Спектральные и амплитудные характеристики твердотельных монолитных источников лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

р [ 5 ^ ^ ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

О 5 ш ь • РГБ ОД

О 5 Я Н В 1998 На правах рукописи

ГОЛОВНИН ИЛЬЯ ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 621.373

СПЕКТРАЛЬНЫЕ И АМПЛИТУДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ МОНОЛИТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.21 — лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1997

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессо; физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент Б.В.Жданов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

член-корресподент РАИН, профессор В.Г.Дмитриев

кандидат физико-математических наук, вед.н.с. А.И.Холодных

Ведущая организация: Научно-исследовательский центр по

технологическим лазерам Российской академии наук (НИЦТЛ РАН)

Защита состоится " ^ " 1998 г. в ^"00 в аудито

рии им. С.А.Ахманова Корпуса нелинейной оптики на заседании Спе циализировашгого Ученого Совета N 1 отделения радиофизики физиче ского факультета МГУ им. М.В.Ломоносова (шифр К.053.05.21) т адресу: 119899, Москва, Воробьевы Горы, МГУ, физический факультет ул.Хохлова 1, Корпус нелинейной оптики.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическое факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан " ! $ 1997 года.

/Г I . ^ ^

Ученый секретарь'г - ' ; II -II

Диссертационного совета К.(^53.05.21, // . ^

кандидат физико-математических наук, . .,/ №

доцент \ М.С.Полякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Значительный прогресс достигнутый в настоящее время в таких областях науки и техники, как нелинейная оптика, прецизионная интерферометрия, спектроскопия высокого разрешения, лазерная физика ставит задачу разработки непрерывных лазерных источников излучения с высокими пространственными (ТЕМоод мода, дифракционная расходимость излучения), спектральными (одночастотный режим генерации) и поляризационными свойствами. Наряду с этим, технологические успехи в разработке и изготовлении мощных полупроводниковых лазеров* используемых в качестве источников накачки, позволяют уменьшить размеры и резко повысить эффективность таких систем. Использование монолитной конструкции резонатора позволяет существенно улучшить стабильность частоты (до 40 кГц за 8 мин ) и амплитуды генерируемого излучения (до 0.01%) за счет уменьшения технических флуктуаций и флуктуаций излучения накачки.

Для ряда применений, таких, например, как интерферометрия высокого разрешения или для исследования неклассических (сжатых) состояний света помимо частотной стабильности излучения и длины когерентности, существенную роль играет также стабильность интенсивности излучения и состояние поляризации лазерного источника.

Мощность современных высокостабильных лазеров с накачкой лазерными диодами составляет десятки-сотни миливатт. Для некоторых приложений, например, дистанционное измерение скорости, требуются много большие мощности при сохранении ширины линии излучения и стабильности частоты, то есть актуальной остается задача усиления высокостабильного излучения. При этом, в зависимости от конкретного приложения усилитель мощности может быть как непрерывным, работающим в регенеративном режиме, так и импульсным. В обоих случаях важным является вопрос о сохранении стабильности частоты усиливаемого излучения. Несмотря на хорошо развитую теорию и технику усиления одночастотного излучения в импульсных твердотельных усилителях, детальное изучение факторов приводящих к сдвигу частоты и

возможностей их компенсации представляется весьма важным с практической точки зрения.

Прогресс в развитии лазеров с накачкой лазерными диодами стимулировал, также, разработку новых эффективных нелинейно-оптических устройств по преобразованию частоты во вторую гармонику и параметрических генераторов света (ПГС). Такие устройства, созданные на основе монолитных кольцевых резонаторов, помимо очень высоких КПД (до 69% для генерации второй гармоники в непрерывном режиме), имеют, практически, такую же ширину (-10 кГц) и стабильность линии генерации, как и исходное излучение. Поэтому изучение возможностей повышения частотной стабильности лазерного излучения, в частности, с помощью нелинейно-оптических преобразователей, является весьма актуальным. Ниже будут рассмотрены условия при которых стабильность генерируемых частот в процессе параметрической генерации света может быть выше как стабильности собственных частот резонатора ПГС, так и стабильности частоты накачки.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Целью настоящей диссертационной работы является разработка и изучение параметров излучения монолитных одночастотных АИГ:М<1 лазеров с диодной накачкой, а также исследование факторов определяющих стабильность частоты при усилении этого излучения в импульсном линейном усилителе и при параметрическом преобразовании.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Предложена и реализована градиентная цилиндрическая линза с профилированным входным торцом система для согласования астигматического пучка излучения диодного лазера и круговой ТЕМоо3 моды линейного резонатора.

