Влияние фоторефрактивных процессов в элементах из DKDP на режим генерации твердотельных лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Список сокращений и обозначений.

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРАМИ С ПОМОЩЬЮ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕШЕТОК В ОПТИЧЕСКИХ СРЕДАХ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

2.1. Характеристики фоторефрактивного эффекта в 1ЖОР при импульсном облучении.

2.2. Метода создания и параметры динамических решеток.

2.2.1. Механизмы возбуждения решеток в фоторефрактивных кристаллах.

2.2.2. Основные параметры динамических фазовых решеток.

2.2.3. Схемы записи динамических решеток в ^ фоторефрактивных кристаллах.

2.3. Использование динамических решеток для управления параметрами генерации лазеров.

2.4 Постановка задачи.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ ВО ВНУТРИРЕЗОНА-ТОРНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ИЗ ЭКЕ>Р НА РЕЖИМ ГЕНЕРАЦИИ УАС:Ш3+-ЛАЗЕРА С ИМПУЛЬСНОЙ НАКАЧКОЙ.

3.1. Методика исследования ВТФР при импульсном облучении.

3.2. Описание экспериментальной установки.

3.3. Исследование количественных характеристик ВТФР.

3.4. Зависимости напряженности фоторефрактивного поля от поляризации возбуждающего излучения.

3.5. Управление спектром импульсного лазера при инжекции непрерывного излучения.

3.6. Возбуждение динамических решеток в ШШР при инжекции непрерывного излучения в резонатор импульсного лазера. 71 3.1. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ ВО ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ИЗ ЖОР НА РЕЖИМ ГЕНЕРАЦИИ УАС:Ш3+- ЛАЗЕРА С НЕПРЕРЫВНОЙ НАКАЧКОЙ.

4.1. Формирование фазовой решетки в ШЮР в условиях слабых лазерных полей.

4.2. Методика измерений.

4.3. Экспериментальная установка.

4.4. Исследование влияния фоторефракции в ВКВР на пространственную структуру излучения.

4.5. Исследование влияния фоторефракции в ВКОР на энергетический режим генерации.

4.6. Исследование влияния фоторефракции в БКОР на временные характеристики излучения.

4.7. Исследование влияния фоторефракции в БКОР на спектральные характеристики излучения.

4.8. Обсуждение результатов.

4.9. Выводы.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОТОРЕФРАКЦИИ В ВКПР НА

УСЛОВИЯ ГЕНЕРАЦИИ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ.

5.1. Исследование влияния фоторефрактивного эффекта в кристалле ШЗЭР на условия фазового синхронизма в рамках феноменологической модели.

5.2. Методика экспериментального исследования.

5.3. Описание экспериментальной установки.

5.4. Условия фазового синхронизма при генерации второй гармоники в кристалле DKDP.

5.5. Влияние фоторефрактивного эффекта в кристалле DKDP на условия фазового синхронизма.

5.6. Обсуждение результатов.

5.7. Выводы.

Бурное развитие квантовой электроники, её широкое проникновение во все области науци и техники требует совершенных и разнообразных устройств управления световыми пучками [1]. Известно большое количество физических эффектов [2], которые могут использоваться для управления лазерными пучками, в частности их пространственными, спектральными характеристиками и динамикой генерации. В последнее время в устройствах модуляции лазерного излучения наиболее часто используются 3 эффекта: упругооптический эффект, магнитооптический эффект и линейный электрооптический эффект.

Высокое значение электрооггтического коэффициента и широкий диапазон прозрачности [3-8] позволяют эффективно использовать кристаллы ОКВР (К(ВХН1.Х)2Р04) [3] в устройствах управления лазерами видимого и ближнего ИК диапазона [9+15]. При исследованиях динамических модуляционных характеристик электрооптических ячеек на основе этих кристаллов был обнаружен многокомпонентный фоторефрактивный (ФР) эффект при комнатной температуре [16-ь23], который был определён как высокотемпературный ФР эффект (ВТФР эффект) в кристаллах ШХ)Р. С одной стороны это позволило объяснить существенные нарушения работы электрооптических модуляторов на основе ШШР в высокоэнергетических лазерах микро- миллисекундного диапазона при энергии импульсов генерации более 3-4 Дж/см2 [12,13,18,24+28], что значительно ограничивает области использования этих лазеров. С другой стороны сам фоторефрактивный эффект используется для усиления и коррекции световых пучков [29,30,31], голографической записи [32,33,34], обработки оптической информации [35] и др., т.е. имеет самостоятельную область применения для целей управления когерентным излучением.

