50*. Петраш Г.Г. Импульсные газоразрядные лазеры.//УФН, 1971, т.105, вып.4, с. 645-676.

51 *. Абросимов Г.В. Пространственная и временная когерентность излучения импульсных лазеров на неоне и парах таллия.//0птика и спектроскопия, 1971, т.31, вып.1, с.106-110.

52*. Абдуллин У.А., Горшков В.А., Клюкач И.Л., Ляхов Г.А., Орлов Р.Ю., Телегин А.С. Формирование пространственной когерентности супер-люминесцинции в диспергирующей среде.// Квантовая электроника, 1975, т.2., № 5, с.967-974.

53*. Peters G.I., Allen L. Amplified spontaneous emission IV. Beam divergence and spatial coherence. //J.Phys.A:Gen. Physics, 1972, v.5, p.546-554.

54*. Yariv A., Leite R.C. Superradiant narrowing in fluorescence radiation of inverted population. //J.Appl.Phys.Lett, 1963, v.34, №11, p.3410-3411.

55*. Casperson A.W., Yariv A. Spectral narrowing in high gainlasers. //IEEE Journ.Quant.El.,1972, v.QE-8, №1, p.80-85.

56*. Морозова E.A., Соколовская А.И., Сущинский M.M. Тонкая структура линий ВКР света в веществах с малыми постоянными Керра.// ЖЭТФ, 1973, т .65, с.2161-2166.

57*. Хакен Г. Лазерная светодинамика. - М.: Мир, 1988,308 с.

58*. Дрейзнн Ю.А., Дыхне А.М. Автоколебательная неустойчивость генерации быстропроточных лазеров, использующих неустойчивые резонаторы. // Письма в ЖЭТФ, 1974, т.19, №12, с.719-722.

59*. Yoder M.J., Ahouse D.R. Output flux instabilities in a flowing gas CW • C02 electric discharge laser. //J.Appl.Phys.Lett., 1975, v.27, №12, p.673-675.

60*. Артамонов A.B., Наумов В.Г. Особенности генерации быстропроточ-ного С02-лазера с поперечной прокачкой. //Квантовая электроника, 1977, т.4, №1, с.178-180.

61*. Лиханский В.В., Напартович А.П. О динамике излучения быстропро-точных С02-лазеров с неустойчивыми резонаторами. П Изв.АН СССР, сер.физ., 19В1, т.45, №2, с.399-402.

62*. Alme M.L. Temporal oscillations in the output from a gas-dynamic laser with an unstable resonator. //J.Appl.Phys.Lett., 1976, v.29, №1, p.35-37.

63*. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблемы расходимости лазерного излучения. - М.: Наука, 1979, 343с.

64*. Smithers М.Е. Laser resonators with nonuniform gain and magnification. //Appl.Optics, 1986, v.25, J61, p.l 18-122.

Список работ по теме диссертации

1. Королёв Ф.А., Одинцов А.И., Мицай В.Н. Исследование некоторых характеристик гелий-неонового лазера. //Оптика и спектроскопия, т. 19, вып. 1,с.71-77.1965 г.

2. Одинцов А.И., Лебедева В.В., Куратов Ю.В. Насыщение усиления в аргоновом лазере непрерывного действия. //Журнал прикладной спектроскопии, т.6, Na 5, с.598-601. 1967 г.

3. Одинцов А.И., Лебедева В.В., Сауткин В.А. Насыщение усиления линий 4880, 4765 и 5145 А в ионном аргоновом ОКГ. //Журнал прикладной спектроскопии, т.7, № 5, с.754-756.1967 г.

4. Лебедева В.В., Одинцов А.И., Салимов В.М. Исследование условий возбуждения линий генерации в ионном аргоновом лазере. //Радиотехника и электроника, т.13, № 4, с.751-754. 1968 г.

5. Лебедева В.В., Одинцов А.И., Абросимов Г.В. Насыщение усиления в одночастотном аргоновом лазере. //Радиотехника и электроника, т. 13, № 4, с.746-748. 1968 г.

6. Лебедева В.В., Одинцов А.И., Салимов В.М. Флуктуации частотного состава излучения аргонового ОКГ. //Журнал технической физики, т.38, Лг2 8, с.1373-1377. 1968 г.

7. Лебедева В.В., Одинцов А.И., Келов К. Об устойчивости гауссовского пучка в неоднородно усиливающей среде. //Оптика и спектроскошгяя, т.25, вып.3, с.436-438. 1968 г.

8. Одинцов А.И., Лебедева В.В., Шафрановсхая Й.В. Влияние пространственной неоднородности поля лазера на насыщение усиления. //Журнал технической физики. Т.39, вып.5, с.379-884. 1969 г.

9. Королёв Ф.А., Одинцов А.И., Лебедева В.В., Петкова С.С., Маштаков Д.М. Заселённости рабочих уровней в аргоновом лазере. //Журнал прикладной спектроскопии. Т.11, № 2, с.351-354.1969 г.

Ю.Королёв Ф.А., Лебедева В.В., Одинцов А.И., Салимов В.М. Экспериментальное определение времён жизни нижних рабочих уровней аргонового лазера. //Радиотехника и электроника, т.14, № 3, с.1519-1521. 1969 г.

11 .Китаева В.Ф., Одинцов А.И., Соболев H.H. Ионные аргоновые оптические квантовые генераторы непрерывного действия. //Успехи физических наук, т.99, вып.З, с.361-416.1969 г.

12.Лебедева В.В., Маштаков Д.М., Одинцов А.И. О роли многоступенчатого возбуждения рабочих уровней в аргоновом лазере. //Оптика и спектроскопия, т.28, вып.2, с.350-352.1970 г.

13.Belyaiev V.P., Burmakin V.A., Evtyunin A.N., Korolyev F.A., Lebedeva V.V., Odintsov A.I. High power single frequency ion Ar laser. //IEEE Joum.Quant.Electr. v.5, № 12, p.589. 1969.

М.Королёв Ф.А., Абросимов Г.В., Одинцов А.И., .Якунин В.П. Тонкая структура спектра сверхизлучения в импульсном лазере на неоне. //Оптика и спектроскопия, т.28, вып.З, с.540-542. 1970 г.

15.Лебедева В.В., Маштаков Д.М., Одинцов А.И. О насыщении инверсии в ионном аргоновом ОКГ при больших плотностях тока. //Журнал прикладкой спектроскопии, т.12, № 5, с.934-936.1970 г.

16.0динцов А.И. Расчёт мощности генерации газового ОКГ с учётом обмена энергией между уровнями. //Вестник МГУ, сер.З - физика, астрономия, № 4, с.391-399.1970 г.

17.Беляев В.П., Бурмакин В.А., Евтюнин А.Н., Королёв Ф.А., Лебедева В.В., Одинцов А.И. Одночастотный ионный аргоновый ОКГ большой мощности. //Журнал прикладной спектроскопии, т.13, № 2, с.233-236. 1970 г.

18.Георгиева И.И., Лебедева В.В., Одинцов А.И. О влиянии магнитного поля на насыщение усиления в аргоновом лазере непрерывного действия. //Журнал прикладной спектроскопии, т.15, № 6, с.1094-1097. 1971 г.

19.Бурмакин В.А., Королёв Ф.А., Лебедева В.В., Одинцов А.И., Салимов В.М., Синица Л.Н. Об одной возможности абсолютной стабилизации частоты аргонового ионного оптического квантового генератора в магнитном поле. //Радиотехника и электроника, т.16, № 7, с.1292-1296. 1971г.

20.Королёв Ф.А., Лебедева В.В., Новик А.Е., Одинцов А.И. Экспериментальное определение радиационных времён жизни резонансных уровней Aril и КтП. //Оптика и спектроскопия, т.ЗЗ, вып.4, с.788-791.1972 г.