2. Развита теория усиления монохроматического лазерного излучения при его распространении через линейный усилитель, в том числе в режиме насыщения усиления, на основании которой проведены расчеты амплитуды и сдвига частоты усиливаемого излучения. В сдвиге частоты выделены нерезонансная (термооптическая) и резонансная компоненты. Первая компонента связана с температурной зависимостью

показателя преломления и термическим расширением активной среды. Вторая компонента обусловлена нестационарностью инверсии населенности и спектроскопических параметров активной среды (ширины и центральной частоты линии усиления).

3. С помощью созданной автоматизированной экспериментальной установки измерены резонансные и термооптические компоненты сдвига частоты усиливаемого излучения при различных режимах усиления. Проанализирована возможность уменьшения суммарного сдвига частоты за счет вычитания резонансной и нерезонансной компонент.

4. Развита теория диапазонной стабилизации частоты в двурезо-нансном параметрическом генераторе света. Показано, что такой генератор обладает свойством подавления флуктуации частот генерируемых волн, возникающих из-за флуктуации частоты накачки и длины резонатора. Определены максимально допустимые значения изменения длины резонатора и уходов частоты накачки для обеспечения указанного режима работы двурезонансного параметрического генератора света, которые составляют соответственно (5Ь)сг ~ Ю-8 см и (5шз)сг »11 кГц. Показано, что при этом коэффициент подавления технических флуктуаций может достигать величины порядка 103.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Предложенный в диссертации метод согласования астигматического пучка излучения диодного лазера и круговой ТЕМ()од моды линейного резонатора может найти применение в согласующих устройствах для ввода излучения в волоконнооптические линии, а так же при конструировании микролазеров с диодной накачкой.

Разработанный источник одночастотного излучения с высокой амплитудной стабильностью может быть использован в исследованиях неклассических (сжатых) состояний света.

Развитые в диссертации экспериментальные методы регистрации малых фазовых сдвигов оптического излучения могут применяться в задачах прецизионной интерферометрии.

Предсказанный эффект диапазонной стабилизации частоты света в двурезонансных параметрических генераторах может быть использован

для создания перестраиваемых по частоте высокостабильных источников когерентного излучения.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Предложенная в данной работе градиентная цилиндрическая линза с профилированным торцом является оптимальной системой для согласования пучка излучения ЛД накачки с ТЕМ00д модой монолитного резонатора.

2. Разработанный одночастотный источник лазерного излучения, состоящий из монолитного ТКЛ с накачкой излучением лазерного диода и.схемы прямого управления обеспечивает относительную стабильность мощности излучения не хуже 4-Ю"6 при ширине спектральной линии не более 4 кГц.

3. Величина сдвига частоты узкополосного излучения при усилении его в однопроходовом импульсном усилителе определяется двумя компонентами. Первая компонента — нерезонансная или термооптическая, обусловлена температурной зависимостью показателя преломления и термическим расширением активной среды. Вторая компонента — резонансная, обусловлена нестационарностью инверсии населенности и спектроскопических параметров активной среды (ширины и центральной частоты линии усиления).

4. Наибольший вклад в сдвиг частоты в случае усиления оптического сигнала в импульсном усилителе на AHr:Nd с ламповой накачкой вносит термооптическая компонента. Ее величина составляет не более 4 кГц на один проход усилителя при энергии импульса накачки 60 Дж и длительности импульса накачки 150 мкс.

5. Уменьшение сдвига частоты узкополосного излучения при усилении его в однопроходовом импульсном АИГ усилителе с ламповой накачкой возможно за счет вычитания резонансной и нерезонансной компонент сдвига при отстройках от центра линии усиления на величину порядка 16..20 ГГц. Однако, такая компенсация сдвига частоты ограничивается значительным уменьшением коэффициента усиления усилителя.

, 6 Двурезонансный параметрический генератор света обладав! свойством подавления флуктуации частоты выходного излучения, обу-

словленных изменениями частоты накачки и длины резонатора. При оптимально подобранных добротностях на собственных частотах резонатора коэффициент подавления этих флуктуации составляет величину порядка 103.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты работы представлялись в качестве докладов на VI Всесоюзной конференции Оптика Лазеров (Ленинград, 1990), XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991), XII Международной конференции Оптика Лазеров (С.-Петербург, 1993), Российской национальной конференции "Лазерные технологии'93" (Шатура, 1993), XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (С.-Петербург, 1995), Конференции молодых ученых в рамках мемориальных мероприятий, посвященных 70-летию Р.В.Хохлова (Москва, 1996).

