Влияние чертырехволнового взаимодействия в активной среде твердотельного лазера на характеристики его излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НШ УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ

На правах рукописи

ГОЛОВИН АНДРЕЙ БОРИСОВИЧ

/

ВЛИЯНИЕ ЧЕТЫРЁХВОЛНОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В АКТИВНОЙ СРЕДЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ,

01.04.21-лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертациина соискание научной сгшоэни кандидата физико-математических наук

КИЕВ - 1994

Влияние четырехволнсшого взаимодействия в активной среда твердотельного лазера яа характеристики ©го излучения.

Содержание:

Введение.

Влияние решетки инверсной населенности на спектр излучения твердотельного лазера.

Одночастотная генерация и переключение направления излучения в лазере на фосфатном неодишвом стекле с кольцевым резонатором и динамическим амплитудным вентилем. §г. 1. Самодифракция встречных волн ва решетке инверсной населенности.

Связанные резонаторы кольцэвого лазера а амплитудным вентилем.

Инжектирование затравочного излучения в кольцевой лазер с модуляцией добротности. §4.1. Непрерывный одночастотный лазер на Шгна3* с

тонкопдвночным селектором. §4. а. Инжектирование затравочного излучения в исполняющее лазеры на АИГ:*иэ+.

. Заключение.

Введение.

Для создания лазеров с предельно возможными монохроматичностью и когерентностью выходного излучения актуальны исследования, направленные на изучение и устранение причин вестабильностеи лазерной генерации.

Исследования, результаты которых излажены в данной работе, посвящены изучению влияния ' мелкомасштабной неоднородности инверсной населенности на динамику генерации твердотельных лазеров. Известно си, что стоячая электромагнитная волна в резонаторе лазера приводит к мелкомасштабной пространственной модуляции инверсной населенности или, другими словами, к записи решетки инверсной населенности (РИН). Также хорошо известно, что РИН ответственна за конкуренцию мод лазера. Однако,действие РИН не сводится только к мелкомасштабной пространственной неоднородности усиления вдоль активной среда. В силу того, что показатель преломления активной среды лазера зависит от числа возбужденных ионов, то наряду с амплитудной решеткой усиления, РИН является и фазовой дифракционой решеткой, а фазовая решетка может обеспечить

1

Гл.1. Гл.г.

Гл.э. Гл.4.

з) vi Всесоюзной конференции по голографии, Витебск, iseör.

(доклад: А.Б.Головин, И.И.Пзшко, А.й.Хижняк "Влияние динамических объемных решеток в активных средах твердотельных _ лазеров на peso™ квазистационарной одночзстотвой генерации). л) Международной конфер0нции"Опгака лазеров еэ " 5С-Штербург,iеазг.

а)доклад: Л.Б.Головин, А.И.Хижяяк"Динамика генерации кольцевых твердотельных лазеров";

б)доклад: Л.Б.Головин, И.И.Пошко, А.й.Хижняк, "Особенности генерации лазера с кольцевым резонатором и амплитудным вентилем переменной длины").

В) IV Symposium on Laser- Technology, Szczecin—SvinouJ sole, 1803. report: I.I.Peshko, A. I. Khyzniak, F. M. Yatsyuk, A. B. Solovln. M. M. Lopijehuk. "Fin© Tunable SIrigle-Frequency Diode-Pumped VAG Laser. "

Основные научные результаты опубликованы в журнальных статьях.-1) А.Б.Головин, И.И.Пешко, А.й.Хижняк. Генерация гигантских импульсов с идентичным одночастотным спектром и управляемым интервалом следования лазерами на фосфатном неодимовом стекле. Квантовая электроника, leei, x.ie. N7, с.вдв-esi. . а) С.А.Белозоров, А.Б.Головин, й.й.Куратев, Й.И.Шешо, А.й.Хишяк, Ф.М.Япюк. Одаочастотная генерация в мини-лазере на yag: Nd3+ с перестройкой длины волны излучения. Квантовая электроника.