21.Королёв Ф.А., Абросимов Г .В., Одинцов А.И. Влияние условий возбуждения на когерентные характеристики импульсного сверхизлучения неона. //Оптика и спектроскопия, т.ЗЗ, вып.4, с.725-728.1972 г.

22.Королёв Ф.А., Карталёва С.С., Одинцов А.И., Дмитриева Е.А. Влияние лазерного поля на контур линии усиления смежного перехода в аргоновом ОКГ. //Журнал прикладной спектроскопии, т.17, № 6, с.980-983. 1972 г.

23 .Королёв Ф.А., Одинцов А.И., Салимов В.М. Частотный спектр и самосинхронизация мод в аргоновом лазере. //Радиотехника и электроника, т.18, № 1, с.209-211.1973 г.

24.Абросимоа Г.В., Андреев Н.Г., Одинцов А.И. Исследование импульсного сверхизлучекия паров талия. //Вестник МГУ, сер.З - физика, астрономия, № 3, с.31-35.1973 г.

25.0динцов А.И., Якунин В.П. Наблюдение самоиндуцированного пропускания в парах таллия. /ЛГезисы докл. I Симпозиума по световому эхо, Казань, 1973 г. с.8.

26.0динцов А.И., Якунин В.П. Наблюдение эффектов когерентного взаимодействия при усилении коротких световых импульсов в неоне. Письма в ЖЭТФ, т.20, вып.4, с.233-235. 1974 г.

27.Королёв Ф.А., Феофилактова Т.В., Одинцов А.И., Калиновская Н.И. Исследование некоторых характеристик гелий-кадмиевого лазера. //Оптика и спектроскопия, т.37, вып.6, c.l 166-1168. 1974 г.

28.Королёв Ф.А., Одинцов А.И., Туркин Н.Г., Якунин В.П. О спектральной структуре линий импульсного сверхизлучения газов. //Квантовая электроника, т.2, № 2, с.413-417. 1975 г.

29.0динцов А.И., Туркин Н.Г., Якунин В.П. Пространственная когерентность и угловая расходимость импульсного сверхизлучения неона. //Оптика и спектроскопия, т.38, вып.З, с.428-431. 1975 г.

ЗО.Королёв Ф.А., Одинцов А.И., Феофилактова Т.В. Параметры активной среды Не-СсГ лазера. //Журнал прикладной спектроскопии, т.23, вып.5, с.799-803.1975 г.

31.Одинцов А.И., Федосеев А.И., Баканов Д.Г. Газодинамический лазер с нагревом рабочего вещества импульсным электродуговым разрядом. //Письма в ЖТФ, т.2, вып.4, с.145. 1976 г.

32.Короленко П.В., Одинцов А.И., Саркаров Н.Э. Влияние пространственного распределения поля и усиливающей среды на энергетические характеристики газового лазера. //Квантовая электроника, т,4, № 1, с.166-168. 1977 г.

33.Королёв Ф.А., Одинцов А.И., Халед Сусу. Исследование распределения поля и пространственной когерентности сверхизлучения на переходе Х.=3,39 мкм в лазере на смеси He-Ne. //Вестник МГУ, сер.З - физика, астрономия, № 2, с.43-47.1977 г.

34.Короленко П.В., Одинцов А.И., Саркаров Н.Э. Оптимизация параметров резонатора ОКГ с радиально-неоднородной активной средой. //Тезисы доклада на I Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1977., с.205-207.

35.0динцов А.И., Туркин Н.Г., Якунин В.П. Поляризация суперлюминесценции в анизотропно-усиливающей среде. //Письма в ЖТФ, т.4, вып.З, с.153-157. 1978 г.

36.Гринь Л.Е., Лебедева В.В., Одинцов А.И., Белозерцева Л.Б. Наблюдение узкого резонанса внутри естественной ширины линии на связанных переходах аргонового лазера. //Тезисы докл. на IX Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике, Ленинград, 1978 г., часть 1, с.52.

37,Одинцов А.И., Соколовский Р.И., Якунин В.П. Поляризационные свойства суперлюминесценции газов в сильноточном разряде. //Тезисы докл. на IX Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике, Ленинград, 1978 г., часть 1, с.51.

38.0динцов А.И., Соколовский Р.И., Рубан П.И., Туркин Н.Г., Якунин В.П. Когерентные и статистические характеристики импульсной суперлюминесценции газов. //Тезисы докл. I Всесоюзной конференции "Проблемы управления параметрами лазерного излучения", Ташкент, 1978 г., ч.2, с.23-27.

39.0dintsov .A.I., Yakunin V.P. Polarization characteristics of the superluminescent radiation of the atoms in high-current discharge. //Abstracts of the МП National Conférence on Atomic Spectroscopy with international participation, September 1978, Varna, Bulgaria, p.82.

40.Баканов Д.Г., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Применение комбинационного рассеяния света для определения колебательных заселённостей уровней азота в неравновесном газодинамическом потоке. //Вестник Московского университета, сер.З - физика, астрономия, т.20, № 2, 1979, с. 46-50.

41.Одинцов А.И., Соколовский Р.И., Якунин В.П. Поляризационные свойства суперлюмкнесценции газов в сильноточном разряде. //Изе.АН СССР, серия физ., т.43, № 2, с.255-259,1979 г.

42.Баканов Д.Г., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Оптимизация резонатора газодинамического лазера. //Квантовая электроника, т.б, Ï&5, с.1019-1025,1979 г.

43..Королев Ф.А, Баканов Д.Г., Баранов А.Н., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Экспериментальное исследование характеристик газодинамического С02-лазера смесительного типа. //'Вестник Московского университета, сер.З - физика, астрономия, т.21, № 5, 1980, с.36-41.

44.Баканов ДГ., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Способ измерения скорости газового потока. //Авт.свидетельство № 795177,08.09.1980 г.

45.Баканов Д.Г., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Насыщение усиления в движущейся активной среде. //Журнал прикладной спектроскопии, т. 34, вып.4,1981, с.630-634.

46.Баканов ДГ., Веденеев А.А., Волков А.Ю., Дёмин А.И., Инфимовская А.А., Кудрявцев Е.М., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Генерация на длине волны 18,4 мкм в газодинамическом С02-лазере с электродуговым нагревом.//Квантовая электроника,т.8,№6,с.1312-1315,1981 г.

47.Баканов Д.Г., Инфимовская А.А., Корниенко Л.С., Одинцов А.И., Прохоров А.М., Федосеев А.И., Шзрков В.Ф. Генерация в диапазоне длин волн 16,8-17,2 мкм в газодинамическом С02-лазерг. //Письма в ЖТФ, т.7, в.13, с.802-805,1981 г.

48.Баканов Д.Г., Веденеев А.А., Волков А.Ю., Дёмин А.И., Кудрявцев Е.М., Спажакин В.А., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Газодинамический лазер с тепловой накачкой на переходах между уровнями мод V] и v2, излучающий в диапазоне 16,4-17,2 мкм. //Квантовая электроника, т.8, №7, с.1570-1572,1981г.

49.Бзканов Д.Г., Веденеев А.А., Волков А.Ю., Дёмин А.И., Кудрявцев Е.М., Спажакин В.А., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Газодинамический лазер с тепловой накачкой на переходах между уровнями мод v, и v2, излучающий в диапазоне 16,4-17,2 мкм. // Препринт ФИАН, № 128, 1981 г.

50.Баканов Д.Г., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Расчёт оптимальных параметров резонатора ГДЛ по заданным характеристикам потока. //Вестник МГУ, сер.З - физика, астрономия, т.22, № 6, с.13-17,1981 г.