Также, результаты работы опубликованы в специализированных научных изданиях "Квантовая электроника", Proc.SPIE и Nonlinear Optics.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 3 — тезисы Международных конференций и одно авторское свидетельство.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Объем диссертации составляет 146 страниц, включая основной текст, 60 рисунков и список литературы из 101 наименования.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. В конце каждой главы дано заключение, в котором формулируются основные выводы по материалу данной главы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность выполненных исследований, сформулирована цель диссертационной работы и дано краткое содержание диссертации.

ПЕРВАЯ ГЛАВА содержит анализ основных публикаций по вопросам разработки и исследования свойств излучения монолитных твердотельных лазеров с накачкой лазерными диодами. Описаны преимуще-

ства диодной накачки по сравнению с ламповой накачкой и особенности использования монолитных резонаторов для твердотельных лазеров. Отражены методы и основные достигнутые результаты при дополнительной стабилизации частоты монолитных лазеров с диодной накачкой.

Здесь так же дан обзор публикаций по вопросам усиления одно-частотного излучения в импульсных усилителях. В основном это газовые TEA СО2 лазеры и усилители применяемые в лидарных системах.

Отражено также современное состояние проблемы нелинейно-оптического преобразования частоты монохроматического непрерывного излучения.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ, ориентированной на создание узкополосного, стабильного по частоте лазера, была исследована схема линейного монолитного излучателя на кристалле AHT:Nd с продольной накачкой излучением лазерного диода (ЛД) на основе InGaAsP/GaAs.

Монолитный линейный микролазер состоит из следующих элементов: лазерный диод (являющийся источником излучения накачки), фокусирующая система (позволяющая согласовать астигматическое излучение ЛД с каустикой моды резонатора) и АИГ:М активного элемента (монолитный линейный резонатор, в котором зеркала напылены непосредственно на торцы активного элемента).

При выборе оптимальной длины монолитного резонатора учитывалось несколько факторов. С одной стороны, для достижения эффективной генерации лазера необходимо максимальное поглощение излучения накачки, и потому длина активной среды должна составлять величину не менее 4..5 мм, так как коэффициент поглощения ионов Nd3+ при концентрации 0.6 %— 0.7..0.8 мм"1. С другой стороны, для получения устойчивой одночастотной генерации целесообразно использовать АЭ меньшей длины, чтобы частотный сдвиг между соседними продольными модами был не меньше ширины линии усиления активной среды. Отсюда следует, что длина резонатора должна быть не больше 5 мм. Были изготовлены несколько образцов монолитных резонаторов длиной от 1 до 5 мм. Радиус кривизны зеркал, напыляемых на торцы АЭ составлял R= 20 мм. Рассчитаны параметры каустик TEMooq моды этих резонаторов.

При выборе лазерного диода для использования в качестве источника эффективной накачки мополитного микролазера на AHr:Nd необходимо, чтобы он удовлетворял определенным требованиям, а именно: а) достаточная выходная мощность ЛД для обеспечения необходимой выходной мощности АИГ лазера, б) возможность подстройки длины волны излучения ЛД и удержания ее в области максимального поглощения активным элементом с необходимой точностью, в) надежность и долговечность. Были исследованы параметры нескольких опытных образцов ЛД на основе InGaAsP/GaAs мощностью до 200 мВт изготовленных в ЛФТИ и ЛД типа ИЛПН-206а (одпомодовые, мощностью до 10 мВт, производство ПО "Север" г.Новосибирск). Исследовались ватт-амперные характеристики, зависимость длины волны излучения от температуры, модовый состав излучения, размеры излучающей области, а также диаграмма направленности излучения.

Преимуществом ЛД типа ИЛПН-206а является сравнительно узкая ширина линии генерации -0.2 нм, что позволяет идеально согласовать спектр поглощения АЭ и спектр излучения ЛД, а также малые размеры излучающей области (0.5 х 5 мкм), что упрощает фокусировку излучения ЛД в каустику резонатора твердотельного лазера даже без компенсации астигматизма.

Мощные ЛД работают в существенно многомодовом режиме (ширина спектра 4.. 6 нм, межмодовое расстояние составляло 0.2..0.3 нм), что снижает эффективность использования накачки, т.к. ширина спектра поглощения АИГ-.Nd на длине волны 808 нм — порядка 1 нм. С другой стороны, широкий спектр излучения и малое межмодовое расстояние у мощных ЛД позволяет практически плавно перестраивать длину волны спектрального максимума излучения (в пределах 3..5 нм), что облегчает согласование с полосой поглощения АИГ активного элемента. К достоинствам мощных ЛД можно отнести, также, слабую зависимость длины волны излучения от мощности накачки при фиксированной температуре подложки (порядка 0.1 нм при изменении выходной мощности от 0 до 50 мВт).