1SÖ1. T.1S. N10, C.lieo-ilÖS. 3) A.B. Gol ovi n, 1.1. Peshko. A. I. KM inyaJi. Generation peculiarities of laser with ring resonator and variable length amplitude isolator. Laser Physics, 1993, v. 3, MS, р.96Й-в. в препринте:

•4) А.Б.Головин, И.И.Пешко, А.й.Хижняк. Одночастная генерация в лазере на фосфатном стекла. Препринт ИФ АН УССР, leoi. в сборниках тезисов конференций: s) "Оптика лазеров во", crp.aei, (Ленинград, laso). в) vi конференция го голографии, стр.ев, (Витебск, ieao). ?) "Оптика лазеров ез", стр.as?, (С-Штербург, iess).

8) IV Symposium on Laser Technology, p.Йв-Йв. С Ssceaeein -Svinoujseie, 1SQ3 Э.

Личный вклад автора заключается в проведении экспериментальных исследования, ттерпрвтации совместно с другими соавторами результатов расчетов и экспериментов.

з

необходимым условием реализации автомодулированого режима генерации является отстройка частоты излучения от цэнра линии усиления или сложная внутренняя структура линии усиления в ЛИГ: на3+ t ai. Причём, для возникновения неустойчивости однонаправленное генерации величина отстройки от центра линии усиления должна быть достаточно велика (десяток мешодовых интервалов). Это позволяет сделать вывод, что неустойчивость стационарной генерации обусловлена фазовой составляющей РИН, причём амплитуда этой составляющая должна превышать некоторую пороговую величину ( т.е. отстройка частоты генерации от частоты максимума полосы усиления больше некоторой пороговой величины C¿3 ).

Вопрос о физической природа переключений направления генерации в твердотельных кольцевых лазерах оставался до сих пор открытым. В данной работе показано, что благодаря фазовой составляющей РИН в твердотельных кольцевых лазерах происходит эффективная самодефракция встречных вола, а нестационарная перекачка энергии на фазовой составляющей ВШ приводит к переключениям направления генерации.

Гл. а. Одночастотная генерация и переключение направления излучения в лазере на фосфатном неодимовом стекле с кольцевым резонатором и динамическим амплитудным вентилем.

Наиболее простой с технической точки зрения апоаой получения однонаправленной генерации в кольцевом лазере был предложен еще в isas году езз. Суть предложения состоит в использовании дополнительного внешнего зеркала для возвращения обратно в резонатор излучения одной из встречных волн (рис. i). Оптическое плечо, образованное зеркалом R, получило название - амплитудный вентиль (АВ), поскольку, благодаря АВ создаются условия преимущественного развития волны е2. Эксперименты с таким лазером на силикатном неодимовом стекле ico показали принципиальную возможность получения в нем одночастотной генерации. Однако, авторы работы £вз установили, что однонаправленная одночастотная генерация в таком лазере оказалась очень чувствительной к юстировке зеркала АВ, к величине взаимного шрерассеяния волн и Egl а коэффициент подавления:. k=E2a/E1s изменяется в течение импульса генерации. Расчеты же выполненные без учета РИН (?) показали, что коэффициент

з

подавления определяется только коэффициентами отражения зеркала АВ - к, выходного зеркала - > и величиной взаимного пврерассвяиия к0

ВОЛН И Еа-

Использование АВ во приводит к устойчивое однонаправленное генерации кольцэвого лазера, поскольку не снимает вырождения по потерям встречных волн, а лишь изменяет соотношение интенсивностея встречных волн и, следовательно, глубину РИН. следовательно, продолжает девствовать механизм уширения стактра, обусловленные пространственной неоднородностью коэффициента усиления си.

Устранить запись РИН можно за счет движения интерференционной картины встречных волн е1 и е2 из относительно активной среда, как это сделано в (в). фи этом бита обнаружено, что режим одао-частотноа квазистационарной генерации реализуется только при увеличении длины АВ сез, однако интерпретацию этого эффекта авторы не дали.

еа. 1 Самодафракция встречных волк на РИН.