51.Bakanov D.G., Demin A.I., Fedoseev A.I., Koudriavtsev E.M., Odintsov A.I., Sharkov V.F. Volkov A.Y. Quasi CW and CW performance of arc-heated gas dynamic CO2 laser on coupled mode transitions. //Book of abstracts of the VIII Intern. Coll. on gasdynamics of explosions, Minsk-

1981, p.147.

52.Домнина H.A., Одинцов А.И., Соколовский Р.И., Туркин Н.Г. Одномо-довая суперлюминесценция газа в сильноточном разряде. //Письма в ЖТФ, т.8, № 8, с.445-459,1982 г.

53.0дннцов А.И., Спажакин В.А. Влияние диффузии на насыщение усиления в газовых активных средах. //Квантовая электроника, т.9, № 8, с.1708-1710,1982 г.

54.Баканов Д.Г., Веденеев А.А., Волков А.Ю., Демин А.И., Кудрявцев Е.М., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Способ получения лазерной генерации н устройство для его осуществления. //Авторское свидетельство №959594 от 14.05.82 г.

55.Киреев С.Е., Одинцов А.И., Туркин Н.Г., Якунин В.П. Генерация в резонаторе с ОВФ зеркалом при четырёхволновом взаимодействии в парах Си. //Тезисы докл. Ш Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 4-8 января 1982 г., с.277.

56.Lebedeva V.V., Odintsov A.I. The Plasma Diagnostic with the use of the broadening of nonlinear resonances in three-level spectroscopy.//Vl European Sectional Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionised Gases. /ESCAMPIG-82/, Oxford, England, 1-3 Sept.1982, Abstracts, v.6D, p.71-72.

57.Баканов Д.Г., Корниенко Л.С., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Одновременная квазистационарная генерация на переходах 10,6 и 18,4 мкм в газодинамическом С02- лазере. //Журнал прикладной спектроскопии, т.37, вып.2, с.233-236,1982 г.

; 58.Bakanov D.G., Volkov A.Y., Demin A.I., Koudriavtsev E.M., Odintsov A.I., Sobolev N.N., Fedoseev. A.I Laser action on the transition ?.=18.4 fim of CO2 molecule in the various GDL mixture. //Appl. Phys.,v.B-28 № 2, p.288,

1982.

59.Баканов Д.Г., Куликов A.O., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Новые лазерные переходы в молекуле СО2. //Тезисы докл. На XI Всесо-

юзи.конференции по когерентной и нелинейной оптике, Ереван, ноябрь 1982 г., 4.1, с-43.

60.Корниенко JI.C., Одинцов А.И., Спажакин В.А., Стёпина С.А., Хапаев A.M. Параметр насыщения усиливающей среды с диффузией частиц. //Журнал прикладной спектроскопии, т.38, № 5, с.857-859,1983 г.

61.Bakanov D.G., Derain A.I., Fedoseev A.I., Koudriavtsev E.M., Odintsov

A.I., Sharkov V.F., Volkov A.Y. Operation of arc-heated gasdynamic CO2 laser at 16.4 - 18.4 pm. //Progress in Astronautics and Aeronautics, v.88, Flames, lasers and reactive systems. Published by AIAA inc., N.Y., 1983, p. 425.

62.3ароелова O.C., Карталёва C.C., Лебедева B.B., Одинцов А.И. Исследование слабых нелинейных резонансов в трёхуровневой системе Aril. //Журнал прикладкой спектроскопии, т.38, № 3, с.485-488, 1983 г.

63.Баканов Д.Г., Куликов А.О., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Шарков

B.Ф. Особенности насыщения в быстропроточных С02 лазерах. //Препринт ИАЭ им. И.В.Курчатова, №3684/12, М., 1982 г.

64.Баканов Д.Г., Куликов А.О., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Генерация на переходах между высоколежащими уровнями симметричной и деформационной мод молекулы С02 //Письма в ЖТФ, т.9, в.5, с.273,1983 г,

65.Bakanov D.G., Fedoseev A.I., Kulikov А.О., Odintsov A.I. Laser action in spectral range 16.4-21.2 fmi. //Proceedings of the 7-th Int. Conf. on infrared and millimeter waves, Marseille, France, 14-18 Febr.1983, p.256.

66.Куликов A.O., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Фоменко Л.А. Энергетические и спектральные характеристики длинноволнового С02-ГДЛ. В сб. Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах, под ред. Прохорова А.М., Изд-во МГУ, 1984, с.74-76.

67.Исламов Р.Ш., Конев Ю.Б., Куликов А.О., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Шарков В.Ф. Энергетические характеристики ГДЛ на переходах между уровнями симметричной и деформационной мод молекулы С02. //Квантовая электроника, т. 11, N 3, с. 551-558,1984 г.

68.Fedoseev A.I., Fomenko L.A., Kulikov А.О., Odintsov A.I. Characteristics of the gasdynamic COr laser in the range 16.4-21.2 jim. //Proceedings of the9-th Int. Conf. on infrared and millimeter waves, Takarazuka, Japan, Oct. 22-26 1984, p.353.

69.Домнина H.A., Одинцов А.И. Поляризационные характеристики излучения инвертированного газа при большом коэффициенте усиления в сильноточном разряде.//Тезисы докл. I Всесоюзной конференции "Теоретическая и прикладная оптика", Ленинград, 1984 г., с.63.

70.0динцов А.И., Федосеев А.И., Фоменко Л.А.Кинетическое охлаждение газа при оптической накачке связанных мод С02 //Журнал прикладной спектроскопии, т.42, № 3, с.383-389, 1985 г.,

71.Бельдюгин И.М., Золотарёв М.В., Киреев С.Е., Одинцов А.И. Параметрическая генерация в резонаторе с самонакачивающимся ОВФ зеркалом в парах меди. //Тезисы докл. XII Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике, Москва, 1985 г., ч.2, с.737-738.

72.0динцов А.И., Федосеев А.И. Фоменко Л.А.Числепный анализ колебательной кинетики связанных мод С02. //Вестник Моск. ун-та, сер.З -физика, астрономия, т.27, № 4, с.66-71,1986 г.

73.Киреев С.Е., Одинцов А.И., Туркин Н.Г., Якунин В.П. Лазер на парах меди с наведённым в активной среде ОВФ-зеркалом. //Квантовая электроника, т.13, № 4, с. 866-868, 1986 г.

74.Вращательная структура спектров генерации газодинамического С02 -лазера. Тезисы докладов II Всесоюзной конференции Теоретическая и прикладная оптика", Ленинград, 1986 г., с.149-150.

75.Бельдюгин И.М., Золотарёв М.В., Киреев С.Е., Одинцов А.И. Лазер на парах меди с самонакачивающимся ОВФ-зеркалом. //Квантовая электроника, т. 13, № 4, с.825-827, 1986 г.

76.Домнина H.A., Одинцов А.И. Дифракционные моды в пространственно-неоднородной анизотропной среде. //Тезисы докл. П Всесоюзной конференции "Теоретическая и прикладная оптика", Ленинград, 1986 г., с.34.

77. Одинцов А.И., Федосеев А.И. Фоменко Л.А. Оптимизация условий съема энергии с активной среды С02-ГДЛ на связанных модах. // В сб. "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах" под ред. А.М.Прохорова, Изд-во МГУ, 1986 г., с.66-67.

78.0динцов А.И., Федосеев А.И. Фоменко Л.А. Влияние вращательной релаксации на спектры генерации длинноволнового С02-ГДЛ. //В сб. "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах" под ред. А.М.Прохорова, Изд-во МГУ, 1986 г., с.64-66.

79.Баканов Д.Г., Иванова О.Ю., Куликов А.О., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Спектр длинноволновой генерации газодинамического СО^-лазера. // Журнал прикладной спектроскопии, т.46, № 2, с.218-222,1987 г.

