Внутрирезонаторное управление параметрами лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Министерство путей сообщения Российской Федерации Дальневосточная государственная академия путей сообщения

На правах рукописи УДК 535.417

Студеникин Юрий Ефимович

ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.05 — Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наух

Хабаровск 1995

Работа выполнена в Дальневосточной государственной академии путей сообщения, Хабаровском государственном техническом университете, институте теоретической и прикладной механики СО РАН

Научный руководитель —кандидат физико-математических наук,

профессор Д.С.Фалеев

Научный консультант —кандидат физико-математических наук

Б.И.Иванов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Р.И.Соколовский; кандидат физико-математических наук, доцент А.В.Михеенко

Ведущая организация —Дальневосточная государственная

морская академия им. Г.И.Невельского

Защита состоится " л/ " 1995 года в К часов на за-

седании диссертационного совета К 114.12.01 при Дальневосточной государственной академии путей сообщения по адресу: 680056, Хабаровск, ул.Серышева, 47, ауд.224

С д иссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточной государственной академии путей сообщения

Автореферат разослан "Ж." ЬфМ/иг- 1995 Г0Да Ученый секретарь

диссертационного совета К 114.12.01 кандидат физико-математических ____

наук —~А-И. Илларионов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность текы. Уникальные свойства лазерного излучения — монохроматичность, когерентность, малая расходимость, — обуславливающие широкий гязуг применения лазерной техники, определяются в .конечном итоге параметрами резонатора. Как было отмечено уже в первых экспериментах с лазерными источниками, отттесте резонаторы очень чувствительны к воздействию разнообразных возмущений, как внешних, таге и внугеешшх, присущих конкретному способу генерации излучения. При зтон сравнение экспериментальных результатов с выводами теории пусгыхрезонаторов выявило различные расхождения [1]. В ряде работ было показано, что пространственная структура лазерного излучения зависит от свойств активной среды {!—2]. В частности, для мощных газовых лазеров неоднородность усиливающей среды может оказаться фактором, определяющим расходимость пупса и структуру поперечных код. Изучение влияния неоднородкостей среды особенно важно, так как возмущения этого типа практически не устранимы,поскольку сам процесс возбуждения среды всегда сопровождается рассеянием в ней значительного количества энергии,т.е. нагревом среды.

Кроме того, поперечная неоднородность активной сред ы может быть обусловлена пространственной неоднородностью накачки (например газового разряда) или неоднородностью усиления, вызванной эффектом насыщения.

Теория реальных резонаторов с неод нородной средой необходима не только для создания лазеров с оптимальными характеристиками излучения, но и для разработки методов управления этими характеристиками. Изменение настройки (разъюстировка) резонатора, сведение в него догтошпггелъкъгх. элементов, упр авление параметрами, характеризующими неоднородность среды, являются наиболее удобными и эффективными, а часто едгшегаенно возможными способами варьирования характеристиками излучения. Таким образом, внутрирезонаторное1управле1ше параметрами лазерного излучения относится к перспективным и актуальным направлениями развития лазерной техники.

Цель работа. Исследование пространственных характеристик излучения в резонаторе с поперечно-неоднородной средой,а таюхе влияния разъюсшровкирезонатора на структуру поперечных мод поля. В задачу вхбдашо также изучение возможностей метода внутрирезонаторной пр о-страиетвениой фильтрации лазерного излучения для управления его спектральным составом.

Научная новизна работы заключается в следующем: — теорегичег л и экспериментально исследована структура поперечных мод поля в резонаторе с параболическим профилем поперечной неоднородности среды; — теоретически и экспериментально изучено влияние разъюстировки резонатора на пространственные характеристки излучения;

. * определены особенности деформации поперечных мод в разъюсти-рованном резонаторе с неоднородной средой;

• предложен метод управления спектром излучения на основе внут-рирезонаторной пространственной фильтрации спектральных линий;

• разработан оптшсо-акустический спектрометр на основе стабилизированного С02-лазера с внутрирезонаторным управлением частотой излучения.