С целью проведения исследование динамики генерации твердотельного кольцевого лазера была собрана установка, ее оптическая схема представлена ва рис.1. в состав установки входах кольца воя лазер на фосфатном нэодимоаом стекле с АВ я интерферометр Майкельсона, который освещался непрерывным излучением АИГ: лазера. Зеркало АВ было установлено на пьезокерамическом движителе и его перемещения измерялись при помочу интерферометра Иавкельсона (с точностью х^4б). Оптическая связь иеящу кольцевым лазером и интерферометром Майкельсона отсутствовала. -

Зависимость динамики генерации кольцевого лазера от знака дошларовского смещения частоты, вызываемого изменением дхины АВ, объясняется дифракцией волн е1 и Еа на сдвиговой фазовой составляющее РШ. Рассмотрим что происходит в активной среде лазера при удалении зеркала АВ от резонатора. Наш измерения показали, что удаление зеркала АВ со скоростью V от резонатора обеспечивает квазистационарный адаочаототный реши на протяжении всего импульса генерации, если выполняется условие им,- V =зх^етр <с точностью ± 25*). где > - дата ваши генерации, тр - интервал времени менщу штат свободной генерации яргвеподвшном АВ. При указанных скорости и направлении двиюения происходит отставание ва п/л. интерференционной картины волн и Е-, от РИН, а такое отставание, если решетка фазовая, обеспечивает наиболее

7

определяющие характер (фаговой составляющая 1'ИН, поскольку амплитудная часть РИН не может приводить к такому эффекту.

Гл.з.Связанные резонаторы кольцевого лазера с АВ.

На осциллограммах ( рис.го ) квазистационарноя одночастотной генерации кольцевого лазера с движущимся зеркалом АВ видна мелкомасштабная периодическая модуляция интенсивности волны £а. Ее причиной является зависимость пороговых потерь кольцевого лазера о АВ от фазы волны е3, теоретически показанная в с 131, с учетом образования зеркалом АВ и рассеивающими центрами линейного резонатора, связанного с колыцэвым. Нами была проведана экспериментальна я проверка этой теоретической модели.

Предварительные измерения при неподвижном зеркала АВ и превышении порогового значения энергии накачки не больше, чем на 3*4% (при этом излучалось не более з-и пичков) показали, что спектр состоял из одной продольной моды. Это означает, что если при изменении положения зеркала АВ в генерацию выходит не более б-и пичков, то генерация происходит на одной продольной мода резонатора. Зависимости, полученные в этих условиях при фиксированом уровне накачки, представлены на рис.4, точки 1 - интенсивность первого пичка свободной генерации как функция относительного положения возвратного зеркала АВ. * Точки г - временной интервал между пичками т . Зависимости 1 и а показывают, что при линейном изменении длины АВ осциллирует величина превышения порога генерации. В вашем случае - при фиксированном уровне накачки» это означает осцилляцию уровня пороговых потерь резонатора. Рассчитанная нами в предположении одного рассеивателя зависимость задержки между первым и вторым пичками свободной генерации тр -кривая з (рис.4). Видно, что экспериментальные зависимости имеют более сложный характер. Это и не удивительно, в эксперименте рас-сеиваталвй несколько: диафрагма, тором активного элемента (просветленные и скошенные аа з градуса от нормали к оси резонатора), дисперсионные призмы, зеркала резонатора и т.п. Это приводит к образованию более сложной системы связанных резонаторов, более сложных условий интерференции, и поэтому трудно ожидать получение в эксперименте простой гориодической зависимости.

Обнаруженная в эксперименте зависимость пороговых потерь кольцевого резонатора от длины плеча АВ естественно проявляется

в .

50

2Д1/Х

JLJUUUUUUUUUULAJUuuuL_. 1_1.

1 А

ХЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛ/'

50

л

Рис. 5

Рис.4.Экспериментальные зависимости средней интенсивности пичков I сточки и и средней величины временного интервала между пиками тр сточки го от изменения дайны плеча АВ; рассчвтная зависимость среднего значения с кривая зз.

Рис.5. Осциллограммы свсхЗодной генерации кольцевого лазера а АЬ с а- й.в.г-

метра Майнвльсона э.

с а- й.в.г- д- сигнал с фотоприемника интерфэро-

0,03 0,01

0,001

0,01

0,1

Рнс. 6

УЛ/

/мшт\

50 мкс

Рис. 7

Рис.6. Интенсивность первой ¿1.ээ и второй сг.дз гармоник Фурье -спектра модуляции пороговых потерь резонатора д0, при линейном изменении длины АВ как функция величины светорассеяния к0. Рис.7. Осциллограммы свободной генерации кольцевого лазера при движущемся зеркале АВ ( а- тр<х^ау. б- тр=\хйУ, в- тр>х^ау ).

. 13

из-за конечной спектральной селективности РИН исключается алиянш РОС.

Для экспериментов по инжекции затравочного излучения в качестве ЗГ применялся лазер, изображенный на рис.е. в качестве активной I среда (з) использовался кристалл АИГ:на3+ 03*7 мм. Накачка производилась диодным лазером <i) ИЛШ-112 мощностью 120 мВт. Излучение накачки (x=o.ei мкм) фокусировалось в объем активно,! среда с помощью трехлинзового объектива (а), диаметр накачиваемой области составлял эоо мкм. Торец активной среды, через который происходила накачка, имел дихроичное покрытие с ов >йвх я To,ei =QOii- Выходное зеркало (s) имело коэффициент отражения к1.ое =ш'л и кривизны i.s м. Оптическая и геометрическая

длина резонатора вместе с ТСТ составляла 47 мм и l-зв мм соответственно ci53.

ТСТ это кварцевая плоскопараллвльная пластинка (4>, с одной стороны напылена шинка хрома с просветлением, с другой нанесено только просветляющее покрытие (коэффицзнт отражения o.4>s). Селектор и выходное зеркало крепились на пьвзокарамика (в).которая обеспечивала перемещение в пределах ±1.в мкм.

Для правильной установки ТСТ в резонаторе рассчитывалось оптимальное расположение поглощающей пленки, с учетом несовпадения ее шюской поверхности со сферическим фронтом выделяемой мода вблизи сферического выходного зеркала, кроме этого, в вычислениях учитывалась РИН. Задача о нахождении оптимального местоположения ТСТ решалась в cie.iej.

В описанном лазере с ТСТ была получена одночастотная генерация мощностью а мВт и шириной спектра £ ie МГц. Через i ч. работы дрейф частоты составлял менее ю МГц за ic. На рис.в приведены осциллограммы перестройки спектра одночастотной генерации ш продольным модам. Перестройка происходила по и модам, этот диапазон перестройки превышал ширину спектра многомодовои генерации. -б4.г. Инжектирование затравочного излучения в исполняющие лазеры на АИГ: Nd3+.

Непрерывный AJlT:.Nd3* лазер с ТСТ выполнял роль ЗГ, его излучение иншкгировалось в два независимых кольцевых ИЛ с модуляцией добротности. ИЛ работали с частотой повторения ию Гц. База ИЛ составляла з м., для выделения только аксиальных мод внутри каждого резонатора находилась диафрагма. Модуляция

' 15

Заключение.

В проведанных исследованиях подучены следующие результаты:

1) внводимсадержащих активных средах решетка инверсной .населенности является не только амплитудной, но и фазовой;

г)в типичных условиях эффективность дифракции на решетке инворсноя населенности превышает внутрирезонаторное светорассеяние;

3) нестационарность коэффициента подавления в колызрвом твердотельном лазаро с амплитудным вентилем обусловлена рассеянном (динамической дифракцией) встречных воли на изменяющейся решетке инверсной населенности-,

4) для стабилизации однонаправленной генерации в кольцевом лазере необходимо обеспечить направленный энергообмен между встречными волнами (что снимает вырождение встречных волн по потерям), это можно сделать за счет самодифракции встречных волн на сдвинутой решетке инверсной населенности, причем фаза решетки должна Отставать от интерференционной картины стоячих волн;

5) перврассвянив встречных воли в кольцевом лазера с амплитудвым вентилем вызывает образование связанных резонаторов, что проявляется в периодической зависимости портовых потерь резонатора,

при изменении расстояния до зеркала амплитудного вентиля на величину равную длине волны излучения;

в) линейное перемещение зеркала' амплитудного вентиля вызывает модуляцию интенсивности квазистационарной, генерации, причем период модуляции зависит от коэффициента отражения выходного зеркала, величины светорассеяния волн и скорости движения зеркала амплитудного вентиля;

7) тонкоплвнночный селектор Троицкого позволяет селектировать мода лазера на АМГ:ма3+ со сферическим резонатором и малым уровнем усиления, благодаря атому был создан одночастотный перестраиваемый миниатюрный АИГ лазер, работающий в непрерывном режиме-,

в) использование задающего генератора с управляемой длиной волны выходного излучения, позволило создать частотно - периодический генератор пар гигантских гимпульсав с идентичным управляемым одночзстотным спектром выходного издученияи и регулируемой временной задержкой меаду гигантскими импульсами.