На основании этих данных для лабораторных экспериментов по диодной накачке AHr:Nd микролазера был выбран один из опытных образцов ЛД на основе InGaAsP/GaAs. Было проведено измерение угло-

вой расходимости пучка излучения ЛД (ГпСаАзР/СаАа), используемого для накачки микролазера. В плоскости с максимальной расходимостью (перпендикулярно р-п переходу) профиль пучка имеет почти гауссову форму, а в плоскости минимальной расходимости (параллельно р-п переходу), существенно негауссову. Углы расходимости составили величины 7° и 24° соответственно.

Для согласования пучка накачки с размерами каустики основной моды резонатора в данной работе использовалась градиентная цилиндрическая линза (ГЦЛ), представляющая собой отрезок волоконного световода, показатель преломления которого квадратично зависит от расстояния от его оси. Преимуществом ГЦЛ перед обычной сферической линзой является то, что главные оптические плоскости ГЦЛ не совпадают с входной и выходной плоскостями и можно подвести входной торец ГЦЛ непосредственно к излучающей области ЛД и, таким образом, захватить максимум излучения диода, имеющего большую расходимость. В идеальном случае максимальный угол расходимости ЛД не должен превышать максимального угла ввода излучения в ГЦЛ. Фокусное расстояние эквивалентной тонкой линзы можно регулировать длиной ГЦЛ. Такая линза сильно упрощает настройку системы фокусировки излучения ЛД в каустику монолитного резонатора, но не влияет на астигматический характер излучения ЛД.

Для компенсации астигматизма излучения ЛД была предложена конструкция градиентной цилиндрической линзы со специально профилированным входным торцом. Входная поверхность такой ГЦЛ имеет седлообразную форму, так что в плоскости наибольшей расходимости астигматического пучка она имеет положительную кривизну (выпуклую в сторону источника излучения), а в плоскости наименьшей расходимости астигматического пучка — отрицательную кривизну (вогнутую поверхность по отношению к источнику). При фокусировке излучения ЛД с помощью обычной ГЦЛ соотношение полуосей эллипса светового пятна составляло величину -10, тогда как при использовании предложенной ГЦЛ с профилированным торцом удалось снизить это соотношение почти до 2. При этом, одновременно повышается порог генерации высших поперечных мод лазера, возникающих из-за неидеальности согла-

сования размеров пучка накачки и размеров каустики основной моды резонатора.

Экспериментально изучались зависимости выходной мощности монолитных АИГ микролазеров с различной длиной АЭ от мощности накачки и от коэффициента отражения выходного зеркала._ Одновременно осуществлялся контроль модового состава излучения. Результаты исследований показали, что для достижения одночастотного режима генерации необходимо использовать резонаторы меньшей длины (-1 мм), а наибольшей эффективностью обладает лазер с коэффициентом отражения выходного зеркала 99.7% (исследовались образцы с коэффициентами отражения выходного зеркала — 99.0, 99.5 и 99.7%).

Для определения ширины линии излучения монолитного АИГ:Кс1 лазера использовалась следующая методика. Лазер вводился в режим многомодовой генерации путем слабой разъюстировки пучка накачки относительно ТЕМ00(? моды монолитного резонатора. Измерялись ширина линии гетеродинного сигнала для близлежащих мод. Излучение лазера коллимировалось линзой на фотодиод, а затем сигнал с фотодиода исследовался на спектроанализаторе. Разностная частота между модами составляла около 120 кГц. Измерения показали, что ширина спектра разностного сигнала для различных образцов АИГ:Ы(3 монолитных лазеров была не более 10 кГц.

Долговременная стабильность линии излучения лазера определяется стабильностью температуры монолитного АЭ и составляет 3.1 ГГц/град. В наших экспериментах активная термостабилизация АЭ лазера не проводилась, а оцененная по эталону Фабри-Перо с базой 100 мм долговременная стабильность такого лазера была не хуже 300 МГц/час.

В результате был создан экспериментальный макет линейного АИГ:Ыс1 микролазера с диодной накачкой работающий в одночастотном и одномодовом режиме с выходной мощностью до 40 мкВт и шириной линии не более 10 кГц.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ представлены результаты исследований поляризационных и спектральных характеристик, а также флуктуаций интенсивности излучения кольцевого монолитного АИГгЫс! лазера с па-качкой излучением ЛД.