Исследования возможности записи динамических фазовых решеток в кристаллах ЖПР, влияния их на характеристики генерации твердотельных лазеров и управления характеристиками генерации с помощью динамических фазовых решеток проведено еще не было. Таким образом, актуальность исследования влияния фоторефрактивного эффекта в ВКВР на параметры генерации твердотельных лазеров определяется, с одной стороны, потребностями квантовой электроники в совершенствовании параметров твердотельных лазеров, а с другой - расширением ассортимента эффективных сред для оптической записи информации.

Цель диссертационной работы. Связанные с использованием кристаллов группы КОР существующие устройства и методы управления характеристиками генерации твердотельных лазеров в основном ограничиваются применением этих кристаллов в качестве модуляторов и позволяют влиять лишь на динамику лазерной генерации, оставляя без изменения её пространственные и спектральные характеристики. В то же время наличие в кристаллах ЭКОР при комнатных температурах фоторефрактивного эффекта с временами релаксации ~ 1 мкс и 1мс позволяет поставить задачу его использования в устройствах динамической голографии.

Поэтому целью данной работы является исследование влияния фоторефрактивного эффекта в кристалле ШЮР на спектральные, пространственные, энергетические характеристики и кинетику генерации твердотельных лазеров в условиях возбуждения динамических решеток во внутрирезонаторных элементах из ВКВР.

Научная новизна работы определяется комплексом впервые полученных в ходе проведенных исследований результатов.

Впервые экспериментально исследовано влияние фоторефрактивного эффекта во внутрирезонаторных элементах из ВЮЗР на спектральные, пространственные характеристики и динамику генерации твердотельных лазеров с импульсной и непрерывной накачкой. Обнаружено изменение спектральных характеристик генерации импульсного лазера при инжекции в его резонатор непрерывного излучения вследствие дифракции излучения на динамических фазовых решетках во внутрирезонаторном элементе из ЖОР и сохранение указанного изменения, т.е. оптическая память кристалла.

Впервые установлено, что при помещении кристалла ШШР в резонатор лазера с непрерывной накачкой происходит изменение пространственной структуры лазерного пучка, уменьшение ширины спектральной линии генерации, возникновение нелинейной зависимости мощности генерации от тока накачки, регуляризация периода следования пичков генерации и уменьшение их длительности. В работе это объясняется возбуждением фазовых динамических решеток за счет быстрорелаксирующей компоненты ФР эффекта в кристалле ШШР при комнатной температуре при помещении ФР ячейки из БКОР в резонатор УАО:Ш3+-лазера с непрерывной накачкой.

При исследовании влияния ФР эффекта на условия генерации второй гармоники в кристалле ШШР впервые экспериментально обнаружен сдвиг угла синхронизма» зависящий от плотности энергии излучения преобразуемого во вторую гармонику и плотности энергии возбуждающего ФР эффект излучения. Сдвиг угла синхронизма определялся при различных значениях напряженности приложенного к кристаллу внешнего электрического поля. Основываясь на результатах проведенного исследования предложена методика локального измерения фотоиндуцированного электрического поля по сдвигу углов синхронизма при генерации второй гармоники в кристаллах DKDP.

Практическая значимость работы.

Полученные результаты позволяют:

- развить относительно простые способы управления характеристиками генерации твердотельных лазеров, позволяющие расширить область их применения; учесть влияние фоторефракгивного эффекта на работу лазерных внутрирезонаторных устройств модуляции и преобразования света,

- рассмотреть кристаллы группы KDP (и прежде всего DKDP) в качестве регистрирующей среда для целей динамической голографии;

- повысить эффективность использования кристаллов DKDP в качестве преобразователей частоты лазерного излучения.

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на VII Международной конференции по нелинейной оптике жидких и фоторефрактивных кристаллов (Крым, 1997 г.), XVI Международной конференции по Когерентной и Нелинейной оптике "ICONO'9В" (Москва, 1998 г.), ХП Международном Симпозиуме по газовым, химическим и высокоэнергетическим лазерам (С.-Петербург, 1998 г.), на семинарах Молодежной научной школы по оптике, лазерной физике и оптоэлектронике (Саратов 1997 г.), а также на научных конференциях Волгоградского госуниверситета, семинарах НТЦ «Полюс», кафедры лазерной физики и лаборатории квантовой электроники ВолГУ.

Материалы диссертации представлены в 6 научных публикациях, из них 3 статьи в академических и иностранных журналах [36,37,38], и 3 публикации в сборниках [39,40,41].

Достоверность результатов исследований определяется использованием в экспериментах: стандартных методик измерений пространственных, спектральных, временных и энергетических характеристик излучения с учетом статистической обработки данных, а в теории: использованием стандартных уравнений для описания рассматриваемых систем.

Основные защищаемые положения:

1. При инжекции в резонатор импульсного лазера непрерывного излучения во внугрирезонаторном элементе из Ш1)Р возбуждается динамическая фазовая решетка. Изменение спектральных характеристик генерации импульсного лазера обусловлено самодифракцией его излучения на записанной решетке. Конечное время сохранения изменения спектральных характеристик определяется временем существования записанной в кристалле голограммы.