Практическая ценность работы определяется актуальностью проблемы формирования оптимачьных пространственных характеристик поля в реальном резонаторе с неоднородной средой. Изучение влияния поперечной неоднородности среды создает возможность одновременного обеспечения большего к.пд. и высокой пространственной когерентности излучения. Полученные в работе результаты демонстрируют широкие возможности варьирования пространственных характеристик (амплитудного и фазового распределений) лазерного пучка путем изменения тока разряда.

Исследованные зависимости структуры попоенных мод и потерь излучения от параметров разъюстировкирезонаторапозволяют рассчитать влияние внешних возмущающих факторов на характеристика реальных лазерных источников. В работе показано,что разъюстировка резонатора может эффективно использоваться для управления пространственной структурой излучения.

На основе метода внутрирезонаторной пространственной фильтрации излучения преложен и реализован способ произвольного формирования спектра излучения лазеров, работающих на ряде линий переходов их активной среды.

На основе способа произвольного формирования спектра излучения, рассмотренного в работе, разработан спектрометр с оптико-акустической регистрацией сигнала в режимах частотной и (или) амплитудной модуляции.

Апробащт работы. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [1—11] и докладывались на:

VII и VIII Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (г.Ташкент, 1974; г.Тбилиси, 1978);

I Всесоюзной конференции по проблемам управления параметрами лазерного излучения (г.Ташкент, 1978);

VI и VII Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере (г.Томск, 1981, 1983);

Всесоюзных конференциях "Использование современных методов в неразрушаюпшх исследованиях к контроле" (г.Хабаровск, 1981,1984). Структура п объем работы. Диссертация состоит из введения,трех глаЕ,заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 118 страниц, включая 31 рисунок, и библиографию из 112 наименований.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Варьирование параметрами поперечной неоднородности активной среды путем изменения тока разряда газового лазера позволяет эффективно управлять амплитудным и фазовым распределениями излучения. Теоретический анализ структуры поперечных мод поля в оптическом резонаторе с параболическим профилем поперечной неоднородности среды удовлетворительно согласуется с экспериментальными результатами.

2. Получено аналитическоерешеяие задачи о пространственной структуре поля в разъюстированном резонаторе. Экспериментальное подтверждение теоретических зависимосей позволяет использовать их для оценки деформации поперечных мод и величины потерь для неконфокального резонатора произвольной устойчивой конфигурации,а также для управления характеристиками лазерного излучения.

3. На основе метода внутрирезонаторной пространственной фильтрации линяй генерации предложен способ формирования произвольного спектра излучения в пределах контура усиления. Преимущества способа состоят в более высокой эффективности управления спектром генерации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность и практическая значимость работы» сформулирована цель диссертации, приведено краткое содержание глав.

Первая глава содержит результаты исследования пространственной структуры излучения в резонаторе с поперечно-неоднородной активной средой.

В параграфе 1.1 проведен теоретический анализ структуры поперечных мод в резонаторе с заданным аксиально-симметричным профилем поперечной неоднородности среды. В большинстве реальных ситуаций достаточно хорошим является параксиальное приближение, для которого зависимость инверсной населенности N среды от поперечной координаты г имеет стандартный вид:

где ЛГ0 — инверсная населенность среды на оси резонатора; у=соай — параметр, характеризующий кривизну профиля усиления среды. Экспериментально могут реалгоовываться условия как с у>0 (отрицательный профиль усиления), так и с у<0 (положительный профиль усиления).

Используя стандартные уравнения для медленно меняющихся амплитуд с учетом (1), получено следующее выражение для амплитуды поля т-ой поперечной моды плоскосферического резонатора:

где к—волновое число; I—длина резонатора; Ьт(х) — полином Лагерра; д2—комплексный параметр лазерного пучка на плоском зеркале:

Здесь г0—расстояние от плоскости минимального сечения (перетяжки) пучка до плоского зеркала (г0 положительно, если перетяжка находится внутри резонатора); ш0 — радиус пучка в области перетяжки. В общем случае зависит от конфигурации резонатора, расстройки час-

(0

(2)

тоты генерации относительно центра атомной линии, параметра радиальной неоднородности среды у и определяется следующими выражениями:

Чг =

470?«ЛУ,б7;

п( Г1 + /)

к

О)

г

- /

где = 1 — —; Я, — радиус кривизны сферического зеркала;

Л =

функция расстройки от центра линии У0 — время

поперечной релаксации населеннсстей; й—средний дипольный момент; а0 — коэффициент усиления на оси резонатора.

Достаточно громоздкие выражения (4) упрощаются в случае малой величины безразмерного параметра радиальной неоднородности среды (е«1), что выполняется для реальных экспериментальных усяов!ш. В этом случае первое выражение в (4) пришагает вид:

Яг

иГ з(1-а)2

а

(5)

Анализ полученных формул показывает,что для положительного профиля усиления (у<0) перетяжка пучка находится внутри резонатора, в обратном случае (у>0)—вне резонатора, радиус перетяжки пучка также зависит от величины у. Отметим, что влияние параболической неодно-

родности активной среды на основную поперечную моду резонатора г .о-ретически исследовалось и другими авторами [3].

Дальнейшее развитие теория резонаторов с неоднородной средой нашла в последующих работах ряда авторов [4—5], наиболее общие результаты получены Ю.А.Ананьевым [6]. Таким образом, приведенные расчеты демонстрируют возможность управления фокусировкой лазерного пучка путем изменения радиальной неоднородности среды. Особенностью резонатора с такой средой является и то, что, в отличии от пустого резонатора, распределение фазы высших поперечных мод зависит от поперечной мод ы, а распределение интенсивности не имеет нулей. .

В параграфе 1.2 рассмотрена модель неоднородного резонатора с диэлектрической проницаемостью среды (гипергеометрический слой) вида

Данная двумерная задача допускает точное решение для произвольной величины параметра неоднородности 5. Полученное аналитическое выражение для поперечного распределения интенсивности излучения наглядно иллюстрирует тот факт,что поперечная неоднородность сре-ды^роме изменения собственных частот и порога генерации,приводит к концентрации поля в области большого возбуждения,что следует и из

В параграфе 1.3 приведены результаты экспериментального исследования пространственных характеристик излучения непрерывного С02-лазера.

Резонатор, длина которого изменялась, был образован плоским и сферическим зеркалами. Измерялось распределение интенсивности излучения в разных сечениях пучка. Таким образом, определялись размер со0 и положение г0 перетяжки гауссовского пучка в зависимости от тока разряда. Эксперименты выявили, что величина г0 уменьшается с увеличением тока, и при больших токах становится отрицательной, что, согласно (4), соответствует отрицательному профилю усиления. Сравнение теории с экспериментом подтвердило, что зависимость как положения плоскости минимального сечения пучка г0, так и ширины перетяжки пучка ш0 от тока разряда может быть обусловлена не только нагревом газа, но и неоднородностью профиля усиления.

(6)

(4).

Измерения проводились также и для неустойчивого резонатора (^=-0,15). Факт получения устойчивой генерации демонстрирует определяющую роль неоднород ности усиления активной среды. Показано также, что параметры <э0 и 20 могут изменяться при варьировании потерь в резонаторе, вносимых, например, плоскопараллельной пластинкой. Экспериментальные зависимости удовлетворительно согласуются с формулам« (4).

Вторая глава посвящается исследованию влияния разьюстировки резонатора на структуру поперечных мод поЛя.

В параграфе 2.1 получено аналитическое решение задачи о пространственной структуре поля в разьюстированном резонаторе с конечными зеркалами. Поправки к известному решению для неразьюстированного резонатора определялись в нулевом порядке теории возмущений, что позволило получить следующие соотношения для амплитуды поперечной

-иода 2шп-

2а/=1-р^адад),

(7)

(х-д)Ч/

С1хйу, (8)

где а—коэффициент усиления; I—длина резонатора; р2 — коэффи-

циенты отражения зеркал; А, = (1 - - g1g2); gx¡1 =

ч

К

2 У

— радиусы кривизны зеркал; 8 — угол поворота зеркала относительно оси резонатора;

22

; С = |2И+'1 т! л! па? ;

Нт, На—полиномы Эрмита.

Эквивалентные числа Френеля зеркал Ы, 2 находятся как

м = кА2 &.2(1-т)

1,2 ' V а*

где А — радиу с зеркал. Интеграл (8) вычисляется по апертуре пери' го зеркала. Вводя для отношения смещения центра амплитудного распре-

А.

деления к ширине этого распределения обозначение У = —, и ограничиваясь вторым порядком по у, из (8) получаем коэффициенты ()тп для низших мод:

Формулы (10) совместно с (7—8) позволяют анализировать зависимость потерь низших мод от угла разьюстировки. Анализ полученных формул показывает, что разыосгаровка одного зеркала приводит в случае плоского второго зеркала к смещению оси пучка, а в случае сферического —к повороту оси.

В параграфе 2.2 приведено аналитическое решение задачи о пространственной структуре поля б разыостированном резонаторе с неоднородной средой. В параксиальном приближении получено следующее выражение для параметра q2, определяющего пространственные характеристики поля (эквивалентного (3) для неразъюсгированного резонатора):

► •

(10)

(И)

[2 = 4кУ2ЛТ0УI1

ЙД(г|+г')

Разыостировка резонатора приводит к смещешпо центра распределения амплитуды и фазы на величину ¿(0) на одном из зеркал:

6(0) = 5/[/ютр+(1-£,)«*/>]"', (13)

где 8 — угол поворота (разьюстировки) одного из зеркал относительно оси резонатора. Из (11) очевидно существенное отличие резонатора с неоднородной средой, которое легче проследигь на примере основной моды. Поскольку величина ¿(0) комплексна, то смещения амплитудного и фазового распределений различны. При у = 0 (однородная среда) смещение 6(0) —вещественная величина, поэтому разыостировка приводит лишь к смещению лазерного пучка параллельно оси резонатора на расстояние 5К.. Для у з== 0 разыостировка вызывает поворот пучка на угол

в, = , (14)

где ¿(0) = 6, + 1Ьг.

Деформации высших поперечныч мод обнаруживают более существенные отличия от пространственно-однородного случая. В частности, интенсивность первой моды не обращается в нуль при конечных значениях поперечной координаты. Анализ показывает, что первая поперечная мода разыостирозашюго резонатора с параболическим профилем усиления обеспечивает большую равномерность интенсивности фокального пятна, нежели основная.

В параграфе 23 изложены экспериментальные результаты исследования разъюстнрованного резонатора. Измерения проводились на Не-Ме лазере (51=0,63 мкм). Разыостировка резонатора осуществлялась поворотом одного из зеркал с помощью пьезокерамичеасого узла. Регистрировалось распределение интенсивности по сечению пучка путем сканирования фотопркемника. Справедливость формул (10) проверялась косвенным образом. Использовалась известная для неоднородного уши-рения связь медду коэффициентом усиления а и выходной мощностью

Г, р

излучения Р: а = а01 1 + —

1

, где а0 — коэффициент усиления слабо-

го сигнала, Рн — мощность насыщения. Из условия равенства усиления и потерь определялась зависимость выходной мощности от угла разъ-

юстировки зеркала. Привязка теоретических и экспериментальных кривых осуществлялась в точках срыва генерации. Расчетные зависимости смещения центра амплитудного профиля для плоского зеркала и поворота оси пучка для сферического согласуются с экспериментальными.

В третьей главе рассмотрен способ формирования произвольного спектра излучения на основе метода внутрирезонаторной пространственной фильтрации линий генерации лазера и его применение в приборах для спектрометрических исследований и анализа концентраций мнкро-прш^есей газов.

В параграфе 3.1 проанализирован метод внутрирезонаторной пространственной фильтрации излучения, позволяющий управлять спектром генерации в пределах контура усиления среды.

Метод основан на установке в резонаторе диспергирующего элемента (дифракционная решетка) с помощю которой линии генерации пространственно разделяются. Данный метод свободен от ограничений, присущих традиционной автоколлимащюнной схеме управления частотой излучения, главными из которых являются монотонность перестройки по частоте, необходимость регулярной настройки на центр линии генерации, а также большое время перестройки спектра.

Формирование спектра генерации в этом методе обычно осуществляется при помощи маски, выделяющей необходимые линии генерации, и модулятора в виде диска с прорезями. Однако такой метод формирования спектра генерации задает жестко запрограммированный набор линий и не позволяет адаптировать его к изменяющимся условиям.

С целью повышения эффективности управления спектром генерации предложено использовать управляемую диафрагму в вида линейки шш-роэлектроматитов, расположенную в области перетяжек монохроматических пучков. Подвижные якоря электромагнитов, кроме якоря электромагнита, соответствующего выбранной пинии генерации, устанавливаются в положение, при котором перекрываются пути распространения соответствующих лучей. Предложенный способ позволяет автоматизировать процесс управления спектром излучения. В соответствии с программой, заложенной в ЭВМ, через устройство сопряжения происходит включение и выключение соответствующих электромагнитов. При этом возникает или прекращается генерация соответствующей линии.

Предложенный способ был экспериментально реализован для управления спектром генерации С02-лазера из восьми линий. Частота

переключений линий генерации составляла 60 Гц и определялась электромеханическими характеристиками электромагнитов.

В параграфе 3Л описан спектрометр с оптико-акустической регистрацией сигналов на основе перестраиваемого С02-лазера. Использование рассмотренного в 3.1 способа управления спектром излучения позволило существенно расширить функциональные возможности спектрометра, которые, в частности, допускают полную автоматизацию процесса измерения.

Используемый лазер был снабжен разработанной системой автоподстройки частоты (АПЧ) по каждой линии генерации при их перестройке. Система АПЧ обеспечила долговременную нестабильность частоты не хуже 3-1О"3. Флуктуации мощности излучения при этом не превышали 2 % в каждой линия при мощности от 1 до 1,5 Вт. В спектрометре предусмотрен как режим амплитудной модуляции излучения с последовательным сканированием по длинам волн, так и режим частотной модуляции, позволяющий уменьшить влияние фоновых сигналов от стенок и окон оптико-акуспгееской ячейки в 10—15 раз.

Разработанная система регистрации сигналов позволяет легко изменять режим измерения, частоту модуляции излучения, время интегрирования и пробирования сигналов, число линий в спектре и порядок их включения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Теоретически исследована структура поперечных мод поля в резонаторе с параболическим профилем поперечной неоднородной активной среды. Показано, что размер и положение области перетяжки гаус-совского пучка зависят от величины и знака неоднородности. В отличие от пустого резонатора, распределение фазы высших поперечных мод зависит от номера моды, а распределение интенсивности не имеет нулей.

2. Экспериментально продемонстрирована возможность управления амплитудным и фазовым профилем лазерного пучка путем регулирования тока разряда. Установлено, что зависимость положения плоскости минимального сечения и размера перетяжки пучка от тока разряда может быть обусловлена как неод нородностью плотности активной среды, так и неоднородностью профиля усиления.

3. Получено аналитическое решение задачи о пространственной структуре поля в разъюстированном резонаторе. Результаты проведенных зкс-

«

периментов подтверждают применимость использованного нуя; его порддка теории возмущений для определения амплитудного и фазового распределений и Пфвого порядка для потерь излучения в зависимости от угла разьюетировки.

4. Разработан способ произвольного форшшования спектра излучения лазере в пределах контура усиления. Экспериментально реализовано формирование спектра из восьми ляшш излучения СО;-лазера в произвольном порядке.

5. Разработан спектрометр с оптико-акустаческой регистрацией сиг-надоз с режимами гик амплитудной, так и частотной модуляцией излучения. ,

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Ананьев ЮА. Угловое расхозздение излучения твердотельных ла- * зеров И УФН .1971. Т.103. № 4. С.705-738.

2. Ананьез Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: Наука, 1978.320 с.

3. Ernst G.J., Witteman W.J. Mode struclure of active resonator //IEEE J. of Quantum Electronics. 1973. V.9. Jfc 9. P.S11-9IS.

4.Еекшаев А.Я., Гримблатов B.M. Разыостированный оптический резонатор с линзоподобшзй средой // Квантовая электроника, 1980. Т.7. № 6. С.1168-1179.

5.Акчурин Г.Г., Мельников Л А., Рабинович Э.М., Тучин В.В. Влияние нелинейной "линзы" активного элемента на искажение зоны генерации газового лазера // ЖТФ. 1979. Т.49.2Ь 5. С.1022-1026.

6.Ананьев Ю А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. М.: Наука, Гл. ред. фю.-мат. лит., 1990.264 с.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Новохатсккй В.В., Студеникин Ю.Е. Измерение параметров лазерного пучка при разъюсгаровке зеркалрезонатора // Лазерные пучки. Сб. кауч. тр. Хабаровск: Хабар, политехи, ин-т, 1975. С.88-93.

2. Воробьев ФА., Студеникин Ю.Е. Поперечная структура поля в резонаторе с нелинейным усилением //Лазерные пучки. Сб. науч. тр. Хабаровск: Хабар, политехи, ин-т, 1975. С.110-118.

3. Открытый разъюстированный резонатор со сферическими зеркала-ми/Н.К.Бергер, И А. Дерюгин, Ю.Н Лукьянов, Ю.Е.Студешпаш//Оптика и спектроскопия, ! 977. Т.43. Вып.2. С.306-310.

4. Бергер Н.К., Новохатский В.В., Студеникин Ю.Е. Пространственная структура поля в открытом резонаторе с радиально неоднородным усилением //Когерентные методы в акустических и оптических измерениях: Сб. науч. тр. Владивосток: ДВНЦ, Тихоокеанский океанологический институт, 1981.С.181-183.

5. Разработка лазерного оптико-акустического спектрометра с частотной модуляцией излучения / М.А. Мерзляков, Т.Н.Мороз, Ю.Е. Студеникин, Ю-АЛкоби //Тезисы докладов VI Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере. 4.2. Томск: 1981.

6. Рудницкий AJI.,Студеникин Ю.Е.,Якоби Ю.А. Многоканальный оптико-акустический спектрометр с перестраиваемым лазером //Тезисы докладов VII Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск: 1983. С.250-252.

7. Перестраиваемые лазеры с разделением линий генерации внутри резонатора /П.В. Григорьев, А.Н. Малов, А.Л. Рудницкий и др. // Квантовая электроника, 1985. Т.12. № 2. С.351-354.

8. Рудницкий АЛ., Студеникин Ю.Е. Автоматизированный многоканальный оптико-акустический спектрометр //Лазерные пучки. Распространение в средах и управление параметрами: Сб. науч. тр. Хабаровск: Хабар, политехи, ин-т, 1985. С. 85-91.

9. Рудницкий A.JI., Студеникин Ю.Е. Лазер с перестраиваемым спектром генерации. A.C. № 1517087. БИ № 39, 1989.

10. Рудницкий А.Л., Студеникин Ю.Е., Агафонов А.И. Лазер с перестраиваемым спектром генерации. A.C. № 1636907. БИ № 11,1991.

11. Студеникин Ю.Е., Фалеев Д.С. Характеристики спектрометра на основе лазера с внутрирезонаторным управлением линиями генерации // Сб. Транспорт и связь. 4.2. Научные проблемы управления транспортом; связь и автоматика. Хабаровск: ДВГАПС, 1995. С. 80-81.

С.44-46.