Дано описание конструкции и принцип действия монолитного твердотельного кольцевого лазера (ТКЛ). Описан принцип получения одночастотной генерации в монолитных ТКЛ с накачкой ЛД с использованием неплоской конструкции резонатора и магнитооптических свойств самого активного элемента АИГ.

р

Принцип измерения степени деполяризации § = дед основан на

-^вых

выделении мощности деполяризованной компоненты Рдеп из полной мощности лазерного излучения РЕЫХ. Для этого исходная эллиптическая поляризация выходного излучения монолитного ТКЛ преобразовывалась в линейную с помощью волновой пластинки из слюды, а затем эта линейно поляризованная компонента отсекалась анализатором (призмой Глана). В этом случае фотоприемник, расположенный за анализатором, регистрировал только деполяризованную компоненту, которую не удается преобразовать волновой пластинкой в линейно поляризованную. Чувствительность такого поляриметра (определенная путем измерения степени деполяризации излучения Не-Ые лазера типа ЛГН-201) составила величину менее 3-Ю"5. Измерения показали, что мощность деполяризованной компоненты монотонно возрастает пропорционально мощности накачки, а выше порога генерации ТКЛ — пропорционально выходной мощности излучения лазера. При переходе через порог генерации лазера степень поляризации (определяемая, как р = 1 - менялась скачкок от нуля до 0.997 и далее не зависела от накачки. Таким образом, изме ренная степень деполяризации выходного излучения монолитного кольцевого лазера составила § = З10_3. Показано, что основным механизмов деполяризации излучения монолитного ТКЛ является наведенное дву-лучепреломление, вызванное остаточными механическими напряже ниями в активном элементе, которое неоднородно как по величине, та* и по ориентации оптической индикатриссы. Обсуждается возможности минимизации остаточных механических напряжений, возникающих ) процессе обработки лазерного кристалла путем построения неплоскоп монолитного резонатора с учетом естественных кристаллографически? плоскостей кристалла активного элемента.

Измерение ширины спектра излучения монолитного кольцевого лазера проводилось методом гетеродинного смешения сигналов от двух независимых источников. Излучение лазеров с помощью светоделитель-ной пластинки смешивалось на фотоприемнике, выделявшем разностную частоту. Подстройка частоты излучения лазеров производилась: грубо — вариацией температуры активных элементов и точно — небольшими изменениями мощности накачки. Измерение ширины спектра дает значение не более 2..4 кГц за период усреднения 0.1 с. Скорость относительного дрейфа оптической частоты двух лазеров составила величину порядка 20 кГц/с.

Для изучения влияния амплитудной нестабильности источника накачки на флуктуации мощности монолитного ТКЛ был проведен эксперимент, сущность которого заключалась в том, что в цепь питания полупроводникового лазера накачки вводился слабый переменный сигнал, модулирующий мощность излучения полупроводникового лазера. В то время как относительная глубина модуляции мощности накачки остается практически неизменной (порядка 0.1%) во всем интервале изменения частоты модуляции (10..800 кГц), модуляция интенсивности выходного излучения исследуемого ТКЛ имеет ярко выраженный пик на частоте около 160 кГц (до -10%). Этот пик соответствует частоте релаксационных колебаний для данного лазера. Выходная мощность монолитного ТКЛ в этом случае составляла 5.0 мВт. Существенным является уменьшение глубины модуляции мощности излучения ТКЛ, которая при частотах более 400 кГц не превышает Ю-3, то есть, фактически, глубину модуляции мощности накачки. В отсутствие принудительной модуляции мощности накачки относительная стабильность выходной мощности исследуемого кольцевого ТКЛ была не хуже 5-Ю-4.

Таким образом, самый большой вклад в флуктуации мощности излучения ТКЛ вносит резонанс на частоте релаксационных колебаний, который фактически определяет относительную и абсолютную стабильность мощности лазера. Спектр пика релаксационных колебаний достаточно узкий, а шумы в диапазонах до и после пика на два порядка меньше амплитуды самого пика.

Л кГц

Рис.1. Спектры флуктуаций мощности выходного излучения ТКЛ при выключенном (точки) и включенном (линия) контуре прямого управления.

Для фильтрации флуктуации мощности излучения исследуемого лазера на частоте релаксационных колебаний использовалась схема прямого управления, работающая следующим образом. Небольшая часть выходного излучения подается на фотоприемник, далее амплитудные флуктуации излучения усиливаются, разворачиваются по фазе на л и подаются на управляющий элемент. В качестве управляющего элемента использовался акусто-оптический модулятор М3-301Б. Режим работы ТКЛ выбирался так, чтобы выходная мощность была близка к максимальной, и ЛД накачки работал в малошумящем режиме.