80.Киреев С.Е., Лебедева В.В., Одинцов А.И., Соколовский Р.И., Туркин Н.Г. Модовая спектральная структура импульсного излучения лазера на парах меди. //Вестник МГУ, сер.З - физика, астрономия, т.29, № 3, с.45-50, 1988г.

81.Головина Л.Ф., Домнина H.A., Одинцов А.И. Амплитудно-фазовые характеристики поляризованной суперлюминесценции в анизотропной усиливающей среде. //Тезисы докл. Ш Всесоюзной конференции "Теоретическая и прикладная оптика", Ленинград, 1988 г., с. 143-144.

82.Баканов Д.Г., Иванова О.Ю., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Длинноволновый С02-ГДЛ в режиме модуляции добротности. Тезисы докладов IV

Всесоюзной конференции "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах" Москва - 1988, Изд-во МГУ, с.212-213.

83 .Одинцов А.И., Федосеев А.И., Фоменко Л.А. Оптимизация условий съёма энергии в С02-ГДЛ на связанных модах. //Квантовая электроника, т. 15, № 5, с.915-921,1988 г.

84.Домнина H.A., Лебедева В.В., Одинцов А.И., Соколовский Р.И. Поле излучения суперлюминесцентного лазера. //Оптика и спектроскопия, т.69, в.З, с.684-687,1989 г.

85.Домнина H.A., Лебедева В.В., Одинцов А.И., Соколовский Р.И. Влияние насыщения на структуру поля суперлюминесценции в анизотропно усиливающей среде. //Вестник МГУ, сер.З - физика, астрономия, т.ЗО, № 6, с.35-39, 1989.

86.Васильев А.Б., Одинцов А.И., Спажакин В.А. Диагностика среды генерирующего СО*-лазера по коэффициентам усиления на переходах 10,4 и 9,4 мкм.// Квантовая электроника, т. 16, №9, с. 1806-1812, 1989 г.

87.Иванова О.Ю., Кутузов O.A., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Шудьга А.Г. Определение населённостей колебательных уровней и температуры газа по коэффицентам усиления на переходов COz-ГДЛ на связанных модах. //Журнал прикладной спектроскопии, т. 52, вып.6, с.949-954,1990.

88.Баранов А.Н., Николаева О.Ю., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Туркин Н.Г. Способ получения импульсно-периодического лазерного излучения. //Патент РФ по заявке № 4920764/25 (024034) от 20.03.1991 г. Решение НИИГПЭ от 06.03.1992 г.

89.Баранов А.Н., Николаева О.Ю., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Туркин Н.Г. Импульсно-периодический лазер с прокачкой рабочей среды. //Патент РФ по заявке № 4920763/25 (02433) от 20.03.91 г. Решение НИИГПЭ от 06.03.1992 г.

90.Баранов А.Н., Иванова О.Ю.. Одинцов А.И., Федосеев А.И.Окределение населённостей рабочих уровней в длинноволновом СОгГДЯ с модуляцией добротности. //Вестник МГУ, сер.З - физика, астрономия, т.32, № 3, с.бб, 1991 г.

91.Баранов А.Н., Николаева О.Ю., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Автомодуляционный режим генерации в лазерах с поперечной прокачкой рабочего вещества. //Квантовая электроника, т.20, № 6, с.589-593,1993 г.

92.Баранов А.Н., Николаева О.Ю., Одинцов А.И.. Федосеев А.И., Туркин Н.Г. Способ получения импульсно-периодического лазерного излучения. Российский патент № 2019017, бюлл. №16 от 30.08.94.

93.Баранов АЛ., Николаева О.Ю., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Туркин Н.Г. Импульсно-периодический лазер с прокачкой рабочей среды. //Российский патент № 2019016, бюлл. №16 от 30.08.94.

94.Баранов А.Н., Николаева О.Ю., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Туркин Н.Г. Автомодулированная генерация быстропроточных лазеров с неустойчивым резонатором. //Оптика и спектроскопия, т.78, № 5, с.837-841, 1995 г.

95.Fedoseev A.I., Fedyanovich A.V., Nikolaeva O.Y., Odintsov A.I. Resonator systems providing self-pulsing oscillations in fast flow gas lasers. //PROCEEDINGS OF SPIE, v.2713,p.67-72,1996 r.

96.Николаева О.Ю., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Федянович А.В. Способ получения ипульсно-периодического автомодулированнного лазерного излучения. //Российский патент № 2080717, бюлл. №15,1997 г.

97.Мушенков А.В., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Саркаров Н.Э., Федянович А.В. Динамика генерации быстропроточного лазера с неоднородным возбуждением активной среды в неустойчивом резонаторе. //Квантовая электроника, т. 24, № 5, с.431 - 435,1997 г.

98.Fedoseev A.I., Fedyanovich A.V., Mushenkov A.V., Odintsov A.I., Sharkov . V.F. Non-stationary oscillations in fast-flow gas lasers and new possbili ies of the monitoring of radiation temporal characteristics. //Technical digest of XII Int. Symp. on High Power Gas and Chemical Lasers (GCL/HPL'98), p.96-97 SPB, Russia, 31 aug.- 5 sept 1998.

99.Лоскутов А.Ю., Мушенков A.B., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Шарков В.Ф. Хаотическая генерация в проточном лазере с пространственно-неоднородной накачкой. //Тезисы докладов V Международной школы "ХАОС-98", с.98-99, Саратов, 6-10 октября 1998 г.

100.Fedoseev A.I., Loskutov A.Y., Mushenkov A.V., Odintsov A.I., Sharkov V.F. Non-stationary operation of the fast-flow lasers and new possibilities of controlling the laser output characteristics. //PROCEEDINGS OF SPIE, v. 3574, p.791-797,1999.

Автор выражает глубокую благодарность коллегам по работе за многолетнее плодотворное сотрудничество и взаимопонимание и бывшим своим аспирантам и студентам, которые на разных этапах участвовали в работе и во многом способствовали её выполнению.

Общая характеристика диссертации.

Актуальность темы.

Цель и основные задачи диссертации.

Научная значимость и новизна работы.

Практическая значимость работы.

На защиту выносятся.

Апробация работы.

Объём и структура работы.

1. Закономерности нелинейного насыщения в газовых активных средах.И

1.1. Насыщение в многоуровневых средах.

1.2. Влияние пространственной неоднородности поля и среда и диффузии частиц.'

1.3.Особенности насыщения усиления в движущихся средах. '

1.4. Экспериментальные исследования нелинейного насыщения и диагностика активной среды.

2. Физические процессы генерации излучения в длинноволновом

Ог ГШ! на связанных модах.,.;.„.

2.1. Новые лазерные переходы и диагностика активной среды.23.

2.2. Моделирование физических процессов вГДЛ и оптимизация энергетических характеристик.

3. Формирование спектральных, угловых и поляризационных свойств суперлюминесценции газовых лазеров.,.,.

3.1. Каналкрованяе суперлюминесценции в. радиально-неоднородной усиливающей среде.,.

3.2. Модовая структура спектра суперлюминесценции.АВ

3.3. Поляризованная суперлюминесценция в анизотропно-усиливающей средё.„„.

4. Автомодудированная генерация быстропроточных лазеров и новые возможности управления временными характеристиками излучения.

4.1. Лазерная система генератор-усилитель.¡;.

4.2. Динамика генерации в неустойчивом резонаторе проточного лазера с пространственно-неоднородными характеристиками зеркал и накачки.

Актуальность темы

Появление источников когерентного излучения - лазеров в корне изменило облик современной оптики и ряда смежных областей физики. Возникли новые разделы и направления физики - нелинейная оптика, оптика когерентного излучения, статистическая оптика и другие. Открылись принципиально новые возможности проведения фундаментальных физических экспериментов по взаимодействию сверхсильных световых полей с веществом, лазерному термоядерному синтезу и других.

Особое место среди различных видов лазеров занимают лазеры на газовых активных средах. Многообразие типов газовых лазеров с широкой гаммой свойств и возможностей позволяет решать с их помощью самые разнообразные задачи как в области фундаментальных физических исследований, так и в различных прикладных областях. Газовые лазеры способны давать оптическое излучение с максимально достижимыми в настоящее время стабильностью частоты и пространственной когерентностью, а с другой стороны - с рекордно высокой мощностью. Они находят разнообразные применения в оптической связи и локации, экологии, медицине, технологии обработки материалов (так называемые "технологические лазеры") и во многих других областях современной науки и техники. Целый ряд типов газовых лазеров серийно выпускается промышленностью.

Несмотря на, казалось бы, несопоставимые характеристики газовых лазеров различных типов, их объединяет ряд общих свойств, обусловленных особенностями газовой активной среды. К таким свойствам относятся существенно многоуровневый характер активной среды, столкновитель-ный механизм процессов возбуждения и обмена энергией, относительно узкие спектральные линии, формирующиеся при участии допплеровского уширения, наличие диффузии частиц , а в ряде случаев и направленного движения среды.

Широкий круг разнообразных физических процессов, протекающих в газовых лазерах и определяющих их генерационные характеристики, выделяет физику газовых лазеров в самостоятельную область исследований. Несмотря на важность прикладных аспектов этих исследований, центральное место в них занимают физические проблемы, в то время как лазеры нередко выступают лишь как удобное средство изучения тех или иных физических явлений.

Представленная диссертация является обобщением работ автора по физике газовых лазеров, начатых в 60-е годы вскоре после появления лазеров. В 1963 г. автором был создан один из первых в нашей стране переносных образцов гелий-неонового лазера, который был отмечен серебряной медалью ВДНХ. Выполненные в 1963-1964 г. работы по исследованию модового состава излучения гелий-неонового лазера были одними из первых, в которых получила экспериментальное подтверждение теория оптических резонаторов [1].

В дальнейшем исследования шли параллельно с развитием лазерной техники и появлением новых типов газовых лазеров (ионных аргонового и гелий-кадмиевого, суперлюминесцентных лазеров на газах и парах металлов, газоразрядных и газодинамических ССЬ-лазеров). В этих исследованиях решались актуарные проблемы физики газовых лазеров, касающиеся механизмов их работы, особенностей взаимодействия излучения с газовыми активными средами, оптимизации генерационных характеристик к другие. Многие из решаемых задач были тесно связаны с потребностями отечественной промышленности в освоении этого нового класса приборов. Значительная часть работ выполнялась в сотрудничестве с организациями и предприятиями, занимавшимися разработкой различных типов газовых лазеров, такими как НПО "Исток", ОКБ МЗЭВП, ТРИНИТИ и другие.

В диссертации получили решение фундаментальные вопросы физики газовых лазеров, среди которых установление общих закономерностей нелинейного насыщения усиления в газовых активных средах, выяснение особенностей формирования излучения суперлюминесцентных лазеров, вопросы нелинейной динамики лазеров с движущейся средой и другие. Многие результаты диссертации, в том числе связанные с первыми экспериментальными наблюдениями ряда физических явлений в газовых лазерах, носят приоритетный характер.

Цель и основные задачи диссертации

Цель раооты состояла в комплексном экспериментальном и теоретическом исследовании характеристик нелинейного усиления и генерации излучения в различных типах газовых лазеров, в анализе влияния на их формирование ряда специфических свойств газовых активных сред, таких как многоуровневый характер лазерной кинетики, пространственная неоднородность, движение среды через резонатор, а также в разработке методов диагностики активных сред и оптимизации параметров лазерной генерации.

Основные задачи диссертации включали: • установление закономерностей нелинейного насыщения усиления в активных средах газовых лазеров, характеризующихся многоуровнево-стью, пространственной неоднородностью, наличием диффузии и направленного движения;

1 • экспериментальное исследование характеристик нелинейного насыщения и диагностику параметров активных сред ряда типов газовых лазеров;

• разработку расчётных методов совместной оптимизации параметров активной среды и резонатора для получения максимальной величины съёма энергии;

• исследование многоуровневой колебательной кинетики связанных мод СОг в сильно неравновесных условиях и возможностей получения генерации на новых переходах;

• исследование особенностей формирования поля и когерентных свойств излучения в пространственно-неоднородных и анизотропных средах суперлюшнесцентных лазеров с большим усилением;

• исследование динамики генерации лазеров с движущейся активной средой в различных резонаторных системах и развитие новых методов управления режимами генерации, основанных на использовании нелинейных светодинамических явлений.

Научная значимость и новизна работы

Научная значимость и новизна работы определяются тем, что в ней впервые был решен ряд актуальных и важных для физики газовых лазеров вопросов, связанных с формированием генерационных характеристик и свойств излучения в активных средах газовых лазеров. Исследования были выполнены применительно к ряду важных типов газовых лазеров (ионных аргонового и гелий-кадмиевого, суперлюминесцентных лазеров на газах и парах металлов, газоразрядного и газодинамического С02-лазеров).

В работе были впервые получены следующие основные результаты:

1. На основе развитого теоретического подхода выполнен анализ явлений нелинейного насыщения в газовых активных средах и установлены закономерности насыщения в многоуровневых, пространственно-неоднородных и движущихся средах газовых лазеров различных типов. Полученные теоретические соотношения использованы в расчетах энергетических характеристик лазеров и для их оптимизации.

2. Разработаны методы экспериментальной диагностики активных сред газовых лазеров, основанные на явлениях нелинейного насыщения. Выполнен комплекс экспериментальных исследований нелинейных свойств усиливающей среды ряда типов газовых лазеров, в которых получена важная информация о параметрах сред и механизмах инверсии.

3. Выполнено комплексное исследование длинноволнового газодинамического СОг-лазера на связанных модах, включающее численное моделирование колебательной кинетики, расчеты энергетических характеристик генерации и их оптимизацию, экспериментальную диагностику активной среды, анализ физических факторов ограничения энергосъёма. Экспериментально получена генерация на 8 новых колебательных переходах.

4. Обнаружены и детально исследованы специфические пространственные, спектральные и поляризационные свойства суперлюминесценции газоразрядных лазеров. Выявлены условия формирования пространственной когерентности излучения. Экспериментально получена одномо-довая суперлюминесценция с дифракционной расходимостью в лазере на неоне.

5. Предложен принципиально новый подход к проблеме управления режимами генерации лазеров с движущейся средой, основанный на использовании нелинейных светодинамических явлений. Разработан ряд методов управления временными характеристиками генерации лазеров с движущейся активной средой.

Впервые экспериментально наблюдались новые нелинейные эффекты и явления в газовых усиливающих средах:

• когерентные эффекты при распространений коротких световых импульсов в газовой усиливающей среде (1974);

• нелинейное фарадеевское вращение в газах (1970);

• эффект каналирования световых пучков и формирование одномодовой суперлюминесценции в радиально неоднородной усиливающей среде (1971-1973);

• квазирегулярная модовая структура спектров суперлюминесценции (1969);

• поляризация суперлюминесценции в сильноточном газовом разряде (1978);

• новые колебательные лазерные переходы в молекуле СОг (8 переходов) (1983);

• узкие трёхуровневые нелинейные резонансы в усиливающей среде аргонового лазера (1971);

Полученные в диссертации результаты вносят существенный вклад в развитие физических представлений о механизмах работы газовых лазеров, особенностях взаимодействия излучения с газовыми активными средами и закономерностях формирования генерационных характеристик газовых лазеров.

Практическая значимость работы определяется тем, что развитые в ней подходы и результаты исследований могут быть использованы для дальнейших разработок и совершенствования газовых лазеров различных типов. В частности, это относится к развитым в работе методам расчёта и оптимизации характеристик съёма энергии с активной среды и к методам экспериментальной диагностики активных сред.

Значительный интерес для практических приложений могут представлять также результаты диссертации, касающиеся свойств суперлюминесцентных лазеров, длинноволнового С02-лазера и другие. Наконец, предложенные в работе методы управления режимами генерации проточных лазеров могут послужить основой для создания универсальных технологических лазеров с управляемыми временными характеристиками излучения.

Многие из результатов диссертации нашли практическое применение в организациях, занимающихся разработкой газовых лазеров.

На защиту выносятся:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе единого теоретического подхода проведен анализ явлений нелинейного насыщения в газовых лазерах различных типов. Установлены особенности нелинейного насыщения в многоуровневых, пространственно-неоднородных и движущихся активных средах и в средах с диффузией частиц. Полученные теоретические соотношения использованы в расчетах характеристик генерации лазеров и для их оптимизации.

2. Разработаны методы экспериментальной диагностики активных сред газовых лазеров, основанные на явлениях нелинейного насыщения. Выполнены комплексные экспериментальные исследования характеристик насыщения и параметров активных сред ряда типов газовых лазеров (ионные аргоновый и гелий-кадмиевый, газоразрядный и газодинамический СОг-лазеры). Получена важная информация о населен-ностях лазерных уровней, скоростях накачки и вероятностях распада, процессах дезактивации уровней электронами и других, позволившая получить более полное представление о механизмах образования инверсии в активной среде и характеристиках генерации.

3. Выполнено численное моделирование многоуровневой колебательной кинетики связанных мод ОСЬ в условиях сильной неравновесности. Изучены особенности квазиравновесных распределений и динамика их формирований. Определён запас колебательной энергии и достижимые величины удельной мощности генерации в длинноволновом СОг-ГДЛ на связанных модах. Экспериментально получена генерация на восьми новых лазерных колебательных переходах. Показана возможность создания СОгГДД с перестройкой частоты по колебательно-вращательным переходам в диапазоне длин волн 16,2-21,2 мкм.

4. Разработана физическая модель процессов генерации в резонаторе длинноволнового СОг-ГДЛ. Выполнены расчёты оптимального профиля расширяющегося газодинамического канала в зоне резонатора и оптимальных параметров рабочей смеси в длинноволновом СОгГДЛ. Установлены физические ограничения съёма колебательной энергии, которыми являются недостаточная столкновительная связь колебательных уровней при низких концентрациях частиц и нагрев газа в резонаторе. Показано, что по своим удельным энергетическим характеристикам данный тип лазера сравним с обычным СОгГДЛ с 10,6 мкм.

5. Впервые исследованы пространственная структура, спектральный состав и поляризационные свойства излучения суперлюминесцентных лазеров на самоограниченных переходах газов и паров металлов (Ме, Т1, РЬ). Установлено, что наряду с проявлениями стохастических свойств СЛ, таких как наличие пространственной спекл-структуры излучения, при определённых условиях в безрезонаторном СЛ-лазере формируются пучки с высокой степенью когерентности. Показано, что в результате каналирования пучков СЛ в радиально-неоднородной усиливающей среде (активный волновод) достигается полная пространственная когерентность пучка. Впервые экспериментально обнаружена и исследована квазирегулярная модовая структура спектра СЛ. С помощью СЛ-лазера на неоне впервые наблюдались эффекты когерентного взаимодействия коротких световых импульсов в газовой усиливающей среде.

6. Обнаружено наличие специфической поляризации СЛ в неоднородной анизотропно-усиливающей среде сильноточного газового разряда, происхождение которой связано с зеемановским расщеплением линии усиления в собственном магнитном поле разряда. Выполненный теоретический анализ этого явления исходит из представления о модах поляризованной СЛ, характеризующихся сложным распределением амплитуды и фазы компонент в поперечном сечении пучка. Экспериментально выделена низшая мода анизотропного активного канала в СЛ лазере на неоне. Показано, что нелинейность усиления приводит к качественным изменениям указанных мод.

7. Исследованы явления оптической неустойчивости и условия возникновения автомодуляции излучения в пространственно-неоднородных лазерных системах с движущейся активной средой в условиях стационарного возбуждения. Определены границы областей существования различных динамических режимов генерации и исследованы их характеристики. Проанализирована связь механизмов возникновения неустойчивости с наличием пространственных градиентов параметров системы в направлении потока, в том числе неоднородного распределения скорости накачки. Показано, что светодинамические явления такого рода могут быть использованы для создания принципиально новых высокоэффективных методов управления временными характеристиками излучения лазеров с движущейся средой, в том числе газодинамических и быстропроточных технологических лазеров.

1. Список работ по теме диссертации

2. Королёв Ф.А., Одинцов А.И., Мицай В.Н. Исследование некоторых характеристик гелий-неонового лазера. //Оптика и спектроскопия, т. 19, вып.1, с.71-77. 1965 г.

3. Одинцов А.И., Лебедева В.В., Куратов Ю.В. Насыщение усиления в аргоновом лазере непрерывного действия. //Журнал прикладной спектроскопии, т.6, № 5, с.598-601. 1967 г.

4. Одинцов А.И., Лебедева В.В., Сауткин В.А. Насыщение усиления линий 4880, 4765 и 5145 А в ионном аргоновом ОКГ. //Журнал прикладной спектроскопии, т.7, № 5, с.754-756.1967 г.

5. Лебедева В.В., Одинцов А.И., Салимов В.М. Исследование условий возбуждения линий генерации в ионном аргоновом лазере. //Радиотехника и электроника, т.13, № 4, с.751-754.1968 г.

6. Лебедева В.В., Одинцов А.И., Абросимов Г.В. Насыщение усиления в одночастотном аргоновом лазере. //Радиотехника и электроника, т. 13, № 4, с.746-748.1968 г.

7. Лебедева В.В., Одинцов А.И., Салимов В.М. Флуктуации частотного состава излучения аргонового ОКГ. //Журнал технической физики, т.38, № 8, с.1373-1377.1968 г.

8. Лебедева В.В., Одинцов А.И., Келов К. Об устойчивости гауссовского пучка в неоднородно усиливающей среде. //Оптика и спектроскопияя, т.25, вып.З, с.436-438.1968 г.

9. Одинцов А.И., Лебедева В.В., Шафрановская И.В. Влияние пространственной неоднородности поля лазера на насыщение усиления. //Журнал технической физики. Т.39, вып.5, с.879-884.1969 г.

10. Королёв Ф.А., Одинцов АЛ., Лебедева В.В., Петкова С.С., Маштаков Д.М. Заселённости рабочих уровней в аргоновом лазере. //Журнал прикладной спектроскопии. Т.11, № 2, с.351-354.1969 г.

11. Лебедева В.В., Маштаков Д.М., Одинцов А.И. О роли многоступенчатого возбуждения рабочих уровней в аргоновом лазере. //Оптика и спектроскопия, т.28, вып.2, с.350-352.1970 г.

12. Belyaiev V.P., Burmakin V.A., Evtyunin A.N., Korolyev F.A., Lebedeva V.V., Odintsov A.I. High power single frequency ion Ar laser. //IEEE Journ.Quant.Electr. v.5, № 12, p.589. 1969.

13. Королёв Ф.А., Абросимов Г.В., Одинцов А.И., Якунин В.П. Тонкая структура спектра сверхизлучения в импульсном лазере на неоне. //Оптика и спектроскопия, т.28, вып.З, с.540-542. 1970 г.

14. Лебедева В.В., Маштаков Д.М., Одинцов А.И. О насыщении инверсии в ионном аргоновом ОКГ при больших плотностях тока. //Журнал прикладной спектроскопии, т. 12, № 5, с.934-936.1970 г.

15. Одинцов А.И. Расчёт мощности генерации газового ОКГ с учётом обмена энергией между уровнями. //Вестник МГУ, сер.З физика, астрономия, № 4, с.391-399.1970 г.

16. Беляев В.П., Бурмакин В.А., Евтюнин А.Н., Королёв Ф.А., Лебедева В.В., Одинцов А.И. Одночастотный ионный аргоновый ОКГ большой мощности. //Журнал прикладной спектроскопии, т.13, № 2, с.233-236. 1970г.

17. Георгиева И.И., Лебедева В.В., Одинцов А.И. О влиянии магнитного поля на насыщение усиления в аргоновом лазере непрерывного действия. //Журнал прикладной спектроскопии, т. 15, № 6, с.1094-1097. 1971 г.

18. Королёв Ф.А., Лебедева В.В., Новик А.Е., Одинцов А.И. Экспериментальное определение радиационных времён жизни резонансных уровней АгП и КгП. //Оптика и спектроскопия, т.ЗЗ, вып.4, с.788-791.1972 г.

19. Королёв Ф.А., Абросимов Г.В., Одинцов А.И. Влияние условий возбуждения на когерентные характеристики импульсного сверхизлучения неона. //Оптика и спектроскопия, т.ЗЗ, вып.4, с.725-728.1972 г.

20. Королёв Ф.А., Карталёва С.С., Одинцов А.И., Дмитриева Е.А. Влияние лазерного поля на контур линии усиления смежного перехода в аргоновом ОКГ. //Журнал прикладной спектроскопии, т.17, № 6, с.980-983.1972 г.

21. Королёв Ф.А., Одинцов А.И., Салимов В.М. Частотный спектр и самосинхронизация мод в аргоновом лазере. //Радиотехника и электроника, т.18,№ 1,с.209-211.1973 г.

22. Одинцов А.И., Якунин В.П. Наблюдение эффектов когерентного взаимодействия при усилении коротких световых импульсов в неоне. Письма в ЖЭТФ, т.20, вып.4, с.233-235.1974 г.

23. Королёв Ф.А., Феофилактова Т.В., Одинцов А.И., Калиновская Н.И. Исследование некоторых характеристик гелий-кадмиевого лазера. //Оптика и спектроскопия, т.37, вып.6, с.1166-1168. 1974 г.

24. ЗО.Королёв Ф.А., Одинцов А.И., Феофилактова Т.В. Параметры активной среды Не-С(1+ лазера. //Журнал прикладной спектроскопии, т.23, вып.5, с.799-803.1975 г.

25. Одинцов А.И., Федосеев А.И., Баканов Д.Г. Газодинамический лазер с нагревом рабочего вещества импульсным электродуговым разрядом. //Письма в ЖТФ, т.2, вып.4, с. 145.1976 г.

26. Короленко П.В., Одинцов А.И., Саркаров Н.Э. Влияние пространственного распределения поля и усиливающей среды на энергетические характеристики газового лазера. //Квантовая электроника, т.4, № 1, с.166-168.1977 г.

27. Королёв Ф.А., Одинцов А.И., Халед Сусу. Исследование распределения поля и пространственной когерентности сверхизлучения на переходе Х=3,39 мкм в лазере на смеси Не-Ые. //Вестник МГУ, сер.З физика, астрономия, № 2, с.43-47. 1977 г.

28. Короленко П.В., Одинцов А.И., Саркаров Н.Э. Оптимизация параметров резонатора ОКГ с радиально-неоднородной активной средой. //Тезисы доклада на I Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1977., с.205-207.

29. Одинцов А.И., Туркин Н.Г., Якунин В.П. Поляризация суперлюминесценции в анизотропно-усиливающей среде. //Письма в ЖТФ, т.4, вып.З, с.153-157. 1978 г.

30. Одинцов А.И., Соколовский Р.И., Якунин В.П. Поляризационные свойства суперлюминесценции газов в сильноточном разряде. //Изв.АН СССР, серия физ., т.43, № 2, с.255-259,1979 г. ,

31. Баканов Д.Г., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Оптимизация резонатора газодинамического лазера. //Квантовая электроника, т.6, №5, с.1019-1025,1979 г. .

32. Королев Ф.А, Баканов Д.Г., Баранов АЛ., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Экспериментальное исследование характеристик газодинамического СОг-лазера смесительного типа. //Вестник Московского университета, сер.З физика, астрономия, т.21, № 5,1980, с.36-41.

33. Баканов Д.Г., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Способ измерения скорости газового потока. //Авт.свидетельство № 795177,08.09.1980 г.

34. Баканов Д.Г., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Насыщение усиления в движущейся активной среде. //Журнал прикладной спектроскопии, т. 34, вып.4,1981, с.630-634.

35. Баканов Д.Г., Инфимовская A.A., Корниенко Л.С., Одинцов А.И., Прохоров А.М., Федосеев А.И., Шарков В.Ф. Генерация в диапазоне длин волн 16,8-17,2 мкм в газодинамическом С02-лазере. //Письма в ЖТФ, т.7,в.13, с,802-805,1981 г.

36. Баканов Д.Г., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Расчёт оптимальных параметров резонатора ГДЛ по заданным характеристикам потока. //Вестник МГУ, сер.З физика, астрономия, т.22, № 6, с.13-17,1981 г.

37. Домнина H.A., Одинцов А.И., Соколовский Р.И., Туркин Н.Г. Одномо-довая суперлюминесценция газа в сильноточном разряде. //Письма в ЖТФ, т.8, № 8, с.445-459,1982 г.

38. Одинцов А.И., Спажакин В.А. Влияние диффузии на насыщение усиления в газовых активных средах. //Квантовая электроника, т.9, № 8, с.1708-1710,1982 г.

39. Баканов ДГ., Веденеев А.А., Волков А.Ю., Демин А.И., Кудрявцев Е.М., Одинцов АЛ., Федосеев А.И. Способ получения лазерной генерации и устройство для его осуществления. //Авторское свидетельство №959594 от 14.05.82 г.

40. Киреев С.Е., Одинцов АЛ., Туркин Н.Г., Якунин В.П. Генерация в резонаторе с ОВФ зеркалом при четырёхволновом взаимодействии в парах Си. //Тезисы докл. Ш Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 4-8 января 1982 г., с.277.

41. Баканов Д.Г., Корниенко Л.С., Одинцов АЛ., Федосеев АЛ. Одновременная квазистационарная генерация на переходах 10,6 и 18,4 мкм в газодинамическом СОг- лазере. //Журнал прикладной спектроскопии, т.37, вып.2, с.233-236,1982 г.

42. Bakanov D.G., Volkov A.Y., Demin A.I., Koudriavtsev EM., Odintsov A.I., Sobolev N.N., Fedoseev. A.I Laser action on the transition A,=18.4 цт of C02 molecule in the various GDL mixture. //Appl. Phys.,v.B-28 № 2, p.288,1982.

43. Баканов Д.Г., Куликов A.O., Одинцов АЛ., Федосеев АЛ. Новые лазерные переходы в молекуле С02. //Тезисы докл. На XI Всесоюзн.конференции по когерентной и нелинейной оптике, Ереван, ноябрь 1982 г., ч.1, с.43.

44. Корниенко Л.С., Одинцов А.И., Спажакин В.А., Стёпина С.А., Хапаев А.М. Параметр насыщения усиливающей среды с диффузией частиц. //Журнал прикладной спектроскопии, т.38, № 5, с.857-859,1983 г.

45. Bakanov D.G., Demin A.I., Fedoseev A.I., Koudriavtsev E.M., Odintsov

46. Баканов Д.Г., Куликов А.О., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Шарков

47. B.Ф. Особенности насыщения в быстропроточных С02 лазерах. //Препринт ИАЭ им. И.В.Курчатова, №3684/12, М., 1982 г.

48. Баканов Д.Г., Куликов А.О., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Генерация на переходах между высоколежащими уровнями симметричной и деформационной мод молекулы СОг //Письма в ЖТФ, т.9, в.5, с.273, 1983 г.

49. Bakanov D.G., Fedoseev A.I, Kulikov А.О., Odintsov A.I. Laser action in spectral range 16.4-21.2 цт. //Proceedings of the 7-th Int. Conf. on infrared and millimeter waves, Marseille, France, 14-18 Febr.1983, p.256.

50. Куликов A.O., Одинцов А.И., Федосеев АЛ, Фоменко Л.А. Энергетические и спектральные характеристики длинноволнового СОгГДЛ. В сб. Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах, под ред. Прохорова А.М., Изд-во МГУ, 1984, с.74-76.

51. Исламов Р.Щ., Конев Ю.Б., Куликов А.О., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Шарков В,Ф. Энергетические характеристики ГДЛ на переходах между уровнями симметричной и деформационной мод молекулы СО2. //Квантовая электроника, т.11, N 3, с. 551-558,1984 г.

52. Fedosecv A.I., Fomenko L.A., Kulikov А.О., Odintsov A.I. Characteristics of the gasdynamic COrlaser in the range 16.4-21.2 цт. //Proceedings of the9-th Int. Conf. on infrared and millimeter waves, Takarazuka, Japan, Oct. 22-26 1984, p.353.

53. Одинцов А.И., Федосеев А.И. Фоменко Л.А.Числешый анализ колебательной кинетики связанных мод С02. //Вестник Моск. ун-та, сер.З -физика, астрономия, т.27, № 4, с.66-71,1986 г.

54. Киреев С.Е., Одинцов А.И., Туркин КГ., Якунин В.П. Лазер на парах меди с наведённым в активной среде ОВФ-зеркалом. //Квантовая электроника, т. 13, № 4, с. 866-868,1986 г.

55. Вращательная структура спектров генерации газодинамического С02 -лазера. Тезисы докладов П Всесоюзной конференции Теоретическая и прикладная оптика", Ленинград, 1986 г., с.149-150.

56. Бельдюгин И.М., Золотарёв М.В., Киреев С.Е., Одинцов АЛ. Лазер на парах меди с самонакачивающимся ОВФ-зеркалом. //Квантовая электроника, т. 13, № 4, с.825-827,1986 г.

57. Баканов Д.Г., Иванова О.Ю., Куликов А.О., Одинцов А.И., Федосеев А.И. Спектр длинноволновой генерации газодинамического С02-лазера. // Журнал прикладной спектроскопии, т.46, № 2, с.218-222, 1987 г.

58. Киреев С.Е., Лебедева В.В., Одинцов А.И., Соколовский Р.И., Туркин Н.Г. Модовая спектральная структура импульсного излучения лазера на парах меди. //Вестник МГУ, сер.З физика, астрономия, т.29, № 3, с.45-50,1988г.

59. Головина Л.Ф., Домнина Н.А., Одинцов А.И. Амплитудно-фазовые характеристики поляризованной суперлюминесценции в анизотропной усиливающей среде. //Тезисы докл. Ш Всесоюзной конференции "Теоретическая и прикладная оптика", Ленинград, 1988 г., с. 143-144.

60. Баканов Д.Г., Иванова О.Ю., Одинцов А.И., Федосеев АЛ. Длинноволновый С02-ГДЛ в режиме модуляции добротности. Тезисы докладов ГУ

61. Всесоюзной конференции "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах" Москва 1988, Изд-во МГУ, с.212-213.

62. Одинцов А.И., Федосеев А.И., Фоменко Л.А. Оптимизация условий съёма энергии в СОг-ГДЛ на связанных модах. //Квантовая электроника, т. 15, № 5, с.915-921,1988 г.

63. Домнина Н.А., Лебедева В.В., Одинцов А.И., Соколовский Р.И. Поле излучения суперлюминесцентного лазера. //Оптика и спектроскопия, т.69, в.З, с.684-687,1989 г.

64. Домнина Н.А., Лебедева В.В., Одинцов А.И., Соколовский Р.И. Влияние насыщения на структуру поля суперлюминесценции в анизотропно усиливающей среде. //Вестник МГУ, сер.З физика, астрономия, т.30, № 6, с.35-39,1989.

65. Васильев А.Б., Одинцов А.И., Спажакин В .А. Диагностика среды генерирующего СОг-лазера по коэффициентам усиления на переходах 10,4 и 9,4 мкм.// Квантовая электроника, т. 16, №9, с.1806-1812,1989 г.

66. Баранов А.Н., Николаева О.Ю., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Туркин Н.Г. Способ получения импульсно-периодического лазерного излучения. //Патент РФ по заявке № 4920764/25 (024034) от 20.03.1991 г. Решение НИИГПЭ от 06.03.1992 г.

67. Баранов А.Н., Николаева О.Ю., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Туркин Н.Г. Импульсно-периодический лазер с прокачкой рабочей среды. //Патент РФ по заявке № 4920763/25 (02433) от 20.03.91 г. Решение НИИГПЭ от 06.03.1992 г.

68. Баранов А.Н., Николаева О.Ю., Одинцов А.Й., Федосеев А.И., Туркин Н.Г. Способ получения импульсно-периодического лазерного излучения. Российский патент № 2019017, бюлл. №16 от 30.08.94.

69. Баранов А.Н., Николаева О.Ю., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Туркин Н.Г. Импульсно-периодический лазер с прокачкой рабочей среды. //Российский патент № 2019016, бюлл. №16 от 30.08.94.

70. Баранов А.Н., Николаева О.Ю,, Одинцов А.И., Федосеев А.И., Туркин Н.Г. Автомодулированная генерация быстропроточных лазеров с неустойчивым резонатором. //Оптика и спектроскопия, т.78, № 5, с.837-841, 1995 г.

71. Fedoseev A.I., Fedyanovich A.V., Nikolaeva O.Y., Odintsov A.I. Resonator systems providing self-pulsing oscillations in fast flow gas lasers. //PROCEEDINGS OF SPIE, v.2713, p.67-72,1996 r.

72. Николаева О.Ю., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Федянович А.В. Способ получения ипульсно-периодического автомодулированнного лазерного излучения. //Российский патент № 2080717, бюлл. №15,1997 г.

73. Мушенков А.В., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Саркаров Н.Э., Федянович А.В. Динамика генерации быстропроточного лазера с неоднородным возбуждением активной среды в неустойчивом резонаторе. //Квантовая электроника, т. 24, № 5, с.431 435,1997 г.

74. Лоскутов А.Ю., Мушенков A.B., Одинцов А.И., Федосеев А.И., Шарков В.Ф. Хаотическая генерация в проточном лазере с пространственно-неоднородной накачкой. //Тезисы докладов V Международной школы "ХАОС-98", с.98-99, Саратов, 6-10 октября 1998 г.

75. Fedoseev A.I., Loskutov A.Y., Mushenkov A.V., Odintsov A.I., Sharkov V.F. Non-stationary operation of the fast-flow lasers and new possibilities of controlling the laser output characteristics. //PROCEEDINGS OF SPIE, v. 3574, p.791-797,1999.

76. Автор выражает глубокую благодарность коллегам по работе за многолетнее плодотворное сотрудничество и взаимопонимание и бывшим своим аспирантам и студентам, которые на разных этапах участвовали в работе и во многом способствовали её выполнению.