2. В кристалле ЖОР, помещенном в резонатор лазера с непрерывной накачкой, возбуждается динамическая фазовая решетка за ФР эффекта Изменение пространственных, спектральных характеристик и кинетики генерации УАО:Ш3+ лазера с непрерывной накачкой обусловлено дифракцией на возбужденной динамической фазовой решетке.

3. Величина сдвига угла синхронизма при генерации второй гармоники в кристаллах ШХ)Р вследствие ФР эффекта зависит от плотности энергии возбуждающих ВТФР импульсов.

Работа состоит из 6 разделов - введения, четырех основных разделов и заключения. Общий объём диссертации составляет 144 страницы машинописного текста, включая 34 рисунка, 2 таблицы и список литературы (86 наименований).

Во разделе 1 «введение» обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования и основные защищаемые положения, отмечены научная новизна и практическая значимость работы, кратко изложено содержание диссертации и приведены основные результаты работы. разделе 2 приведены основные экспериментальные данные по ВТФР эффекту в кристаллах ШШР, описаны механизмы возбуждения динамических фазовых решеток в фоторефрактивных кристаллах, их характеристики и существующие способы управления генерацией лазеров с помощью динамических решеток.

Характеристики трех компонент фоторефрактивного эффекта с различными характерными временами релаксации связаны с различны механизмами его возбуждения. Пороговый характер возбуждения медленнорелаксирующей компоненты ВТФР определил выбор дислокационного механизма для процесса её формирования. Согласно экспериментальным данным по динамике быстрорелаксирующей компоненты ВТФР её возникновение обусловливается возбуждением примесных центров в кристалле. Появление двулучепреломления, связанного с акустической компонентой ВТФР является проявлением пьезооптического эффекта в кристаллах ЭКВР, возбуждаемого электрическим полем быстрорелаксирующей компоненты ВТФР.

Обсуждены механизмы пространственного перераспределения заряда в кристаллах с локальным и нелокальным откликом, приводящим к возбуждению динамических голограмм, изотропный и анизотропный способы записи и считывания динамических фазовых решеток.

Показано, как вследствие обращения волнового фронта и самодифракции излучения на записанных решетках в зависимости от типа обращающего зеркала изменяются характеристики генерации лазера: спектр поперечных мод, ширина спектральной линии генерации и кинетика генерации; с помощью нелинейного обращающего зеркала возможно осуществление синхронизации лазеров. В силу инерционности динамических решеток изменение характеристик генерации сохраняется после прекращения записи решетки.

В разделе 3 приведены результаты экспериментального исследования влияния фоторефракции во внутрирезонаторных элементах из ВКЛЭР на спектральные характеристики генерации УАО:Ш3+-лазера с импульсной накачкой.

Описана поляризационно-оптическая методика, применяемая для исследования амплитудных и поляризационных характеристик ВТФР при возбуждении эффекта импульсами излучения лазера в режиме свободной генерации и модуляции добротности и экспериментальная установка, на которой эта методика реализована Установлено, что в кристаллах ШХ>Р с низкой степенью дейтерирования (-50%) и большими размерами зависимость величины фотоиндуцированцого поля от плотности энергии возбуждающего излучения с длиной волны

1.06 мкм приблизительно линейна и существует энергетический порог возбуждения ВТФР > 3 Дж/см2. Зависимость величины напряженности фотоиндуцированного электрического поля в кристалле имеет максимум при ориентации вектора напряженности электрического поля возбуждающего эффект излучения под углом 45° к осям кристалла. Это связано с максимальной вероятностью возбуждения носителей заряда в кристалле лазерным излучением, поляризованным под тем же углом и указывает на примесный механизм возбуждения ВТФР.

Описана экспериментальная установка для исследования влияния фоторефракции во внутрирезонаторных элементах из ОКВР на спектральные характеристики генерации неодимового лазера с импульсной накачкой. Согласно результатам экспериментов с инжекцией излучения в кольцевой резонатор импульсного лазера происходит сужение спектра генерации импульсного лазера под действием непрерывного инжектируемого излучения, которое объясняется селекцией составляющей регенерируемого спонтанного шума на записанной во внутрирезонаторном элементе из ОКВР объемной динамической фазовой решетке. Конечное время сохранения изменения спектральных характеристик излучения импульсного лазера определяется временем существования записанной в кристалле голограммы.

В разделе 4 приведены результаты исследования влияния ВТФР в кристалле ОКХ)Р на режим генерации лазера с непрерывной накачкой.

В начале раздела теоретически в псевдоспиновом приближении показана возможность записи в кристалле динамической фазовой решетки, приводящей к пассивной модуляции потерь в многомодовом УАС:Ыс13+-лазере с непрерывной накачкой.