На рис. 1 представлены характерные спектры флуктуаций мощности излучения ТКЛ при выключенном и при включенном контуре прямого управления. Коэффициент подавления амплитудных флуктуаций на частоте релаксационных колебаний составил величину 94. То есть использование схемы прямого управления излучением монолитного кольцевого ТКЛ позволило снизить относительные флуктуации мощности лазера практически на два порядка (до величины 4 • 10~6) в частотном интервале от сотен герц до 300 кГц).

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ отражены результаты теоретических и экспериментальных исследований посвященных свипированию (сдвигу) частоты излучения при его усилении в линейном импульсном усилителе с ламповой накачкой. Определены основные факторы приводящие к этому эффекту. Величина сдвига частоты зависит как от внутренних оптических характеристик кристалла усилителя, так и от ряда внешних факторов — интенсивности усиливаемого импульса, мощности накачки активного элемента, его температуры и т.д.

Развита теория усиления монохроматического лазерного излучения при его распространении через однопроходовый импульсный усилитель, в том числе в режиме насыщения усиления, на основании которой проведены расчеты амплитуды и сдвига частоты усиливаемого излучения.

В сдвиге частоты выделены нерезонансная (термооптическая) и резонансная компоненты. Первая компонента, связанная с температурной зависимостью показателя преломления и термическим расширением активной среды, зависит только от энергии накачки и повторяет форму импульса накачки. При этом максимальное значение нерезонансной компоненты сдвига частоты линейно зависит от энергии импульса накачки.

Вторая компонента обусловлена нестационарностью инверсии на-селенностей и спектроскопических параметров активной среды (ширины и центральной частоты линии усиления). На величину этой компоненты существенное влияние оказывает отстройка частоты усиливаемого излучения от центра линии усиления усилителя и интенсивность усиливаемого излучения. При нулевой отстройке величина резонансной компоненты сдвига частоты минимальна.

Описана созданная автоматизированная экспериментальная установка, позволяющая измерять малые изменения фазы оптического излучения. Экспериментальное измерение сдвигов частоты в несколько килогерц для светового сигнала (несущая частота для излучения с длиной волны 1064 нм — 282 ТГц) требует тщательной разработки методики эксперимента и методики выделения измеряемой величины. Здесь использовался двухступенчатый гетеродинный метод приема сигнала, при котором на первом шаге частота измеряемого светового сигнала по-

ель излучения. Эксперименты показали, что наибольший вклад в сдвиг :астоты; в случае однопроходового усилителя с ламповой накачкой вно-ит термооптическая компонента, составляющая не более 4 кГц при нергии накачки 60 Дж и длительности импульса накачки 150 мкс см. рис. 2).

Максимальный сдвиг частоты, связанный с резонансной компо-[ентой, достигается при отстройках от центра линии усиления порядка .6..20 ГГц. Показано, что возможность уменьшения суммарного сдвига :астоты за счет вычитания резонансной и нерезонансной компонент ог->аничивается уменьшением коэффициента усиления системы, особенно : режиме усиления слабого сигнала.

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена теоретическому исследованию эффекта ;иапазонной стабилизации частоты света в двурезонансном параметри-:еском генераторе света (ДПГС). Определены условия при которых стабильность генерируемых частот в процессе параметрической генерации вета может быть как выше стабильности собственных частот резонато->а ДПГС, так и превышать стабильность частоты накачки.

Важным свойством, характерным только для двурезонансных па-»аметрических генераторов, является превышение частотной стабильно-ти выходного сигнала над частотной стабильностью определяемой муктуациями параметров резонатора. Впервые это было продемонстри-ювано С.А.Ахмановым с сотрудниками в радиодиапазоне в начале 960-х годов. В частности, параметрический делитель частоты, резо-[ансные контуры которого имели температурные коэффициенты ~10~4 за счет применяемых в них компонентов), обеспечивал стабильность енерируемой частоты на уровне 10~6. Так же частотно стабильная рабо-а генератора наблюдалась при изменении частоты накачки в пределах :15%. В настоящей работе показано что, ДПГС обладает аналогичными войствами.

Основная идея стабильной работы ДПГС в оптическом диапазоне а же самая, что и в радиодиапазоне и состоит в следующем. Изменения обственных частот резонатора ДПГС а>ю и Ш20 при изменении его дли-;ы (например, вследствие изменения температуры) имеют одинаковый нак. В то же время, поскольку параметрически генерируемые частоты >1 и (»2 удовлетворяют условию coi + ш2 = юз (а>з — частота накачки),

изменение частоты ш2 11 изменение частоты cüj должны иметь разные знаки. Таким образом, при небольших флуктуациях длины резонатора на возбуждаемые в ДПГС частоты влияют эти две противоположные тенденции. Следствием является то, что стабильность генерируемой частоты а>х оказывается выше, чем стабильность собственной частоты резонатора Ию- Частота ш2 имеет такие же свойства.

