Широкодиапазонные импульсно-периодические лазерные системы на основе лазера на АИГ: Nd2+ с обращением волнового фронта тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

АКАЛЕ1ШЯ НАУК БЕЛАРУСИ ОРЯЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЕНЛЧЕШ! ИНСТИТУТ ФКЗШ Б .И.СТЕПАНОВА •

РГ в од

На правах рукописи

МАЛЕВИЧ Николай Аяоксаягрсаич

ШИРОКОДИАПАЗОННЬЕ ИМПУЛЬСШОЧГОЮЛИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ"СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ЛАЗЕРА НА АИГ: К(Р* ОБРАЩЕНИЕМ ВОЛНОВОГО ФРОНТА

01.04.21 - лазерная фгаика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учонсй степени . -кандидата физыко-иатзиатнческвя паут:

Минск - 1993

Работа исполнена в ■ Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики им.Б.И.Степанова Академии наук Беларуси

Научнкэ руководители:

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Мостовников В.А.

кандидат физико-математических наук Батиие С.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Эфендиеь Т.Ш.

кандидат физико-математических наук доцент ЧалеЯ А.В.

Ведущая организация:

Институт электроники АНБ

Заашта состоится 199^г. в часов

на заседании специализированного совета К 006.01.01 по защите диссертации на соискание ученой степени кандидата наук в Институте физики кн.Б.И,Степанова АНБ ( 220072, Минск, ГСП, пр. Ф.Скорины, 70 ).

С диссертацией мояно ознакомиться в библиотеке Института физики АНБ.

Автореферат разослан

М0Л&Н 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат фта. -¡¿ат. наук

КУНПЕВИЧ Б.Ф.

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность тепы

Уникальное сочетание спехтрально-лсилнесиентных, генерационных, теплофизических, механических и эксплуатационных свойств кристаллов алюмоиттриевого граната, активированного ионами неодима (АИГ ¡Кй1*) сделало их весьма перспективными для создания импульсно-периодических вксокозяергетичесних лазеров наиосекунд-ного диапазона длительности. Комбинация АИГ:Щ3+ лазера с нелинейными кристаллам! позволяет создавать источники излучения, генерирующие на длинах волн 1064 ни, 532 км, 355 им, 266 ни. Такие источники требуются при разработке лидарных систем и дальномэроэ, они могут применяться в технологии микроэлектроники, лазерной биологии и медицине, лазерной спектроскопии, для накачки перестраиваемых лазеров на основе красителей, центров окраски и в ряде других случаев. Большинство из зозногных применений ЛИГ:!!!3* -лазера требует, как правило, получения высокой энергии излучения в совокупности с близкой к дифракционной расходимость» и коронки распределением интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка, что представляет собой весьма непростую задачу.

Представлялось, что успешное ргвеиае данной проблемы воэноя-но с использованием обраиеняя волнового $роита при вынуадоином рассеянии Иалдельштйка-Брнллсэна (ОБ? при оР!Ш) для компенсации статических и линацнческих иеоднородиостей в усилительных каскада;:, что позволяло рассчитывать на смягчение требований к качеству активных элементов. На момент начала работы над диссертацией была продемонстрирована принципиальная возшкноегь пркшнения данного эффекта в лазерах на АНГ:ШЭ*. Однако, п-эрспектясц созда-" ния на базе явления ОВФ при ВРМБ кипулъсяо-перкодическкх лазеров на АИПШ1* с высокоэффективной генерацией излучения па основной частоте и гармониках, а так ге конкретны» $изико-тэхкическиэ путл построения таких надекко работаюЕга: систем оставались ноясныин. .

Экспериментально била показзта возможность екрокодиапгзоиноЗ перестройки спектра при использовании перестраиваемых лазеров на красителях с последующим расширением спектрального диапазона в УФ- и ИК-области спектра методами нелинейной оптики. Однако, несмотря на большое число работ по возбуждению генерации о красителях различными источниками, оставалась неясной возможность высокоэффективного преобразования высокоэнергетической накачки в перестраиваемое излучение при одновременной обеспечении близкой к

3

дифракционной расходимости и иалой иирнны спектра генерации.

Расширение спектрального диапазона работы мокных. лазеров на красителях в ИК-область спектра за счет вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) требовало уточнения условия высокоэффективного преобразования, а тзкгз требований к лазеру на красителях и ВКР- преобразователю.

Все сказанное, в совокупности, определило необходимость веста исследования одновременно в нескольких направлениях.

Полью диссертационной работы являлось определение физических и технических принципов построения высокоэнергетических широко-дкапазонных импулъсно-периодических лазерных систем на основе лазеров на АИГгМсР* с обращением волнового фронта, лазеров на красителях и ВКР-преобразователей на сгатоы водороде.

Научная новтона результатов состоит в следующем;

1. Определены физические требования, обеспечивающие построение импульсно-периодичоских лазерных систем на АИГгШ3'1, наносе-кундной длительности с близкими к предельный энергиями и расходимостью излучения На основной частоте, а так£е на частотах второй, третьей и четвертой гармоник, высокой ' энергетической стабильностью и узким спектром излучения, при некритичности схемы, вклю-чаюаей низкоинтенсивный оадаюоиЯ лазер и усилитель с ОВФ-ВРМБ-зеркалом, к плотности излучения на входе в усилитель, к оптическому качеству активных элементов и к коэффициенту отражения сбра-иаюиего ВРМБ-зеркала, работающего при низких лучевых нагрузках.

Показано, что основными факторами, ограничивающими выходную энергия излучения в такой системе, являются усиленное спонтанное испускание (УСИ) вдоль активной среди к самовозбукдение усилителя о участием рэлеевского рассеяния света в ВРКБ-глдкости, а также, светорассеяния на микронеоднородностях и мккропузырьках . в оптических элементах.

Обнаружено, что самовозбуждение двухпроходового усилителя с ОВФ-зеркалом может приводить к генерации неуправляемых мощных импульсов излучения наносекундной длительности • (модуляция добротности ОВФ-зеркалом), раэруиаюаих активные элементы. Определены условия при которых на основе данного эффекта .возможно создание высокоэнергетического ионоимпульсного лазера с малой расходимостью излучения.

2. Показано, что энергия генерации моноимпульсных лазеров на кристаллах АИГгИй3* мохет существенно уменьшаться в результате

4

развития конкурирующего излучения усиленной лвданесценцки, формирующегося внутри отражателя осзетктолънсП свстеиы лазера.

3. Установлено, что при какачко растворов красителей кано-секундньшн импульсами излучения с плотностью энергии > 0,5 + 1,5 Дж/см* наблюдается падение к.п.д. генерация, обусловленное нелинейные рассеянием излучений ¡¡а качки и генерации, а тахг.о поглощение« коротко- и долгоиюуиимя фотопродуктакп.

Доказано, что нелинейное светорассэяннз излучения накачка в растворах красителей связано с процессом перекачки энергии возбуждения в шумовые компоненты в результате нестационарной самодифракиии на фазовых рееэтках, форуяруюмхея при поглоаонна СЕета в канале всзбуждекШлс сипглоткш: уровней. Светорассеяние излучения генерации происходит, в результат« фзггезегадй кч^рахшт па сформированных накачкой ^азогыг решетка:;.

Показано, что при больших поперечных размерах активной среди усиленная лгшшесценция, развивашляся в направлениях отличных от направления генерации, может приводить к значительному падении к.п.Д. или лаке срыву генерации и красителе.

Сформулированы требования к плотности гзяучеетг накачки, геометрическим ргэ1»раи активной среди и хгящевтрацяч раствора, сйеспечиваюаяе полученне предельных парзизтроз генерация п лазерам; на красителях с накачкой высоксзксрготкчосхкта наггссэхундпшщ кшульезыи.

4. Экспериментально продекснстрнрсгака аозколяоеть преобразования в несколько стсксових ко!<псионт ЕКР в еггатач подороже широкополосного излучения лазеров на красстслях практически с такой же э^ктиеностьп как и рхспэлоского. На отоЯ оспою создан источник перестраиваемого излучения в ИХ-с^ласти спектра до 8,11 нха.

• Практическая зиуглчость работ»

1. Создан макетнкй образец паз-эра на АИГ:Ш** о ОЗФ прн ВР!-3 с энергией импульса излучения 3,4 Дз на X в 1064 пи и 1,6 Лж на X = 532 ни при частота следования икпульсов 1 Гц.

2, Разработаны и созданы ггрпборяиэ образцы лазеров на АИГ:Ш3* с ОБФ-зеркалом на ЕР!Ш в двухпрохоловои усилителе - ыои-ного двухканалыюго лазера "Гранат-ОВФ" и 1<злогабаритксго лазера ■"Лвзар-ОВФ-Ч'' с вис с кн ии энергетически«! характеристика!« на основной частота и гармониках, высокой энергетической стабильность», близкой к дк^ракщюпяоя расходимостью и узкой спектраль-

к

ной шириной линии излучения.

На защиту выносятся:

1. Принципы построения лазерных систем на АИГ:Щ наносе-кундной длительности по схеме задающий лаэер - усилитель с ОВФ-БРМБ-оеркалом, позволяющие получать высокие энергии генерации на основной частоте и ее гармониках с высокой энергетической стабильности) , близкой к дифракционной расходимостью и узким спектром излучения, при некритичности схемы к коэффициенту отражения 0ВФ- зеркала, оптическому качеству активных элементов и плотности излучения на входе в усилитель.

2. Самовозбуждение усилителя с участием рзлеевского рассеяния света в ВРМБ-жндкости и двухпроходовое УСИ вдоль активной среды ограничивают выходную энергию лазерной системы на АИГ:Ш3 + с ОВФ при ВРМБ.

3. ЛвухпроходовыЯ усилитель на АИГ:Ш3* с ОВФ-ВРМБ-зеркалом может переходить из режима усиления в режим спонтанной генерации моаных импульсов излучения наносекундной длительности.

4. Энергия моноимпульсной генерации лазеров на кристаллах АИГ:Ш3+ может существенно уменьшаться в результате развития конкурирующего излучения усиленной люминесценции, формирующегося внутри отражателя осветительной системы лазера.

5. Оптимизация условий возбуждения высокоэнергетическими импульсами излучения наносекундной длительности растворов красителей по плотности излучения накачки, геометрическим размерам активной среды и концентрации раствора существенно снижает вероятность фотопревраие-ния молекул красителя, предотвращает возникновение нелинейных светорассеяний'излучений .накачки и генерации, а также развитие усиленной люминесценции в поперечном направлении, обеспечивая в итоге получение высоких . энергий и близких к предельным к.п.д. лазерной генерации.

6. Перекачка энергии возбуждения в шумовые компоненты при нестационарной самодифрахции на фазовых тепловых решетках приводит к возникновению нелинейного светорассеяния излучения накачки в растворах красителей. Светорассеяние излучения генерации имеет место в результате брэгговской дифракции на. сформированных накачкой фазовых решетках;

7. ВКР в водороде позволяет получать высокоэффективное преобразование широкополосного излучения перестраиваемых лазеров на красителях в- ИК-областн до 8,11 мкм.

6

8. Экспериментальный сбразпи висохоэнергетпчссхих лазерных систем на АИГ:Ш3* с близко.* к дифракционной расходикостью, узкоа спектральной ижриноЯ излучения и тгосксЯ экерготаческсЯ стабильностью - "Гранат-ОВФ", "Лазар-ОР^-Ч".

^npo6?jj.:sr? ре.ботч

Основные результаты работ;;: зсхлаливалксь ил Ш-еЯ Всесоюзной конференции "Лазеры «а ocaos« сяс?(Ш органических соединений к му. применение" (Ужгород, 15-ЬП), Ш~с.: Всесосзйой конференции '"Оптика лазеров" (Ленинград, т}, VII-сЯ Республиканской конференции мололи: ученых по физике (Кзгяяэм, 1982), VI-o« я VIII-om Межреспубликанских научкш esr'jraspí'j по кг;?цтосо8 электронике "Лазе-ры я оптическая неллцей:'.остьн (t-;cft:»c, 1984; 1936), Sco-ссвзноЯ научно-тохкическсП кхоле-огг-гга;-« со лазерному, ситичее-кс».<у и спектральному пра'борсст^с:;.-:^ (!':.глсх, 1S86), Всесоюзных конференциях "ОДр&с-гяиэ öoÄi'csoro с;х:?та лазерного излучения а кеяяк<;Янкх средах" (Мянск, 1£37; 1 \,-}Э).

Г1ГТГ-»л сс'чтатгля:

Участгл в постакоЕхе заляч гссл'эясэаат. Рсз^Зслса кзтоаик и ррозаасняэ экспгппкевтев. cípsícr.ci no.^f.t.nva результатов. Прогегоииэ тоср2?:!Ч5С!;п;; гцг-ск, ;<х ccnocr-si-ii»» с аксперкыея-таятяя . C6cy:a;imo а о^срилгля® розуг»гатсз.

Нзучииз руководят™ Нзсгое'п'чог П.Д. л ?атвг.«> O.A. оказывала содействие на всех степах йнпоянкаия г.-угкоП e-.rfeтч, .

Кузькук A.A. участвовал з экспериментах по кэучензэ влияния осветитсяч на ряергел >!"Л!с:!»£пуг,"?скс.1 геплр^щ^п AliTiNd"8 * гтгзероэ, исспепоодпга прауекямазта пкя ПР.'З для построения но?»чнх яа-оероз. Ганага В. Д., Гурленл Г!.»., Тагу- Г,.-', пройзгшла отголыдо» эксперимент« с всэбужврргси pseraepe^ урьстгс;.'.-.! возврата па рубине i! М стекле. Апзиавсзич П.А., Орлогнч В.А., Грабчпксв A.C. участвовали в ,чссчслс?гкля:: по ВКР-преобрггозашш излучения а ИК-гиапаэон. Апгрегз С.П. н Рлбиел А,Б. прозошмя кокструирохншке приборных обраоаоэ л?леро:>, Остальное оо-тьгорн занккалясь вопросами не вошедшими в диссертация.

СТРУКТУРА И_ЮД£^ЧГЕ^АБОТЫ

Работа состоит из введения, пяти глаз, заключения. Она содержит 142 страницы точета. 63 рисунков, 7 таблиц и список литературы, насчитывающий 213 наименований.

7

Введениэ содержит -характеристику актуальности теми. Здесь сформулирована основная цель, научная и практическая значимость работы, приведены зашиаешэ положения.

Первая глава дцссорташш посвящена определении физических условий создания высоксэнергетических импульсно-периодических лазеров на АИГ:Ш,+ с близкой к дифракционной расходимостью излучения на базе применения явления ОВФ при ВРМБ для компенсации оптических искажений в лазерной системе.

Здесь в 6 1.1 лается краткий обсор работ по применению явления ОВФ при ВРМБ для компенсации оптических неоднородностей в лазерных системах» анализируется современное состояние исследований в данной области, рассматриваются основные трудности ка пути создания мощных лазеров.

■ Лалее приводятся результаты экспериментальных исследований и анализ генерационных возможностей различных схем построения лазера на АИГ:М3+ с ОЕФ при ВРМБ. Рассматриваются варианты лазера, состоящего из маломощного задающего лазера на АИГгКй3*, работающего в одночастотном режиме на ИМ иоде (см. ! 1.2), и двухпро-ходового усилителя с фарадеевской развязкой (5 1.3), дэух-(5 1.4) или четырехпроходового (5 1.5) усилителей с френелевским вводом излучения. Сравнение указанных схем по их генерационным характеристикам обнаружило существенные различия в предельной плотности энергии излучения на выходе - -2,0; -3,6 и «1,0 Дж/см2, соответственно. Анализ схем построения лазерных систем с ОВФ при ВРМБ ($ 1.7) показал, что при реальных углах видения /3 ^ 10"г+ 10~3 рад ограничение энергии генерации определяется совокупностью двух процессов - двухпроходового УСИ вдоль активной среды, формирующегося с участием широкоапертурных слабозаклоненных отражающих поверхностей ($ 1.7.2), и паразиткой свободной генерации, развивающейся в резонаторе, элементами обратной связи которого могут служить отражения от оптических элементов, а такхе рэлеевское рассеяние в ВРМБ-жидкости и светорассеяние на оптических неодно-родностях ($ 1.7.3).

Предельное однопроходовое усиление было реализовано в схеме лазера с френелевским вводом излучения в двухироходовый усилитель и составило (2 + 3)■10*. Высокий уровень усиления привел к низкой чувствительности схемы как к величине сигнала на входе в усилитель (для излучения с плотностью энергии > 100 мкДж/см*), так и к коэффициенту отражения ОВФ-зеркала (более чем 6ТИ- кратный рост

8

порога ВРМБ - отражения з случае этилового спирта по сравнение с ацетоном приводил к незначительному £ 20® падение энергии генерации). Выбор конструкции системы, когда в активных элементах усилителя одновременно распространяется навстречу друг другу падаю-иий и отражений! сигналы позволил значительно уменьшить энергию излучения, попадающую в БРМВ - ерзду, что в итоге обеспечило пря-пореговнй 10 порогов) режим работы нелинейного зеркала и, следовательно, хорошее качество обращения для излучения с "серой" расходимость»). Проанализировано влияние на качество обращения энергии возбуждения усилительных каскадов, частоты следования импульсов, фокусного расстояния линзы и типа гидкости ВРМБ-зерка-ла. Показано, что основное негативное воздействие на качество обращения оказывает увеличение частоты следования п«пульсов, вероятной причиной чего является рост двулучепроломлзная активных элементов. Применение предложенной в литературе, и, как казалось, перспективней для компенсации лвулучепрелсмлення, с::е;и с четы-рехпрохоаезкм усилителем не обягружило преимуществ по качеству генерируемого излучения, при существенно болзэ низких энергиях генерации в сравнении со схемами с двухпрсходоЕым'л усилителями..

Экспериментально продемонстрирована всзкоетссть создания ла- ■ зера на активных элемента?: из АИПИсР* диаметроц ! 2 км с БР^З-зеркалсм в явухарохедспоа усилителе с энергией излучения -3,4 Лз на X = 1064 яч я -5,6 Як на X = 532 им при работе с частотой в 1 Гц. Сформулированы требования к элементам лазерной система, обеспечивавшие получение ньносекундных импуль.сов излучения с высокой энергией при близкой к дифракционной расходимости.

В 5 1.6 показано, что пр:? опрэделзнтпе условиях двухпреходо-еьМ усилитесь с ЕРНЗ-зеркалом мохет сгксвсэбуглатъсч с переходом из р релиз усиления излучения в рохиы неуправляемой генерации пысохоинтенсивкых коротких (т л 15 + 30 не) импульсов излучения расходимость!) 2+4 ырад. В этом случав реализовалось сильно неоднородное распределение излучения в сечении лазерного пучка, что, как правило, приводило к разрушение активных элементов усилителя. Однако, при реализации соответствусаих условий, данный эффект ксгет быть использован для получения высоких энергий генерации с хорошими характеристиками. Так, использование схемы с селекцией пространственных мод при модуляции добротности внешним ВРМБ - зеркалом, позгочило получить генерации налосекундных импульсов с энергией -1,15 Да при расходимости ^ 0,5 ырад.

9

Отдельными подпараграфакх раосштроки вопроси создания ячейки Фарадея для схема частотного лазера (§ 1.3.2) и расчета коэффициента отражения грас при тепловой рэлеевском рассеянии в нелинейной среде (8 1.7.1). В результате проведенных оптимизаций была разработана ячейка Фарадея на стекле ЮС-31, которая обеспечивала 45 - градусное вращение плоскости поляризации излучения с длиной волны X = 1064 нм при работе с частотой в несколько герц и воздушным охлаждением. Расчет Грао (4 1.7.1) позволил определить парциальный вклад в ролеоЕсхое рассеянно отдельных зон нелинейной среды. Показано, что максимальное значение Грао ограничивается величиной 4л/ЭЯвой, гдо Нво-коэффициент рассеяния под углом 90°, (1 - диаметр ограничивающей пучок апертуры, что в 4 раза выше общепринятого.

Во второй главе изложены результаты .экспериментальных исследований по повышению экер1ии излучения лазероз на АНГ:Ш*+ в моноимпульсном режиме работы.

В 5 2.1 показано, что при использовании активных элементов большого диаметра энергия моноимпульсной генерации может существенно уменьшаться за счет конкурирующего действия мощной усиленной люминесценции, формирующейся внутри отражателя в результате многократных отражений и усиления в активной среде. Обсуждаются методы повышения энергии моноимпульсных лазеров на АНГ:Мс13 +, состояние в увеличении объема и выборе соответствующей формы к-материала отражателя, снижении коэффициента его отражения в спектральной области генерации, а также помещении активного элемента внутрь оболочки, поглощающей излучение усиленной люминесценции.

В 5 2.2 показано, что при близких площадях поперечного сечения отражателей наихудшие условия для формирования усиленной люминесценции реализуются для отражателя круглой формы. Подавление усиленной люминесценции в совокупности с устранением генерации на внутренних модах активных элементов посредством профилирования боковой поверхности обеспечивало существенное (в ряде случаев более чем в 3 раза) увеличение энергии генерации на активных элементах диаметра >8,0 мм. В аналогичных условиях энергия генерации для активного элемента типоразмера 06,3x80 мм составила =0,34 Дж и, с точностью до величины сечения вынужденного испускания, соответствовала энергии, запасенной в активной среде.

Здесь же ($ 2.3) предлагаются варианты конструкции осветительной системы лазера близкие к схеме "светового котла", с раз-

10

мещенньпси з обком осветителе несколькими активными элементами п одной "или двумя лампами накачки, ойеспечиваегие высокие энергию и к.п.д. генерации лазера на ЛИГ:Ш3* а иоиоимпульсном режиме. Введение развязки между активными.элемента«! в направлении перпендикулярном их оптической оси с приманенном перегородок, поглоааюаих излучение с длиной волны 1064 им, позволило в ~2,4 раза увеличить энергию, запасенную в объема осветителя при реализации более высокого к.п.д..

Третья глаза диссертации пссвяпеиа исследованию особенностей поведения активных лазерных сред на основе красителей при сисоко-интенсивной лазерной накачке импульсами излучения наносекундноЯ длительности.

Вначале в $ 3.1.1 на основе литературных данных проанализирована возможные механизмы наведенных потерь в объеме активной среды при высокоинтенсивном зозбукдонии, выполнен расчет спектроскопических и тепловых характеристик этансльного раствора Родакн-на Ж (5 3.1.2).

Лалее приводятся результаты' экспериментальных " исследований активных сред на основе растворов красителей. Показано ($ 3.2), что общим свойством лазеров ¡1 усилителей на растворах красителей является падение к.п.д. генерации при их накачке импульсами излучения наносекундноЯ длительности послэ достижения некоторого уровня плотности энергии накачки, конкретная величина которого определяется красителем и используемым растворителей и, в большинстве случаев, лежит в диапазоне 0,5 * 1,5 Яг/ох1. Механизм падения к.п.д. проявляется в быстром (за времена единицы наносекунд) падении усиления в области "перекачек", что в некоторых случаях приводило к генерации излучения в форме кольца. Результаты экспериментов, полученные при использовании источников накачки разной длительности, позволили сделать вывод, что падение эффективности генерации не определяется заселением высоковозбужденных синглет-ных уровней в Родамине Я (по оценкам при плотности мощности излучения накачки Р ^ 370 МВт/см2 на высоковозбузденных синглетных уровнях находится 2:1 ОХ от числа частиц - % 3.1.2). Основную роль в снижении эффективности генерации при моэиой накачке играют два процесса - светорассеяние излучения накачки и генерации ($ 3.3) н появление продуктов фотовозбуядения с разным временем жизни (% 3.4). Кроме того 3.5), при большой диаметре зоны возбуждения возможен срыв генерации в результате возникновения

11

конкуренции между генерацией, развивавшейся в резонаторе, и одно-или двухпроходовой усиленной люминесценцией, формирующейся в активной среде в направлении, перпендикулярном.оси резонатора.

На примере этанолыюго раствора Родамина Ж экспериментально исследованы механизмы светорассеяния и фотопоглощения.

В 5 3.3.2 показано , что нелинейное рассеяние накачки возникает в результате нестационарной самодифракции излучения накачки на фазовых "шумовых" реаетках, формирующихся в результате тепловыделения при поглощении света в канале возбужденных синглетных уровней в просветляющемся растворе красителя. Рассмотрен механизм формирования эффективно отражающих тепловых реиэток - S 3.3.1. Изучена зависимость эффективности перекачки излучения из сильной компоненты в слабую в зависимости от концентрации раствора, соотношения ннтенснвнсстей пучков и времени их прихода в нелинейную среду, наличия просветляющего предимпупьса. Предполагается, что срыв процесса самодифрашш при запаздывании зондирусаего пучка на 1 * 3 не связан со спектральным рассогласованием излучения с контуром BIP-усиления. Отмечался ряд специфических особенностей светорассеяния накачки - переход к немонотонной во времени форме импульса.светорассеяния при увеличении длительности импульса накачки т с -16 не до -25 не, а также светорассеяние в форме последовательности концентрических колец при возбуждении импульсом промодулировакнкм ео времени.

В S 3.4.1 показано, что излучение генерации, как правило, рассеивается в результата Брзгговской дифракции излучения на сформированных накачкой "шумовых" решетках. Предполагается, что роль фазовых "иумовых" решеток не сводится исключительно к ухудшению диаграммы направленности излучения за счет дифракции. Возможным результатом данного процесса может быть перераспределение энергии Бозбухдения из зоны "перекачек" в пэреферийныэ слабонака-чанные области и, следовательно, повышение энергосъема.

В $ 3.4.2 приводятся результаты лазерного флеа-фотолиза зта-нольного раствора Родамина Ж при разных уровнях интенсивности возбуждения. Получены иитеграг.': ие спектры поглощения продуктоз фотовозбуждания в диапазоне 550 * 670 нм при зондировании синхронно какачке и с задержкой во времени в -25 не. Сильная структурированность спектра при Р^ f,5 Лж/смг и наблюдаемые различия для обоих вышеуказанных вариантов свидетельствуют о возникновении коротко- и голгоитуаих продуктов фотовозбуждения, кетовые погло-

12

каст в широком спектральном ннтервгле, включая область генерации. Оценки показали, что вероятность фотопревращения для колекулы Родамина Ж при трехступенчатом возбуждении излучением с X = 532 пи достигает достаточно большой величины -0,005 * 0,007.

В четвертой главе пригодятся результаты экспериментальных исследований по расширению диапазона генерации лазера на красителях в инфракрасную область спектра с использованием ВКР-преобра-зователя на сжатом водороде.

В J 4.1 рассматривается возможность высокоэффективного ВКР-преобраэования в первую и вторую стоксовн компоненты широкополосного излучения лазера на красителях а сфокусированном пучке. Показано, что при изменении ширины спектра излучения лазера Lv в диапазоне 0,7 * 200 см"' , эффективность ЕКР-преобразования излучения изменяется незначительно, вследствие реализации когерентного режима рассеяния при всех Дур. В обо стоксовн компоненты преобразуется до 40" энергии излучения, а квантовая эффективность преобразования из возбуждающего излучения в первую стсксову компоненту и из первой во вторую составила 40 * 50% и 12 * 24S, соответственно, в зависимости от ширины спектра Avp.

Перестройка излучения лазера на красителях в спектральном диапазоне 0,72 * 1,048 мкм (5 4.2) позволила на выходе ВКР-пресбразователя получить излучение модностью 0,05 * 8,0 !!Вт, перестраиваемое в диапазоне 1,03 * 8,11 «кн.

В пятой глава содержится описание оптических схем п конструктивных особенностей приборных вариантов исполнения импульсно- периодических лазеров "на AiiTiNd^* с 0Bi> при ВР!Ш.

Приводятся генерационные характеристики ноешого двухканаль-ного лазера на АИГ:ШЭ + "Гранат- OBS»** а обеспечивающего генерацию . излучения с узкой шириной спектра, близкой к дифракционной расходимостью и энергией в каждом из двух каналов до 1,7*2,0 Дж на X = 1064 нм, 0,5*1,0 Дж на X = 532 им, 0,2*0,3 Ел на X = 355 ни, 0,1* 0,2 Дж на X = 266 нм. Приводятся генерационные характеристики малогабаритного лазера на АИГ:Ш3 + , работающего с частотой 1*15 Гц, в котором осветитель выполнен по схеме "светового котла" с возбуждением одного активного элемента генератора и трех активных элементов усилителей одной импульсной лампой накачки. Энергия лазера достигает 0,35*0,45 Да на основной частоте при высокоэффективном преобразовании излучения во вторую и четвертую гармоники, при этом стабильность по энергии излучения на длине

13

вояка- таргр'гог г&ригкхкв- вз хужэ

Основные результата и в!.тволч данной работы заключается в следующем:

1. Показано, что в юаульсао-пориодичоских лазерный система): на АИГ:И3+ получение близких к предельным энергии и расходимости излучения на основной частоте, а таккэ па частотах второй, третьей и четвертой гармоник обеспечивается при построении лазерной система по с::сме с ¡-ранокозешш вводом получения низкоинтен-савного оадаььаго льзорг., райотаьаэго в одночастотном режиме на ТЕМ им», ь д&ухг.рзх<%си&1 уокяатель с ОВФ-зеркьлом ка ВРМБ, при использовании плаз^с-нкс^ разьлзки кегду иагашш лазером к усяяатекзм. Указанна;: ьхеиа ксгссдлет реализовать высокий уровень ОДНОПрРХОЕОВОГО усиления Х.П.Ч вЗДЗЭГО сшила -(2 + 3)х10*, значительно ослабить 5сад4..1от£К'с »¡а ойгаззиЛ язЬер необрацеикого излу-ч-лглй , возникахаего а ригул-тач« диуяучепреломлг-икя активных элементов , а таг.2.0 допуска г соззйигй параллельны:: ¡шиеск усилителей с идентичными харглаорпст!!.;^;. Сквер уекзвп?., когда происходит выравнивание усилений для всгргч::э р^сярострапягаихоя по такому двухнреходовоь'у усклнтзл» егштогих 1:;.'луя1С01; разной иктесивнсстк, обеспечивает припорого^!,:;; реши: г~боти Сй^-зерхала и низку» чувствительность пгнсрг.Ц!:э1Ш;л хг.?а::тар::ст»:к к ко^г.цкепту отра-кзния БР^>-ср«дц, приводе в итого г. ышхеоиу • качеству обрсаения излучения к высокой энергетической стаб-ты-оотк системы. Полкы.1 сьем всей запасенной энергии при указанном выае усилении обеспечивался для входного сигнала ^100 ккД, г.рн сток плотность энергии выходного излучения достигла ьЗ.б + 3,7 Я-/с>/ .

В лазера на с 021-й1,р:'.алсг1 яоетагнута энергия гене-

рации кг основной и удвоенной частотах 3,4 и 1,6 Дг, соответственно .

2. Показано, что осисы:±л£- факторами, ограничивавдилш выходную энергию излучения в жзз®р;:з2 системе, состоящей из задавшего л агора и усилителя с ОВФ-ЕРмТЗ-зеркало/, являются самовозбуиепие усилителя с участьем ролеевскогс рассеяния света в ВРг'З-жилкссти, а также светорассеяния па кикрокеоднородкостяя и микропузырьках в оптических элементах п двухпроходоьое УСИ вдоль активней среды. Вследствие более высокого порога возникновения названных эффектов, предельная энергия излучения в схеме с двухпроходовым усилителем в ~3,7 раза выше, чем в схеме с четырехпроходовым.

Показано, что самовозбуждение двухпроходового усилителя с

14

ОВФ-зеркалом может приводить к генерации • неуправляемых иощных импульсов излучения наносекундной длительности (модуляция добротности ОВФ-зеркалом) с сильно неоднородным распределением излучения в поперечном сечении пушса. Определены условия, при которых на основе данного эффекта возможно создание лазерной системы с высокой энергией и близкой к дифракционной расходимостью излучения, реализован лазерный источник с плотностью энергии излучения на выходе ~3,7 Дж/см2 при расходимости -0,5 ырад.

3. Показано, что в моноимпульсных лазерах на АИГ:Ш,+ падение коэффициента усиления и, соответственно, выходной энергии лазера с ростом диаметра активного элемента, а также при размещении нескольких активных элементов в общем осветителе, возможно при развитии мощного излучения усиленной люминесценции, формирующегося внутри отражателя осветительной системы лазера. Увеличение объема отражателя, снижение коэффициента ого отражения в спектральной области генерации, а также помещение активного элемента внутрь оболочки, поглощающей излучение усиленной люминесценции, в совокупности с устранением генерации на внутренних модах в активной среде, позволило на элементах диаметром 10 мм получить коэффициент усиления ~0,63 см"1 .

4. Показано, что при накачке растворов красителей наносе-кундными импульсами излучения с плотностью энергии > 0,5 + 1,5 Дж/смг наблюдается падение к.п.д. генерации, обусловленное нелинейным рассеянием излучений накачки и генерации, а также поглощением коротко- и долгокивуаими фотопродуктами. Кроме этого, при больших поперечных размерах Активной среды падение к.п.д. и даже срыв генерации возможны в результате возникновения излучения усиленной люминесценции, развивающегося в направлениях отличных от направления генерации. Оптимизация условий возбуждения растворов красителей высокоэнергетическими импульсами излучения наносекундной длительности по плотности излучения накачки, геометрическим размерам активной среды: и концентрации раствора позволяет получать высокие энергия лазерной генерации при реализации близких к предельным к.п.д..

Показано, что при модном возбуждении зтанольного раствора Родамина Ж появляются коротко- и долгоживушие (>25 не) фотопродукты, поглощающие в широком спектральном диапазоне, включая область генерации.

5. Доказано, что нелинейное светорассеяние излучения накачки

15

в растворах красителей связано с процессом перекачки энергии возбуждения в шумовые компоненты в результате нестационарной самодифракции на фазовых решетках, формирующихся при поглощении света в канале возбужденных синглетных уровней.

Рассмотрены условия формирования объемных динамических голограмм в растворах красителей. Изучена эффективность энергообмена при самодифракиии накачки на отражательных решетках, обнаружен эффект временной невзаимности для пучков, сильно различающихся по интенсивности;

Показано, что светорассеяние излучение генерации происходит в результате брэгговской дифракции на сформированных накачкой ф&зовых решетках.

6. Экспериментально реализовано DKP-преобразование в газообразном водорода излучения лазера на красителях с шириной спектра -200 см" с энергетической эффективность» 34%. Осуществлена плавная перестройка спектра в диапазоне до 8.11 ыкм.

7. Впервые разработаны приборные образцы лазеров на АИГ:Ш3+с использованием эффекта ОБФ при ВРМБ - моиньей двухканальный лазер "Гранат-OBi" и малогабаритны» лазер нЛюзар-0ВФ-Ч" со следующими характеристиками:

"Гранат-ОВФ" "Люэар-ОВФ-Ч'

энергия генерации, мДж

на 1064 нм 1700+2000* 300+450

на 532 нм 500*900* 150+200

на 355 нм 200*300* -

на 266 нм 100+200* 25+30

энергетическая стабильно сть, %

на 1064 нм 1.5

на 532 ни - 4.5

на 266 нм - 9.0

расходимость излучения, мрак 0.30" 0.35

ширина спектра, см"' 0.01® 0.01

длительность импульса, не 8" 8

частота повторения, Гц 1+5* ■ 1+15

диаметр пучка, мм 10* 5

габариты излучателя, мм 1250x460x240 900x240x165

вес излучателя, кг 90 25

для каждого из двух каналов генерации

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах :

1. Батище С.А., Кузьму.с A.A., (Малевич H.A., Мостовников В.А., Мышалов П.И., Татур Г.А. Особенности применения метода ОВФ на БРМБ для улучшения пространственно-угловых характеристик мощных лазерных систем на АИГ.'Ш3* и неодимовом стекло // Всес. научно-техн. школа-семинар по лазерному, оптическому и спектральному приборостроению: Тез. докл. - Минск, 1986.

С.142-144.

2. Артемьев Н.В., Батиие С.А., Кузьмук A.A., Малевич H.A., Мостовников В.А., Толстошез A.B. Исследование особенностей использования ОВФ на ВРМБ в мозшых лазерных системах на АИГ:ШЭ + с малой расходимостью // Обращение волнового фронта в нелинейных средах /Под ред. А.С.Рубанова. - Минск, 1937. -С.247-250.

3. Артемьев Н.В., Батипю С.А., Багдасаров Х.С., Кузьмук A.A., Малевич H.A., Мостовников В.А., Письменный В.Н., Толсто-шез A.B., Федоров Е.А. Экспериментальные особенности создания мощных лазерных систем на АИГ:Ш3* с двухпроходовым усилителем и ОВФ на ВРМБ // ЖПС. - 1987. Т.47, N6. - С.920-923.

4. Батище С.А., Кузьмук A.A., Малевич H.A., Мостовников В.А. Самомодуляция излучения в лазерной системе на АИГ:Ш3 + с двухпроходовым усилителем и обращающим ВРМВ-зеркалом // ЖПС. - 1989. - Т.50, N5. - С.983-986.

5. Батище С.А., Малевич H.A., Мостовников В.А., Мышалов П.Н.

»

Влияние многопроходовой усиленной люминесценции, формирующейся на элементах осветителя, на энергетические характеристики моноимпульсных лазерных систем на АИГ:Ш3+ // Н1С. - 1985. -Т.43, N4. - С.576-579.

6. Батище С.А., Кузьмук A.A., Малевич H.A., Мостовников В.А. Повышение энергетических характеристик моноимпульсных лазеров на АИГ:Ш3+ // Весц1 АН БССР. Сер. ф1э.-кат. навук. - 1987. -N2. - С.61-64.

7. Батище С.А., Ганга В.А., Мостовников В.А., Малевич H.A., Перлов Л.И., Икфрин В.П. Исследование работы лазерной системы на растворах красителей при накачке наносекуядными импульсами излучения высокой мощности // Л1С. - 1983. - Т.39, Н6. -С.934-938.

8. Батипе С.А., Ганха В.А., Мостовников В.А., Малевич H.A.,

17

Перлов Д.И., Шифрин В.П. Исследование работы лазерной системы на растворах красителей при накачке излучением второй гармоники моноимпульсного лазера на неодимовом стекле с большой энергией // III Всесоюз. конф. "Лазеры на основе сложных органических соединений и их применение": Тез. докл. - Ужгород, 1980. - С.230-232.

9. Ганжа В.А., Малевич H.A. Лазерные среды на растворах красителей при моаных накачках // VII Респ. конф. молодых ученых по физике: Тез. докл. - Могилев, 1982. - С.56.

10. Батише С.А., Гурленя В.И., Малевич H.A., Мостовников В.А., Мышалов П.И., Татур Г.А. Особенности создания мощных широкодиапазонных лазерных систем на основе растворов красителей // ЖПС. - 1986. - Т.44, Н2. - 214-219.

11. БатищеС.А., Малевич H.A., Мостовников В.А. К механизму нелинейного рассеяния излучения наносекундной длительности в растворах красителей // Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах /Под ред. А.С.Рубанова. -Минск, - 1990. - С.339-344.

12. Апанасевич П.А., Батиае С.А., Ганка В.А., Грабчиков A.C., Малевич H.A., Мостовников В.А., Орлович В.А. Высокоэффективное ВКР-преобраэование частоты широкополосного излучения в сжатом водороде // Ш>. - 1982. - Т.52, N4. - С.808-809.

13. Апанасевич П.А., Батице С.А., Ганжа В.А., Грабчиков A.C., Камач Ю.Э., Козловский E.H., Малевич H.A., Мостовников В.А., Овчинников В.М., Орлович В.А. ВКР-преобразование плавно перестраиваемого излучения в ближний и средний инфракрасные диапазоны // Письма в ЖГФ. - 1982. - Т.8, N12. - С.740-743.

14. Апанасевич П.А., Батиае С.А., Ганжа В.А., Грабчиков A.C., Камач Ю.Э., Козловский E.H., Малевич H.A., Мостовников В.А., Овчинников. В.М., Орлович В.А. Источник моаного излучения, плавно перестраиваемого в диапазоне 0,72-8 мкм // Изв. АН СССР. Сер. физ. -1983. - Т.47, N8. - С.1551-1554.

15. Апанасевич П.А., Батише С.А., Ганжа В.А., Грабчиков A.C., Камач Ю.Э., Козловский E.H., Малевич H.A., Мостовников В.А., Овчинников В.М., Орлович В.А. Источник излучения, плавно перестраиваемого в диапазоне 0,72-8 мкм // III Всесоюз. конф. "Оптика лазеров": Тез. докл. - Ленинград, 1982. - С.200.

16. Апанасевич П.А., Батише С.А., Гахович Д.Е., Грабчиков A.C., Гурленя В.А., Малевич H.A., Мостовников S.A., Орлович В.А.,

18