Далее приводится описание методики исследования и экспериментальных установок, на которых данная методика реализована. Исследуются пространственные, энергетические, временные и спектральные характеристики указанного лазера в условиях действия ВТФР в ШШР в сравнении с аналогичными характеристиками без кристалла в резонаторе. Обнаружено, что помещение кристалла ШШР в резонатор УАО:Ш3+ лазера приводит к существенному уменьшению поперечных размеров пятна излучения в дальней зоне ( от 5х Юлш2 до 2 х 1ммг). Пространственная структура излучения лазера без кристалла в резонаторе соответствует широкому спектру поперечных мод заполненного оптически неоднородной средой резонатора, а при наличии фоторефрактивной ячейки генерация осуществляется практически на низшей поперечной моде.

Для объяснения эффекта селекции поперечных мод в данной схеме, были исследованы зависимости средней мощности генерации лазера от тока накачки с кристаллом и без кристалла ШШР в резонаторе. Возникающая при помещении кристалла в резонатор нелинейная зависимость мощности генерации лазера от тока накачки и появление её экстремума обусловлено нелинейностью динамических потерь при брэгговской дифракции излучения на динамической фазовой решетке в кристалле ШШР.

При исследовании влияния фоторефракции на временные характеристики излучения обнаружено, что помещение кристалла в резонатор лазера приводит к регуляризации периода следования пичков и к некоторой стабилизации их амплитуд. Длительность пичков при наличии кристалла в резонаторе сокращается приблизительно в 3 раза по сравнению с их длительностью без кристалла в резонаторе, а с увеличением тока накачки наблюдается дополнительное сокращение длительности.

В результате исследования влияния фоторефракции на спектральные характеристики излучения получены данные, свидетельствующие об уменьшении спектральной линии генерации при помещении кристалла ШШР в лазерный резонатор приблизительно в полтора раза при максимально достижимой в эксперименте мощности генерации. Это объясняется возбуждением в кристалле динамической фазовой решетки, которая является в этой ситуации прежде всего диспергирующим элементом.

По совокупности полученные в данном разделе результаты подтверждают факт возбуждения фазовых динамических решеток за счет быстрорелаксирующей компоненты ФР эффекта в кристалле ШШР при комнатной температуре при помещении фоторефрактивной ячейки из ШХ>Р в резонатор УАО:Ш3+-лазера с непрерывной накачкой и возможность управления параметрами генерации лазеров с непрерывной накачкой с помощью таких решеток.

В разделе 5 представлены результаты исследования изменения условий фазового синхронизма при генерации второй гармоники в кристаллах ШШР под воздействием возникающей при дополнительном облучении образца фоторефракции. Для расчёта изменения условий синхронизма использована феноменологическая модель. Полученная зависимость сдвига угла синхронизма от напряженности электрического поля в кристалле для определенной полярности поля линейна и значение сдвига угла синхронизма не зависит от полярности поля в кристалле.

Описана экспериментальная установка и методика экспериментального исследования изменений условий фазового

19 синхронизма при генерации второй гармоники в условиях ВТФР. Представлены зависимости эффективности преобразования излучения лазера во вторую гармонику от азимутального угла поляризации преобразуемого излучения и угла с оптической осью кристалла при различных значениях температуры кристалла, энергии преобразуемого излучения и возбуждающего ФР эффект внешнего электрического поля. Полученные данные позволили получить зависимость напряженности фоторефрактивного поля от плотности энергии импульсов накачки нелинейной среды, которая за пределами фоторефрактивного порога имеет монотонную форму по данным поляризационно- оптических измерении.

В разделе 6 «заключение» обобщены основные полученные в работе экспериментальные результаты, свидетельствующие о возбуждении во внутрирезонаторных элементах из ОКВР динамических фазовых решеток и их влиянии на основные характеристики генерации твердотельных лазеров с импульсной и непрерывной накачкой и об изменении условий фазового синхронизма при генерации второй гармоники в кристалле ШШР в условиях фоторефракции, сформулированы основные положения диссертационной работы

5.7. Выводы.

На основании проведенного эксперимент ального исследования и анализа результатов по влиянию фоторефрактивных процессов на условия фазового синхронизма при генерации второй гармоники можно сделать следующие выводы:

1. Постоянное электрическое поле, приложенное к кристаллу ОКГХР, приводит к сдвигу угла синхронизма при генерации второй гармоники, величина которого зависит от величины поля и энергии преобразуемого излучения.

2. ФР эффект, возбуждаемый в кристалле !ЖГ>Р также приводит к сдвигу угла синхронизма при генерации второй гармоники, величина которого зависит от плотности энергии возбуждающих ВТФР импульсов.

3. Экспериментальные зависимости отличаются от зависимостей, рассчитанных на основе феноменологической модели, что позволяет