С другой стороны, известно, что нестабильность генерируемых частот ДПГС может быть много больше нестабильности частоты накачки и нестабильности оптической длины резонатора из-за так называемого "кластерного эффекта". В работе показано, что такого режима работы ДПГС можно избежать, если флуктуации длины резонатора 8L и флуктуации частоты накачки 5ш3 меньше критических значений

А.чДтг , псщпо

(оЬ)сг = —- и (осоз)сг =-—— соответственно (здесь А.3 — длина

2щп2 LAn

волны накачки, «i,n2 — коэффициенты преломления для холостой и сигнальной волн, Дп = |п2 - «jl). Определены критические значения изменения длины резонатора и уходов частоты накачки для монолитного ДПГС на кристалле LiNb03 с длиной волны накачки >„3 = 532 нм, длиной резонатора L = 1 см и величиной Дп = 6.5-10-6, которые составляют соответственно (5L)cr « 10~8 см и (5со3)сг «11 кГц.

На основе решения системы нелинейных укороченных уравнений получены значения частот излучения ДПГС в режиме стабилизации

СО Я + Go ir) — И 20 G(ü)Q - (Din) - К>20

частоты: ссн = —2-—---- и со о = ——-—-—. Здесь со,0 и

1 1 + G J 1+ G 1

ct>20 — собственные частоты резонатора ДПГС, наиболее близкие к частотам излучения, а параметр G, фактически, отражает соотношение потерь в резонаторе (учитываются линейный коэффициент затухания излучения и потери на излучение) на частотах о^ и c¿>2 и влияет как на величины генерируемых частот, так и на их стабильность. Проведен анализ стабильности частот излучения для различных режимов работы ДПГС (вблизи и вдали от вырожденного режима) и показано, что для монолитного ДПГС на кристалле LiNb03 при соответствующем подборе коэффициентов отражения зеркал для холостой и сигнальной волн ко-

эффициент подавления технических флуктуаций может быть больше, чем 103.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Исследованы параметры (мощность, спектр и пространственное распределение интенсивности) излучения лазерных диодов с точки зрения эффективности их использования в качестве источника накачки монолитного АИГ:Ы<3 микролазера.

2. Предложена и реализована система согласования астигматического пучка излучения диодного лазера и круговой ТЕМ00? моды линейного резонатора с помощью градиентной цилиндрической линзы с профилированным входным торцом.

3. Создан экспериментальный макет линейного АИГ:Ы(1 микролазера с диодной накачкой работающих! в одночастотном и одномодовом режиме с выходной мощностью до 40 мкВт и шириной линии не более 10 кГц.

4. Измерена степень деполяризации излучения одночастотного кольцевого монолитного лазера с диодной накачкой, которая составляет величину З-Ю-3. Обсуждены возможные причины вызывающие деполяризацию излучения данного лазера. Наибольший вклад в возникновение деполяризованной компоненты лазерного излучения вносят неоднородности двулучепреломления активной среды.

5. Экспериментально измерены ширина линии и уровень относительных флуктуаций интенсивности излучения монолитного кольцевого лазера с накачкой лазерным диодом. Ширина линии излучения составила величину не более 4 кГц, относительные флуктуации интенсивности излучения — менее 5-Ю-4.

6. Создан экпериментальный макет источника монохроматического излучения на основе монолитного кольцевого лазера с диодной накачкой и схемы прямого управления, имеющий относительные флуктуации интенсивности не более 410-8.

7. Развита теория усиления монохроматического лазерного излучения при его распространении через линейный усилитель, в том числе в режиме насыщения усиления, на основании которой проведены расчеты амплитуды и сдвига частоты усиливаемого излучения. В сдвиге час-

тоты выделены нерезонансная (термооптическая) и резонансная компоненты. Первая компонента связана с температурной зависимостью показателя преломления и термическим расширением активной среды. Вторая компонента обусловлена нестационаностью инверсии населенностей и спектроскопических параметров активной среды (ширины и центральной частоты линии усиления).

8. С помощью созданной автоматизированной экспериментальной установки измерены резонансные и термооптические компоненты сдвига частоты усиливаемого излучения при различных режимах усиления. Доказано, что наибольший вклад в сдвиг частоты в случае однопроходо-вого усилителя с ламповой накачкой вносит термооптическая компонента, составляющая не более 4 кГц при энергии накачки 60 Дж и длительности импульса накачки 150 мкс.

9. Показано, что максимальный сдвиг частоты, связанный с резонансной компонентой, имеет место при отстройках от центра линии усиления порядка 16..20 ГГц. Проанализирована возможность уменьшения суммарного сдвига частоты за счет вычитания резонансной и нерезонансной компонент.

10. Развита теория диапазонной стабилизации частоты в двурезо-нансном параметрическом генераторе света. Показано, что такой генератор обладает свойством подавления флуктуаций частоты генерируемых волн, возникающих из-за флуктуаций частоты излучения накачки и длины резонатора. Определены максимально допустимые (критические) значения изменения длины резонатора и уходов частоты накачки для обеспечения указанного режима работы двурезонансногс параметрического генератора света, которые составляют соответственно (8L) Сг ~ Ю ® см и (5оз3)сг ~ 11 кГц. Показано, что в ситуации, которая может быть реализована экспериментально, возможно получить коэффициент подавления технических флуктуаций порядка 103.

Содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. И.В.Головнин, Б.В.Жданов, А.И.Ковригин, Г.Д.Лаптев, Одночастот-ный ИАГ микролазер с диодной накачкой, Квантовая электроника, 1992, т.19, N10, сс.975-976

2. И.В.Головнин, Б.В.Жданов, С.М.Першин, Узкополосный монолитный АИГ лазер с накачкой излучением диодного лазера, VI Всесоюзная конференция Оптика Лазеров, Ленинград 2-7 марта 1990 г., Тезисы докладов: ВНЦ ГОИ им.С.М.Вавилова, с.408.

3. И.В.Головнин, Б.В.Жданов, Градиентная цилиндрическая линза для фокусировки оптического астигматического пучка, Авторское свидетельство N 1651261 (от 26.04.89), Бюллетень изобретений, 1991, N19

4. Д.Ю.Паращук, Г.Д.Лаптев, Н.В.Чигарев, И.В.Головнин, А.С.Чиркин, Степень деполяризации одночастотного монолитного YAGrNd-лазера с диодной накачкой, Квантовая электроника, 1996, т,23, N3, сс.231-232

5. И.В.Головнин, Б.В.Жданов, Н.В.Кравцов, А.И.Ковригин, Г.Д.Лаптев, О.Е.Наний, А.А.Макаров, В.В.Фирсов, Флуктуации излучения кольцевых чип-лазеров на YAG:Nd, Квантовая электроника, 1993, т.20, N11, сс.1063-1067

6. И.В.Головнин, Е.В.Дрякин, А.Н.Коновалов, Н.В.Кравцов, Г.Д.Лаптев, А.А.Макаров, Свипирование частоты излучения в системе с кольцевым монолитным лазером и импульсным слэб-усилителем. Квантовая электроника, 1996, т.23, N 7, стр.606-610

7. С.А.Ахманов, И.В.Головнин, Б.В.Жданов, А.С.Чиркин, Диапазонная стабилизация частоты света с помощью двурезонаторного параметрического генератора, VI Всесоюзная конференция Оптика Лазеров, Ленинград 2-7 марта 1990 г., Тезисы докладов: ГОИ им.С.М.Вавилова, с.430

8. С.А.Ахманов, И.В.Головнин, А.С.Чиркин, Диапазонная стабилизация оптической частоты с помощью двухрезонаторного параметрического генератора света, Квантовая Электроника, 1991, т.18, N7, с.783

9. A.S.Chirkin, I.V.Golovnin, and A.I.Kovrigin, On the frequency stability of an optical parametric oscillator, Nonlinear optics, 1992, v.3 pp.367373

10. С.А.Ахманов, И.В.Головнин, А.С.Чиркин, О стабильности возбуждаемых частот в двухрезонаторном параметрическом генераторе света, XIV международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, КиНО, Ленинград 24-27 сентября 1991 г., Тезисы докладов: ГОИ им.С.М.Вавилова, т.1, сс.166-167, (доклад PWH11)

11. S.A.Akhmanov, A.S.Chirkin, I.V.Golovnin, On stability of excited frequencies in a doubly resonant optical parametric oscillator, SPIE, 1991, v.1841, pp.215-221

Издательство АО "Диалог-МГУ". ЛР № 063999 от 04.04.95 г. Подписано к печати 10.12.97 г. Усл.печд. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 1042. Тел. 939-3890, 939-3891, 928-1042. Факс 939-3893. 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ.