Волноводные лазеры и усилители на неодимовых стеклах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

/5 6/

ИНСТИТУТ 0ВЦЕ11 ШЗШ1 АКЛДЕШИ 11АУ1С СССР

На правах рукописи

ДШ1ШДЗЕ Мераб Иосифович

УДК 621.378.535,826.038.825

ВОЛНОВОДШ ЛАЗЕРУ II УСИЛИТЕЛИ НА ИВДИШВЫХ ОТЕКЯАХ

01.01.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание учаноП степени доктора физико-математических наук

№4 к и с I с £ е?/г) / * ЦУ

а! ¡с

Тбилиси - 1989

Работа выполнена в Т6ла-.осеом государственном университете.

Официальные оппоненты: док-^р физико-математических

наук, профессор В.Л.огр-.яевскиА

доктор технических наук, профессор Г.Б.Альтшулер

доктор физико-математических наук Н.Б.Делоне

Ведущая организация: Институт физики АН УССР, г.Киев

Задета состоится "_"_1989 г. в _часов на

заседании специализированного совета И 3 при Институте общей физики АН СССР по адресу: II7942 Москва, ул.Вавилова 38.

С диссертацией мокно ознакомиться в бпблл отеке И05 АН СССР.

Автореферат разослан "_"_198Э г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор физико-математических наук

3.Л.Заб dzqтокая

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Днссер.ацпя посвящена исследовании процессов усялешш и генерации волноводных твердотельных лазеров на неодимовнх силикатных стеклах. Изучены временные, энергетические и спектральные характеристики стекловолокошигс и спицевиднцх неоди-иовых лазеров и влияние короткопюущих центров окраски (КЦО) на процессы усиления п генерации лазерного излучения. Рассг.ю-треи процесс распространения когерентного лазерного излучения в шогомодовых световодах. Обнаружен и исследован эффект уко^ рочения световцх импульсов в активных волноводах при вынужденном распаде КЦО и показано существенное улучшение усилительных и генерационных свойств волноводных активных элементов в присутствии КЦО в неодимовых стеклах.

Актуальность пгюблемщ Одной из актуальных задач квантовой электроники является разработка и исследование побых типов твердотельных лазеров, оптических квантовых усилителей. Успешное применение лазеров практически во всех областях науки и техники стгадулпрует разработку эффективных активных сред для освоения новых спектральных диапазонов генерации, улучшения энергетических, спектральних и временных характеристик лазеров, создание ив их основе приборов и установок различного назначения, способных работать в самых разнообразных условиях.

Столь огрог.ппй и постоянна, интерес к развитии лазерной физики определяется тгрогде всего целш рядом прикладных и научных задач, для решения которых требуются иовис источтпт подлого светового излучения с заранее заданныш характеристиками. Ввиду развития интегральной оптики среди существуй»??лазеров

и усилителей весьма значительными оказались волноводнне лазеры на неодимовых стеклах.

Стекло, активированное неодимом, является одним из основных материалов квантовой электроники. Применение стекла в качестве активной среды лазеров дает возможность создать целое многообразие конструкции лазеров и усилителей: активные элементы имогат любую форму -- от волокон диаметром в несколько микрон до дисков диаметром десятки сантиметров.

Легкость изготовления активных элементов в виде стекловолокна, возможность придать волноводпш лазера;.! компактный вид, простота конструкции этих лазеров и возможность получения любого, заранее заданного распределения интенсивности поля излуче-ши делают их вачшыми для решения различных научных и практических задач оптоэлектроники и оптической обработки информации. Волокна, изготовленные из неодимового сшшкатного стекла, позволили всесторошге изучать влияние КЦО на генерационные и усилительные свойства твердотельных лазеров.

Основным объектом исследований в диссертационной работе явились многоходовые волновода, изготовленные из силикатного неодимового стекла. Выбор шогомэдовшс световодов в качестве • активного элемента лазера обусловлен необходимостью получения достаточно интенсивных световых импульсов генерации. Для достижения этой цела наиболее элективными оказались длинные (до 80 с,м) и тонкие (1,3-2 мм) волноводы, названные нами сппцевздцшш мэтлаиимя элементами. Сохраняя волноводные свойства и гибкость, сптцекццшэ активные элементы оказались весь;-а э^Х-зктавн-г.п для сэздмкя взлповодасс лазеров с энергией излучения 30-Я5 Д" в ;::тг,-.чьсе. При этом, резкое упрощение проблемы охлггиен;!:; а;гг:1-

вных волноводов дает возможность создать лазерные установки о высокой частотой повторения генерируемых ш.шульсов. Следует такнэ отметить низкую пространственную когерентность и лцсокую однородность распределешм интенсивности поля излучения. Все это позволяет использовать мощные спицевидные волноводше лазеры при решении целого ряда технологически задач лазерной обработки материалов, напыления тонких пленок, скраибировании и микросварки, маркировки изделий и др.

Проведенными в диссертационной работе исследованиями до-Есазана высокая эффективность волноводных неодимовых лазеров, обнаружены ряд положительных эффектов влияния КЦО на усилитель-пне и генерационные свойства лазеров и квантовых усилителей.

Из изложенного следует актуальность физических исследований процессов усиления и генерации волноводных неодимовых лазеров.

1) исследовать процесс распространения лазерного излучения в многомодовых волноводах;

2) исследовать процессы усиления в волноводных (волоконных, сшщевидных) оптических квантовых усилителях на неодимовых силикатных стеклах;

3) исследовать кинетику генерации волноводных неодимовцх лазеров, изучить их энергетичес де, временные и сиектралышз характеристики;

4) изучить основные свойства КЦО в силикатных стекловолокнах и их влияние на ь^оцессы усилешш и генерации свзтопих ш.шульсов.

Научная новизна.' В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований впервые:

- установлено, что величина комплексной стонеш! когерентности, временная дисторсия и коэффициент потерь на единицу длины световода является нелинейной функцией длины волокна (для многомодовых световодов длиною порядка метра);

- показано, что стекловолокошше гааытовые усилители являются усилителями регенеративного типа; обнаружена аномальная зависимость коэффициента усиления от мощности входного сигнала в присутствии КЦО в активных элементах;

- доказано, что при поглощешш фотонов, излучаемых неодимом, происходит вынувдениый распад КЦО, приводящий к эффекту модуляции добротности стекловолоконного резонатора и укорачива-шта усаливаемых световых импульсов стекловолоконным усилителем;

- обнарут!.ено, что натачле 1Щ0 в активных элементах приводит к существенному увеличении эффективного вромени яизнл на

мстастабшшгом уровне ионов неодима, топ самым ргзко увеличивал коэффициент усиления активной среды п улучшая энергетические характеристики твердотельных лазеров;

- показано отсутствие модовой структуры в распр-зделешш поля излучегсм волноводного лазера и низкая просгранстзсиная когерентность излучения, вызванное сильным пространственным перз-чрктпэгл генерируемых мод в многомодовых волноводах, обеспочивап-щим генерацию на связанных типах колебаний;

- исследованием генерационных и усхтиелыспс свойств вол-нов .>длых лазеров поглзало, что максимальное полот.;;?о"ыюе вжи-uss îv V) на п.гиамегрц твердотельных лазеров на и-эоткпдох етек-г.'.х при томпзратурах £u;t;ib:îo"i cp3j;ti ¿■yl-У,'.' У. :т ::р::

инцентрациях 7210 Ю19 - Ю20 см""3;

- проведен анатаз кинетических уравнений процессов усила-шя и генерации волноводного лазера с учетом эффекта вынужден-юго распада КЦО в активных элементах.

Научная и практическая значимость работы. Получешше ре-|ультаты исследования кинетики генерации волноводних лазеров ¡озволшш углубить наши знания о процессах усиления и генера-сш в твердотельных лазерах, выявили значительное влияние КЦО 1а эти процессы; численные расчеты на ЭВМ системы дафферзнцаа-[ышх уравнений, оппсывандие это влияние, полностью подтверди-и полученные наш экспериментальные результаты.

Обнг.^деиы новые закономерности распространения лазерного 1элученш; «рез шзгомодовые световоды с учетом эффекта нару-Ю1ПЮГО полного иг/трешгего отражэшш (НПВО), имеющие вашое фактическое значение при построении волоконно-оптических схем, [рвдпоаен новый метод измерения временной дпсгорсии светови:: :мпульсов при их распространении в многомодовых коротких свето-|Одах.

Результаты исследования характеристик стекловолоконных зантовых усилителей в присутствии Щ) в шстивном элементе поваляют создать устройства с коэффициентом усиления до 10 при «повременном сокращении длительности импульса в 2 раза ка ютр длины волокна. Обнарукешшй аномалышй рост коэффициента силения с ростом мощности входного сигнала (при тизких уров-ях мощности входного импульса) позволяет создать эффективный ■сшштель контрастности оптического изображения.

Полученные теоретические и экспериментальные результаты сслэдоаония гонерацногашх характеристик стешховолокошшх и

ошщявлшшх лазеров позш пил разработать эффективный метод итавчого изменения частоты следования, длительности и мощности регулярных гигантских импульсов генерации, дало возможность получить как квазпнепрерывное лазерное излучение с затухающими релаксационными колебаниями, так и ультракороткие световые импульсы при самосинхронизации мод. Это резко расширило область прменения волноводних твердотельных лазеров для решения различных научных и технологических задач взаимодействия лазерного излучения с веществом.

В отличие от обычных лазеров волноводше лазеры представляет собой протяженные источники излучения, и использование пучка активных элементов позволяет создать любое, заранее заданное распределение поля излучения с крайне низкой пространственной когерентностью, что практически исключает появление опекл-структуры и обеспечивает высокую степень однородности поля излучения лазера.

Возникновение КЦО в твердотельных активны*, элементах (вызванное поглощением коротковолновой части спектра лампы накачки) считалось крайне нежелательным для лазеров, приводящим к понижению КПП и ухудшению энергетических характеристик лазерных систем, но, как показали проведенные наш теоретические и экспериментальные исследовать;, когда концентрация КЦО достаточно вели tea л сравнима с концентрацией активных центров лазерных сред, их присутствие приводит к резкому улучшению энергетических характеристик генерации лазера в режиме гигантских импульсов генерации: КПД лазерной установки в режиме модуляции добротности полнородного резонатора достигает величины 0,5%. Это позволяет лерэпзста результаты исследования процессов голорации волновод-

них лазеров на обычные твердотельные лазеры, существенно улучшая их энергетические характеристики в ревиме генерации гигантских импульсов, создать мощные высокоэффективные усилительные системы.

Оптимизация выходных параметров волноводных неодимовых лазеров и разработка отдельных узлов высокоэффективного стщо-ендного лазера позволили создать промышленный образец технологической лазерной установки ВТЛ-88 для решения различна: задач мшсроэлектронпой промышленности (шштеиге тонких пленок, маркировка изделий, лазерное скраибировакпе и шкросгарка), науки и техники.

Волноводпый технологический твердотельный лазер ВТЛ-88, пзлучагжщй серию мощных регулярных гигантских импульсов с частотой следования в серии 30-50 кГц (энергия излучения серии 1Е>-пульсов достигает 20 Дг;, длительность серии - до I мс), оказался особенно эффективным для получения высококачественных тонких пленок на прозрачных поддонках. Толчцша пленок, нанесенных одноЛ серией импульсов волноводного лазера ВТЛ-88 составляет 3...5 мкм.

Малые диаметры волноводных элементов сильно упрощают проблему охлаждения активной среды, что позволяет получить частоту следования серил импульсов в несколько герц. Отсутствие зеркал резонатора и простота конструкции лазерной установи! существенно увеличивает надежность в работе в заводски: условиях. Малые длительности лазерных шпульсов позволяют при проьсде'ил технологического процесса шркпровгах изделий применить непрерывно Д5ис.у2цп'1ся КОНЕЗГтер.

Основные результаты диссертационной работы внедрены в

учебшй процесс по специальности "Квантовая электроника", з соответствии с которой читается спецкурс лекций "физика лазеров" в Тбилисском государственное университете. Ряд задач вол-новодной оптики и квантовой электроники поставлэны в учебных лабораториях физического факультета ТГУ.

Представленные в диссертации результаты исследований определяют новое научное направление -физику твердотельных волноводных лазеров.

Основные полокения. внноскше на защиту.

1. Стакловолокошшо квантовые усилители являются усилителями регенеративного типа.

2. Процесс просветления активной среды волповодных лазеров происходит вследствие вынужденного распада КЦО при поглощении, фотонов.

3. При больших концентрациях КЦО в активных элементах резко улучшаются энергетг'тоские характеристики волноводных лазеров и уснлктелэЯ.

4. В зависимости от концентрации КЦО в активных элементах в волноводных неодомэвнх лазерах существуют различные рехглы генерации: квазпцепрэрызшй рзш;м с релаксационными колебшш-ятл пзлученая, резал генерации гигантских импульсов и ре:ким самосинхронизации .мод.

5. Величина неоднородного ушрзнпя ллнпя лш'лпесценцнн нзодигла в схтлкатнмх стекловолокнах в несколько раз превыааот веллсшу ушрея;и хпш в обычных (стзр;:нэвих) активных элементах. Спектр генерации стотпозолоконлого изоднмопэго лазора и:;э~т л'тнончат-'ю структуру.

Метод исследования.

Экспериментальные) исследования проводились с использованием быстродэйотвуодзЗ регистрирующей аппаратура. Теоретическое моделирование процесса усилешш и генерации проводилось системой дифференциальных кинетическая уравнении и уравнений пора-носа. Численные решения проводились на 331.1 БОС.',1-6. При рассмотрении процесса распростанешш оптического излучения в шого-модовых световодах применялось приближение лучевой оптики. Все теоретические результаты были сопоставлены с экснорн:лснтаяыщ-ш данными. Получено хорошее согласие экспериментальных и то-орэтцчео.г:пх результатов. Вследствие этого диссертационная работа явл*.е"*ся экспериментально-теоретической.

Апробация тлучешых результатов.

Основные рззультаты диссертациошюй работы докладывались и обсуздались на УП (Ташкент, 1971 г.), УШ (Тбилиси, 1976 г.), IX (Лэшшгад, 1970 г.), X (Киев, 1980 г.), XI (Ереван, 1982г.), ХП (.Москва, 1985 г.) Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике, на Сессиях научного совета All СССР по проблеме "Когерентная и нелинейная оптика" (Тбилиси, 1985 г., Хл-шнов, 1986 г.), на заседании Координационного совета Гособразования СССР по программе "Лазорн-2" (Ереван, I9C7 г.), на Всесоюзных кэнТюрзнциях "0пт;1ка лазеров" (Ленинград, 1980, 1984 гг.), на Мзздунарэдных коидзрзшцих: Лазеры-79 (Орландо, ОТА, 1979 г.), Лазеры-30 (Новый Орлзал, США, 1930 г.), Лазеры--83 (Сан «¿ршпщеко, США, Г983 г.), по инфракрасной упзнкз (Цю-рлх, Швейцария, 1981 г.), "Лазори и их применение" (Лойпцпг, ГДР, 1931 г., Дрезден, ГД?, 1985 г.), "2К0Н-80" (Познань.¡П-С, 1980 г.), на Мзг-дуиарэдтх школах по когерентной оптике (Бехп-

не, ЧССР, 1983 г., йена, ГДР, 1981 г., Тбилиси, 1987 г.), на Международном симпозиуме "Сверхбыстрые явления в спектроскопии" (Рейнхардсбрун, ГДР, 1985 г.), на Международных конференциях но оптике (Йена, ГДР, 1907 г.) и "Тенденции квантовой электроники" (Бухарест, Румыния, 1988 г.), на Всесоюзных и Республиканских сешнарах по вопросам квантовой электроники.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликовшш в 50 работах, в том числе в 32 статьях и тезисах 18 докладов на Международных и Всесоюзных конференциях. Кроме того, получено 5 авторских свидетельств на изобретение.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Приведен список литературы 172 нашлэновшшй, из которых 58 относится к публикациям автора. Диссертация содержит 272 страницы машинописного текста, иллюстрации 82 рисунков на 70 стршшцах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во зведешш дано обоснование актуальности проведешюго исследования, проведен обзор литературы по вопросам, рассматриваемым в диссерташш, обосновывается Еыбор объекта исследовании: многоходовые волноводы, изготовленные из неодимового силикатного стекла л созданные на их основе стекловолоконные и СШ17 цевидаиэ лазеры. Сделан краткий обзор по главам диссертационной работы, сформулированы основ!ше цела и задачи исследований, научная новизна и защищаемые положения.

Леозая глаза (3 параграфа) посвящена исследовании особенностей распространения лазерного излучения в многомодовых световодах, изучению свойств 1СЦ0 п их влияния на процесс усиления з не 5длмозых стекловолокнах.

В §1 установлено, что для прямых многоглодовых светозод<->в (с ¿R:»A ) величина коэффициента затухания на ед¡шнцу дялны волокна К = падает с ростом длины световода [1-3,

6-8]. При этом весьма существенно явление ИГЗО па границе сеод-цовлна-оболэчка с пороздзипзм скользящих золн в оболочке. Наличие кр;тиз1ш разделительных поверхностей лмнозода п нзсовер-щенства разделительных границ сердцевина-оболочка и оболочка--виешняя среда, обусловлонштх флоктуацяшш диаметра сеодцозлш и оболочки световода по длине волновода таюхз увеличивав лот' -ри света при каждом отражении от границы раздела.

Весьта существенно, что длина дутй, кашэтествэ отражен:::: от боковых поверхностен а связанные с т:.п потзр;: при ШВО для ко ''"ix лу^й заметно отличаются от соответствующих значений дет мерпдаэтяг-тк лучей. Как показано з §1, отклонение экспериментальной зависимости затухшшя свота от линейного закона Бугера--Лам<5ерта-Бера в прямых многоходовых световодах вызвано тем, что существующие в световодах различные лучи (саютелышс, кс-сые, входящие в волокно на разных расстояниях от оси и под разлитыми углами) претерпевает различное число отражений от боковых поверхностей волнозода на единицу длины волокна и, учитывая НПВО, имеют разные потери. Это приводит к своеобразной ухтьтра-ции лучен по углам распространения и по близости к оси, в результате чего в световоде остается лишь "проникшзщлй компонент" с наименьшими потерями, пр:гаодящпй к уменыаенню К с ростом дошны [1,7,8]. Основываясь на геометрической оптике, в работе получено приближенное ipaienne для описания процесса распространения света в прямых шогомодовых световодах [7,8]:

где о - погори из-за НОВО и кеглощенкя спета при отражении от йоко^чх поверхностен полководца, р~ угол распространения свата и оси световода., 2 Я - дааг.;егр ьолнозода.

Тек как в :л:огэ:лодовчх световодах разные пуча, протерпе-вая разное число отр?;т;он;;:':, проходят раз^аз длину оптического путл, ото дэл;.:«о ялглть на золгилпу комплексной степэна когерентности распространяющегося в световоде излучения. Про-' 2эдз:-шш пак: лсолэдоваиш: показали [4], что величина 1У| из-нучеяна Но-Г/с лазера педгшэйко уменьшается о ростом длины и доводит до значения 0,7 при прохоздопки длины волокна в 10 см. Лоно, что вычисляя разность хода лучей по измеренным великл-пам ! о ! , мо'лю определить временное ^ширелле световых имну.чь сов [5]. КелансГиие зазле: гасти |)Г| и от дунган сватов ода дет прямых волокон такха ввязаны с Быпеулошкутои фильтрацией л^чсд. Как показало в работе, нелинейность зависимости потерь, когерентности л временного ушроння световых импульс»? на едн-ктцу дшш от длины езетозода отсутствует для закрученных в е;;дс солзнолда г,погоыодозкт волноводов [1,7,8]. ■-.

13 §2 црльодшш основные свойства ЩО, вознлкагдне в еялн— ••а^пкх стекло:: пр:: ойзучецпп коротковолновой частью спектра -нггглкл го.зоразрядшп: лаг,и. Слздует ответить, что малка зща-

я технология лзготозлешгя активных отодаозачокок способ-огзуда возл~псюзе::ло з них большого коллчзстза КЦО, .мэздого суцоогззнлоэ поглоцз-пе ьа длпчо золнн излученгя аэоддаа. Из- • :.:;р:-:гк спгкгуа наз^да:-псг-о поглоа^шп, проз данные па:.и и

другш.п авторами, пока, для, что ::оэ$га5:епт поигэщэагя ^чО с несколько раз вровышг.о1- коэфукцяент поглощетзх долютзухпх центров окраски, следовательно, ааябоиззее тшягле ка процесса усЕлеидя и генерации нэодяиового стекловолокна датангд. ятя:-вать тленно КЦО.

Исследование наводелпого логлоя-эплк 1и5> х:а дллло ьюав: 1,С6 мкм нага бшш проведени с помощью рогудкрхкх хт.пхит-тсклх импульсов (с частотой олодозкпл 30 ;?Гц> отсхушээлихоя-ного неодзмовэго хазара [20]. Оказалось, что логдецл-ио части вноршя излучения предвдущэго ишулгса из ссрлн глгантокх: п:.:-пульсов существенно сигают кэо®.гцлои? логло!;э:ак яоолсдугхр-гэ импульса [27], что указхгаазт на чиоглчноэ упячтозаплэ КДО. Прозодемшо на:.гт псолсдозшшч возлекл сагдоп^опззэльиого р-дс-пада 1Щ0 по пзлэро.'пии наведогсгого логлсцпля рдл;егчп:и: коротких овотознх импульсов прл разлапых таглэратурах дел:: зависимость, нрздетавленнуо на рлоуккз I [1й].

5

6

1

"Се ««

Дряаодглхая на слс.1 паэл-ол:.:э.тл> кэсм.лгл оех;эпро;:?зэльло-го распада И'ЦО от ?оглг>р.-лур!! хорошо ош:сиаа9Тся продстатзлонлоц КЦО в вэдз слабосзязацло?! зодо-родноаодобиой слотэш до^-ллт

з

■I- электрон, э которой ядрои сдуют пологитошю заряайкнхШ дефект зли вакансия, а огооохцый

2

о

135 г5с--53с

р-;. I

•X" элоктрол, захвагггэаогай цзл-гроч, погх:л'х.е^ в с?вш» лсд дсгг сг:упн керпхколеллезуц ггтли оц-->-

ктра накачки. На оснозз атой модели бшш составлены кинетические уразнешгя . распада КЦО. Проведешые расчета параметров КЦО, используя завжшюсть временя распада КЦО от температуры (рно.1), показали, что энергия ионизации КЦО составляет 0,04-0,06 эв. Это подтверждает реальность процесса выпуздэнного распада КЦО при поглощении фотона, излученного неодимом (1,16эв). Расчитатаая элективная масса КЦО составляет величину ~ 0,0015 те.

Проведешие памп исследования по усилению серии ультракоротких езетозих щшульсоз отекяоволокошшгл неоднмовим квантовый усилителем подтвердил:! эйфект выцуздопного распада КЦО при поглощении пзлучешм неодима [32-34].

Изучение процесса образования п распада КЦО с помощью система кцнзтэтос1спс уразпэипй показал, что самопроизвольный распад ЩО является существенно неэкспоненцкалышм п характеризуется многократными повторшын захватами электрона дефекта-прежде чем произойдет рг-омбпнацая с дыркой. Это согласи л-ся с результатам:, полученными другими авторами.

Параграф 3 посвящен проблемам усиления светлых пг.шульсов стекловолокошшми ус:илтелями. Рассмотрели вопросы о регенеративном характера усиления отеююволоконных усаяатедей, о вли-ягсы КЦО па процесс усиления, исслодозан эдазкт укорочошхя еззтознх п:.игульсэв в стеетоволокошюм усилителе.

Вопрос о регенеративном характере уоклония неодимовш: стоютазолокок зознп1сает в связи с тем, что оценга. энергетические характеэлстш; стеаяовадокэиннх лазеров указизают на высокие значент добротности волоконных резонаторов нземотря на эгсутстзг.е лзркал резонатора. Зозмо;:шость суцеагзозшпи рзге-

неоатлвного рскслма усиления связала наличием обратной спязл, вызванной как отра.'.снхямл от торцов волошга (резонансная обратная связь), Tait л отргтюнажи от ноодпородностой л лзглбов световода.

Эксперименты проводились на нсодлмовш: сто»словэдокна:г дл-амзтром 30-G0 шл пря дялне вэзбуздазмоЛ частя волокна 84 ou. Исследовался процесс усиления гиганте:;;::: п.мпульсов язлуузлця стекловолокощюгэ ноодшлового яазора. Проводсншо исследования показала, что коэЛЗлщгент усплоши резко, экспоненциально возрастает с узоллченпе:.: эноргал шиткл, достигал значений ГО'* -- 10^ пр:: энергиях накачк:;, близ ил;: к порогу сашвззбуздания волоконного усхллтоля. Высокие значения коэ'Ткщяеита усллонхч и отсутствие иасчщоння с ростом накачка указпзает па рогэнора-тлвтгл характер усллснля в стекловолоконном усилителе [29-31]. Проведенные риочзхи показал:;, что экслерлглйитаааццо результаты ¡jo 17т бить описаны тоорлел регенеративных уехтатэлзл, еелл эу>эктлвшгл коэффициент отраизнпя волоконного "резонатора" достигает волкчлш Г" - 0,20 ... 0,25 при коэуЗлцленто пассивных потерь J5 = 0,0025 см-1 [30-31].

Кд р::с. 2 приведены задаст госта коэффициента усиления G стэклополо-конного усилителя от .мощности входного сигнала при разшгл прэвшогсих энергии накачки над пороговой энергией. Обращает на себя внимание резкое падение величины G при уменьшении мощности Р;;с. 2

входного импульса прл слабых сигналах и наличие ма ;с;а$/ма G

Резкое падение G при тмэньазназ мовщоотк пхдоин'э нм-

4

8 12 ,16 рвх~0Вт

пульса лр:: ? < 'iO мЗт ваззапо влляшхе.м ьЦО на процесс уоило-н.1гп учзтшш эКюкт вынулдзшюго раопэда ¡ЩО, иоапо предположить, что при распространении светового импульса з усиливающей срэдэ определенная часть злзргли импульса расходуотся на унич-толзнпз ЩО (эта часть энергии зависят от числа вэзшетих в волокнах 1йЦ0). Если входищ;хй в усилитель сетовой импульс достаточно слаб, то потеря энергии на просветление 1СЦ0 существенно у-изньалт амплитуду усиливаемого импульса, тогда, как дчя мощных входных и/.шудасоз потеря этой энергии незначительна [31]. Данное предположение полностью подтвердается экспзр'.шзнтамл в отсутствии 1СЦ0 з ахт;тных стекловолокнах: величина С становится пзсхзпшшм при п;:зклх урззхмх мощности вхэдшос ж.пульсов. Заметим, что кцо в стехаоволохахах не возникают при фильтр л.тп: -злу-чоиля ламиц накачки водлим раствором К?С 9O7 с концентрацией 0,6 г/л.

Следузт отменить, что зависимость коэфТлщиента усиления от ххэщаостл вводного сигнала, прздставлокаая на рис.2 показывает возможность создшсх э-чТохжниых усилителей контрастности опти-чзскэго изображения из:: использовании регулярно уложенного жгута из ах:т:зх1лх стэгиозатокэн.

Усгсиозлзло, что зляянио ¡40 па эзлиглпу кээХшцвеята усиления стол-ззэлолзллоло ус:упталя наиболее сашхо злражоно при злззл:::-: ураз:пх палач:^: ххрясутстзлз М'.Т) в ах^лвлом стзхлозэкнз ла 1.3...2 лзр.ллл узоличнкоз^пихихзнт усллошя. Ото влзза-лэ, пз-лзрллх, иэдаэлешгк: сасрхла:г:к-.1сцэхэтих из-за поглощения ICIO, л во-втозлл, узеличоиле:.: порога сг.-.:)воь';г:-дзи:л регон-зра-t.wíivo гзлокзшюгэ усилитзля. Обе эти п;-лч.ис: обззкзчлвгот Со-

дует Taice отметить, что значительное количество КЦО, возникало в начальной стадии разгорашщ л&мпц накачки, уничтожаются пз-за поглощения люмннссцопишх iJotohob и к моглонту прихода в усилитель усллпваомого импульса, дощаптршц&г лЦО достаточно шла.

Исследуя 1с:штпку населенности уровней неодима в присутствии лЦО н кинетику вознпкновошщ л распада аЦО при распростра-koie.'h светового импульса, показано, что из-за поглощения энергии из передне!! части светового импульса корофдохиаузрш ЦО з активной среде КЦО практически полностью ушггао'лается, что обеспечивает эйфоктпакоо усиленно остальной части евзтозого импульса.

Коэффициент усалэшя нэодомового стеклоподокзниого усилителя в присутствии Щ) мог.ет бить определен следующей оюрглулой:

rai - f<-r)zgxp(éN-d4M-P)b . 1 rL

где И = -jj Jo ГП(осД) cl эс_ усредненная по дшше актлзлол части волокна концентрация .С'О, изменяющаяся в процессе налете:;: :: по:: прохождении усиливаемого импульса. ¿ц я é - сочешм поглецэ-шш 1СЦ0 н неодима, соотзетствопно. Сргэпзнием результатов расчета на ЭЗ.М с экслериизнталышми данными показано, что отношение én/4 -Ю.

Ясно, что випуздзнныП распад 1Щ0, вызванный поглощением (фотонов из пореднзй части усиливаемого импульса, долгой пр:з^с-ти к некоторому сзхрац-зицо дяптельиоегя езотозэго импульса [32-36]. Укорочение усиливаемого светового импульса дол:.:но набл:з-даться, во-первых, из-за сокращен:« переднего фронта импульса и, во-вторых, за счет умэнылояля коэффициента усиления к козд/ шлпульса, вызванного ушнызэняеи ннворсии населенности уровкой

Л

20нс

а-ю3

it/Ato

o.s

0 i0 SO f. .VC 0,4

90 im ¡,сч

?;tc. 3

Де.":стл;:то.чы1о, прэдстаалошшэ на рлс. За, о, в оолллло-гртг л входттп: в стэкяовояокошшП усаллтоль (нлпнл-з крлвис) и усллошпи (ворхнло крлпно) слетовлх импульсов показцаапт о"йокт укорэтскта л.'шульсов при их распространят в активных стекяо-ьолокиах в присутствии аЦО. IIa рлс. 3 <5,в показано укэрочзило илаульсоз излучения стсклозоло:сокпого иаоддаового лазора, работающего в рэ-sria частично;': самосинхронизации .мод [23].

Следует отметить, что осциллограммы, предстазлошые на рлс. 36, били получала прл высоких уровнях глоцносгл накачу уолллтеля, когда концентрация КЦО л Е-зличина инверсии насоленное га уровней неодима достаточно зеллкл. Видно, что лорзле ;.:г.:рэл:.пульсл слабо услд:эа:зтся, празодя к распаду КЦЭ, л те:: са-им обуславливая uucoisre коэйгацаонти усиления для последна-го м;п-:рох:.шульса. Прл бэлзе низких уровнях моцлосги накачки :;у:-ло ло.'-утлть елмметрлчкоэ укэрочзлле сзатсвого л:пульса (р::о. Зз), л сэотзотсгзутагл вроллшач зависимость кзэТглцлен-та у.г-«л;л::я будзт имггь макс.лул, лзнхздлцл'хл на оородлну i"sr/-.'Л.С2 (р::з. Зг). Наконец, па рлс. Зд предо .'.лзло ли залпслмсст::

коэффициента укорочения световых импульсов л~1-о (где л*

л А"Ь0 - длительности выходящего л входящего световых импульсов, соответственно) от даш стекловолокна прл различных уровнях накачка усилителя. Как л оздалось, офлект укорочения уае-лн'Е'рг.огоя с ростом длины волокна и уровня накачки. Пол этом следует отметить, что этот эффект падает с увеличением мощности зходного сигнала. Расчеты системы ютнетическлх уравнений на ЭВМ полностью подтвердили экспериментальные результаты.

Во второй главе (3 параграфа) рассмотрены основныо харак-тарнстлка генерации стеклозолоконного неодлмового лазера. 06-еувденн вопросы кинетики генерация стенловзлокопного пеодлмо-вого лазера в присутствии КЦО, представлена л проанализированы временные, энергетические и спектральные характеристики лазора.

3 параграфе I представлены результаты исследования клнети-кл генерации стекловолоконного лазера, работающего в рошлло периодических гигантских импульсов генерации, в кваздлепрорыз-ном режиме самосинхронизации мод. Рассмотрена хашэтяка супор-лшинесценшш и генерации при надпил КЦО.

Показано, что регулярность нзлучлля гигантских импульсов стекловолоконного неодлмового лазора определяется тем, что ка-кояленше к шчэнту начала генерации лазера КЦО практически полностью распадаются за время излучэш-ы гигантского я: пульса (прл этом шшорсхя насолопности уровней тог.з уменьшается до нуля) , но за зрз:и мезду кггантскпш шлпудьсамл кагачка заново создает в активном элементе КЦО и необходим^:) шоероиэ населенности уровней неодима. Этот процесс имеет периодически!: характер я ^спйчлвает гонораца регулярных гнгантсгах х.ягульсоз (Г'с- 3 о^сутстлии КЦО наблюдается свободный режим хчзнв-

рации (one. 46).

Существенной особенностью изучаемых лазеров является то, что модуляция добротности в iuix осуществляется за счет изменения концентрации КЦО в процессе генерации. Клнотлка рассматриваемого процесса характеризуется двумя группами кинетических уравнен;;:;: одной - для .ктквнои среды и второй - дал КЦО.

га ,n ,U

Г" 'Г.fft-'^tsiffiffi-^y^T^*''

о so 100 • 150 <м1в

Рис. 4

Пусть Q(-t) - скорость той части накачки, которая идет на образование 1-СЦО, а tc.- время самопроизвольного распада КЦО, тогда имеем [18.20]:

где % - число возможных вакансии для образования КЦО. Лля активной среды мо-то написать:

^ = W(U + i)-otU - ¿цМ1А;

(4)

= Wa)<i-N)- Ц-6 NU ;

U - число гензрлруз^ых узгоаоэ,

а

версии населенности уровней неодима, о< - коэлулционт обич-ких потерь г олоконного резонатора, - показатель ирзлогло-1шя, а \д/(Ъ1 - скорость накачки коода?.а. Послэдни": член в ура-вноюм (4) оплсивае? вгпугдешил распад 128) прл поглощошс: ротона и связанное с нл.л изменение наведенного поглощения.

Реш-эние системы кинетических уразлол::'; (3-5) ла ЭЗМ показали наличиз пассивно:'! модуляции добротности стохюзодоконного рззонатора и возникновение гигантских импульсов излучения (рис. 4в). При этом следует отмотать, что концентрация КЦО практически надает до нуля к момзнту, соотзетству.зцз1.г/ максимуму ллтзл-сивности гигантского импульса. Сравнение экспериментальных и расчетных данных временных характеристик излучен:хя показало, что Л5!щч:герздаи возшшхгх в стеклозолокне КЦО к началу гзлзоа-вды гигаг-ского импульса достигает зодпчепш М » 5*10^ см-3.

3 этом параграф приведена результата исследований временных характеристик гонзрац:ш отеклозс,._оконного неодл:.:озого лазера. Показано, что фильтрацией спектрального состава свота накачка полет быть изменена концентрация-КЦО в стекловолокно, что дазт возмо:зность илазно лзмзнять длительность отдзльклх импульсов (в пределах 12 ... 500 но) л частоту их следования (5 ... 30 кГц). Ясно, что изменение длительности и час.эти следовании регулярных гигантских импульсов тахле происходит при изменении мощности накачки [17-20]. Пока: но, что при отсутствии КЦО в стекловолокна первые импульсы излучения могут бить отнесены к релаксационным колебаниям генерации, но в целом гзпорацдя лазо-ра носит харгштер нзр улярных последовательностей дичков [II, [3].

Исследованием временной структуры озделышх глгалтск:1х им-

пульсов излучения обнаружена совокупность различных серий мнк-рояапульсов наносекуыдной п субнаносекулдной длительности, наложенных на некоторый квазкнолрерхганий фон. Кавд&я серия шкро-импульсов является последовательностью схонсих по форме лмлуль-сов, следующих с периодом Т = 16 не, равным времени обхода светом резонатора. Форма этих мнкрош.тульсов меняется с изменением накачкл и различна в разных гигантских импульсах, а глубина модуляции падает с ростом мощности накачки [23,24].

Такая картина излучения свидетельствует о возшыловешш самосинхронизации мод внутри отдельных модовых групп, и импульсы, соответствующие различным группам мод, сдвинуты во времени случашшм образом на интервалы, меньше, чем Т. Показано, что наблюдаемая самосинхронизация мод связана с нелапайностатэ иээф-флцлента усиления в стекловолокне (рис. 2), что приводит к выделению поолзцоэателыюстаЛ наиболее иощных выбросов интенсивности, разбросанных случайным образом на периоде Т. Увеличение доли резонансной обратной связи с пэыогдью внесшего зеркала и применение просветляющегося фильтра даот возможность получить картину полной самосинхронизации мод [23].

Наконец, в этом параграфе рассмотрена кинетика суперлшя-песцекцил неодамовогс стекловолокна и показано, что нарастание суперлкх.кнесценцли практически происходи по гауссозскому закону с полуоирикол:

wpe-авц ' <6)

что находится в хорошем соглаоии с эксперш.генташшш результатами .

Параграф 2 посэящэн яздояешго результатов исследовали

энергетических характорястлк генерации стекловолокоиного лазера при температуоах алгивши среди 78 .... 550 а. Рассмотрено влияние КЦО на порог генерация, мощность и энергию излучения, а так-но приведены результаты исследования генерации оптически связанных акцизных стекловолокон.

Экспериментальные исследования генерационных характеристик стекловзлзкэтаого лазера показали, что в, отсутствии КЦО порог генерации остается практически постоянным до увеличения температуры вплоть до 300 К, но затем резко возрастает. Минш.альнов значение пороговой энергии накачки достигает ГО ... 12 'Дс. Проведенные расчеты по >зали, что увеличение порога генерац!ш при высоких температурах з основном обусловлено ростом населенности на шгглем рабочей уровне неодима из-за больцмаковского распределения [13-21]. Установлено, что наибольшее влияние на величину порога генерации наведенное поглощение, вызванное КЦО» наблюдается при температурах 300 ... 400 К.

Исследование энергии и мощности импульсов излучения, а такие времзшше характеристшси генерации стокловолоконных лазеров. при разл1гчных тешературах активной среды подтвердили вышесказанное: оказалось, что максимальный эффект модуляции добротности из-за КЦО обнаруживается при температуре стекловолокна 250 ... 300 К. Уменьшение влияния КГ© при высоких толоратурах о&ь~ ясняется сокращением времеш: самопроизвольного распада КЦО, а . при низких тешературах - увеличением шрины запрещенной зона стекла, приводящэе к уменьшению числа поглощенных в стекле уль-* трагчюлетових фотонов, приводящих к вознпкновмшэ КЦО.

Результаты исследований светопропус.сания в гаогомодозых воло'иах показали, что энергетически наиболее выгодным для so-

локонных лазеров является расположение активных элементов вдоль оси газоразрядной лампы. Пороговые и временные характеристика стекловолоконного лазера позволил*!! оценить величину пороговой! штерсии населенности уровней неодима: П0= 0,56 (в присутствии КЦО) И Пс= 0,48 (в присутствии КЦО).

Прозедешше исследования показали, что энергия излучения стекловолоконного неодлмозого лазера с едоизды объема при увеличении энергии накачки выходит на насыщение и в свободном решила генерации достигает величины 0,6 ... 0,7 Да/см3, что примерно в 2 раза превосходит полную энергию излучения лазера (с ' единицы объема) в резано регулярных гигантских импульсоз. 3 то ь.о вреш, в рениме модуляции добротнисти плотность мощности из-

Г)

лучения достигает 3 ... о ;.1Ит/с:,Г.

О точки зрения улучшения энергетических характеристик лазера весьма существенным явллется вопрос о геиерац:ш волоконного жгута. Проведенные нами эксперименты показали, что при достаточно сильной оптической связи мезду отдельными волошамл все активные стекловолокна в нгуто генерируют синхронно: отдельные гигантские импульсы генералы от различных волокон излучаются в одно г, то -,.;е время [11,15]. Установлено, что оптическая связь меиду во окнш.и возникает в результате просач-лвания генерируемой волны из одного волокна в другое через бокозуы поверхность волокна.

Исследование зависимости амплитуды генэраруег.ик импульсов от дв,х и более оптически связанных волокон от энеркш накачюх показала скачкообразный характер - результат налоиенця друг на друга ик^ульсов, излучаемых разными волокна;®. Существенно, что скачкообразный рост амплитуда имеет пороговый характер л

наблюдается при определенной мощности генерируемых отдельными в' -окнами импульсов• Вероятно, одно из. волокон, имеющее наименьший порог генерации, является задающим генератором, а осталь-:-ше волокна в жгуте играют роль регенеративного усилителя.

3 § 3 призедены результаты исследовании спектральных характеристик стекловолокошюго неодп''оэого лазера. Изучено влишше температуры неодимозого стекловолокна на спектр генерации лазера. Показано, что неоднородное ушренлз ллш:л люмлнесцеиции неодима в силикатных столлозолокнах в несколько раз превосходит величину упирешш спектра люминесценции в стержневых актилшх злзментах, что по-видимому связано с технологичеасим процессом изготовления стекловолокна.

Исследованием спектральных характеристик генерации стекло-волоконного неодимозэго лазера било обнаружено, что как в свободном роаиаэ генерации, так и з режлмз генерации регулярных гигантских импульсов на пороге генерации наблюдаются 2-3 узхше линии аирпной ~0,05 см~^. Характерные интервалы между спектральными ллхихямн при комнатных температурах составляют 10 ... 15 см-^ [23]. С ростом накачха увеличивается число спзктраль-■пгх линии, л литегральная шрлна споктра гзнерац!<л достигает лзличшш 200 ... 230 см-"'-. Показано, что при комнатных температурах вблизи порога генерации число гагантских импульсов в излученил лазера ^фактически совп-дагт с количеством узких спектральных линий. Это означает, что в генерации отдельного гигантского импульса принимают участие мода, находящиеся в узком елвкгргльком интервале частот. С пониженном температуры актиз--гл злллл'гоз :: о улз.лгчзллзм мощности накачкл кэллчзстзо уз, ; с:; лл'зал:--.:л: л:т:;::л з пзлучолх: каждого глгантслого ллпул>-

- 2С -

са рэстзт. Следует отметить, что л соседних гпгантск:1х импульсах, как правило, излучаются разные спектралыше лшка, отстающие друг от друга ¿¡а зеличлну, превняащщув однородное уширениа

Анашз полученных спектров генерации стекловолоконного не-одимового лазора показал, что величина однородного ушрешш линии излучения неодыма состазляот взличпчу 25±о сьГ1, что согласуется с известными литературными данными. Полная ширина лиши генерации, определяомая неоднородным уширенном, при азотшгс температурах достигает величины 230 см-1.

Установлено, что в распределении интенсивности поля из^у-чехпш исследуемых стеК'Юаодог.онных. лазеров полностью отсутствует медовая структура и генерируемое поле обладает кра'яо низкой простраиств91щой когерентностью.

Третья глаьа диссертации поезяцзна изучгшяо генерационных свойств спицевпдного ноодимового лазера. Рассмотреш некоторые особенности генерации этих лазеров, их временные, энергетические и спектральные характеристики. Сбсувдены проблемы применения епкцовндных волноводанх лазеров в различна областях науга и техники.

Выше было показано, что неодамовые стекловолокна является хорошими усилителями светозых импульсов и способны генерировать регулярные импульсы разной длительности, что позволяет па их основе создать компактные лазерные спсте:.ы. Но небольшая энергия излучения и низкое КПД установки ограничивают область применения волокошшх лазеров. Использование кгута оптически связанных волокон в качестве активного. элемента частично

5=

задачу ув-.шпеник энергетического выхода вешноводного газга, но как покагали провздоише -нами исследования, наиболее рэаль-

шЛ путь резкого улупзоаая элзрготспюскях характеристик золпо-водкых лазороз - уззхяеххо диаметра волновода. Дойствлтзлыю,

ол:гч диаметра зола: л ода (с пасслзлол обэлочхол) до 1,3 ... 1,5 ;т: по;: длило 70 ... Ü0 о:: дало зозмсстость полнить гз-н-эрацл:: ¡"."гульеоз с олорглсл до I Дм.

Результата :юг.лодозси::и1 зрхишшх характеристик сгсздезад-ного ноодлмэзого лазера, сраводсгашо з 5 I, показала ах аналога:: с зоом .лллмл характер етлкамл стоклэзолокзилого неодлмсзо-го лозера: в присутствии наблюдаются регулярные глгалтскло л'иг/льо;: ла-;учо;л;я ;^лт:;ль::оотьп -Ю ... 50 не, сходуодле друг за дх'гэп лорэз интервал ярг.пнл 2"> ... 30 :л;с. Следует отметит:., что з от-лпго от ото:-.-:озоло::зп;п:х лазорэз з отсутствии .CÍO снл::е'з:::лл;:: лазер лзлучаэт каазлиj ароэцз-а Л ампульс генерация с рола::сацло::лл:1л затуха:ххлмл кэлсбахси:.:! переходного процесса [37-Ю] .

Исследуя роль ласе;гзло:: оболочка 2 процессе генерации спл-ЮТхтюго лазера, устглюзлла, что сасслзнад оболэчгл акцизного к::. :.лтч необходима для лодазлзхл: кольцевых тллоз колзианлл, • ;ор::.;руо:,;:х отра::о:л_л:.;: от боковых лозорлностол актллзлого эло-:знта [37,11]. полазало, что иодаэло:;ле кольцевых тлпоз колсба-"i: (toses чэ:л па порядок узолгьлзает suspira излуча-пл имлуль-оз еллцозхдлого лазера, лра этом на 15 ... 20;"¿ слл':;ал порог л:ерацлл ¡.¿-О •

.'сталозлоло, что спектры лзлучехгя сл^озлдлого коодало;>э-о лаз opa з гзазказпрорааиэм p:::u;uo генерации л з р:'г:мо гоа-зра-.::: регулярных глгалтел.л: лллульсоз одллаг:зы л составляет С .. ¿ c::_i. 0.1 jZ^"? такло отмотать, лто з отлллло от стоклозо-зг.о.лйл: лпз.роз ололтральлл': с о стаз разлллллх гигантских ли-

пульсов не отличаются друг от друга. Следует такие отметить, что ширина линии люминесценции значительно (в 5 ... 6 раз) уао, чем в стекловолокошшл.. активных элементах, что говорит о'существенном уменьшении дефектов в структуре стекла в сгощевадннх активных элементах.

Исследования комплексно;! степени когерентности излучешй; слицевидного лазера показали, что в излучении практически отсутствует лроотранствэш£ая когерентность, распределение поля излучения гладкое, без наличия модозол структуры, а расходимость излучения составляет 5 ... 7°, что в два раза меньше рас-ходшлостя стекловолоконного лазера.

Анализ временных и спектральных характерлстшс, с учетом Ш13кой добротности волноводного резонатора, показывает,что в сшщевищшх лазерах реализуется генерация на с зязашых тинах колебаний Г49,50], выззаш:ое сильным пространственным и спектральным перекрытием угловых типов колебаний. Это приводит к квазинопроршшому ре:тму генерацш1 с релаксационными затухающими колебаниями [50]. Следует отметить, что возшшюззнлз генерации на связанных типах колебании в стекковолокоишх лазерах затруднено из-за слабого спектрального связывания мод вследствие сильного неоднородного уширешм линии люминесценции.

Параграф 2 посвящен изложению результатов исследования энергетических характеристик сшщевидного волноводного лазера. Рассмотрено влияние КЦО на порог генерации я усилительные свойства спицевлдного активного элемента. Обнаружено существенное влияшю КЦО на время спонтанного распада метас^аблльног'е ¿моз-ня неодима в вояноводном активном элементе.

Изучением пороговых характеристик генерации сшщевидного

коодшлового лазера с использованием дополнительных зеркал резонатора и анализом .'.пчетпчзскпх уравнений генерации получены следуадяэ поличшш, характеризующие сшщевздну» активную среду:

- пороговые зчачзнля инверсии населешгостл уровней неодима:

По~ 0,39 (в отсутствии КЦО) и Пц = 0,43 (в присутствии

КЦО);

- взд;*,гт'на пассивных потерь: <Х0 = 1,5*Ю9 сек-^;

- потери, зызв,"Л1ше КЦО: «и = 0,2 •ГО^сек"*;

- ззлнчпиа ВМ0 = (5:vI,5).Iüs сек"1;

- элективный коэуркцпент отражения зеркал, визвшпшл от-ракэнаямл на оп^-чсоетг. неоднородностях волновода R г =0,18;

- максимальная воллчлна концентрация КЦО в сшщевадаих акт;гзнш: элементах: Î.Î = 10*8см*3.

Так как КЦО распадаются поп поглощетшл уотонов, излучаемых неодимом,этот процесс угленьшаот фон суперяюктюсцешса! в активной среде, что долзпо повлиять на величину времена шшш неодима на мзтастаб/льнэм уровне [46,48]. Количественная оценка времени казни неод.;:г. в спицевядных актпзшх элементах в присутствии л отсутствия КЦО била проведена путем анализа зк-зперлпзнтальшх дашшх зависимостей времени аадзрла генерации ■>г знерг.:;; накачка.с учетом 'JopMu импульса накачки. Результаты ?о-г,'зтоз на ЗЗМ показали, что совладение расчетных вромен за- • ;?р\:ни г-зизрацил с экспеазмзнталышмя даипк;," ¿«¿»íí быть достя- • нуто при То = i гесс (в отсутствии КЦО) и 50 шс (в при-

отстал;: КЦО) [45].

Та;;:::; эфааогл, присутствие КЦО в акг;тшгс элементах более '¡vi лзрлд'л: уьзл:г:.:заот врзчч гслзнн :.eo~i г. ::n iioracïacîiwv-•у: 'vro.-y сиз;збо?зуо? р:азао?:з?:!С>^ раолредел^ние КЦО

по .все:/у объему активного ашлонта. Следует отметить, что уол сулзрл:о;л:лзсцслцлл шхет бить умоньион к вв-эдзнном в ' акт;экую сроду поглощающих кзлучонлз неодима прлмосол, но существенное лрьицущоотза логлоцающ:1х 1СЦ0 зшиючается в том, что oici посто-псш;о псчззаот по мерз поглощзшм (¿этапов суперл»млпзсце:1цпп л, сслл лх концентрация оптимизирована, то к момопту начала гонарацш: лазора или к момопту прихода в кзантовыл уснлпталь усиливаемого импульса, назодешюо поглощение КЦО молот быть достаточно мало.

Лсследозаилз усилительных свойств спицовидных акт:тшх элементов показало, что они являются усилителями регензратив-ного типа с г.гахспмальлим коэдагцкелтом усвоит G = 150 ... 200 (при длине накачшзаемоп части волновода 6 = 30 см). Влиял л а Кф на усилительные сзэ:':стза наиболее значительно при температурах 300-350 1С, но вырулено значительно слабее, чем а стеклэзолоконнлх а:ггивншс элементах. Максш-идышй коэ^прент укорочоилт уснл!тае;ых евзтозых ¡илульсов по превыааэт 10$, что сзлдстзльстзует о нлзкэл концентрации КЦО в сп:щоздд1ШХ элементах по сравнению со отекдозолокош-шми элементами.

Несмотря на это существующие в еппцззлдных активных элементах 1Щ0 позволяют получить серию гигаятс:слх импульсов мощностью болзз I Жт при использовании одного зеркала, расположенного вблизи полированного торца активного элемента.

В § 3 приведены основные свойства многозлэмзнтного сплце-вндпого неодамозого лазера л обсуждены вопроси его применения в различных областях науки и техники.

Установлено, что глшболае эдфрктившлл путем дяя получэнпя серии копнах регулярных гигантски;: ампульсоз является осучост-

влзнле синхронной генерации пуша спщеэидных активных элементов (длиной до 80 см) при достижении сильной оптической связи с применивши дифйузионно-отраланцего зеркала, расположенного на расстояния.2 ... 3 мм у одного из торцоз 7.гута [43,44].

На основании результатов проведенных исследований был разраоотаи полноводный твердотельный лазер ВТЛ-88 с полной энергией излучения до 20 Да при КПД Гибкость активных

элементов позволяет расположить выходные торцы сгощевидных волноводов в пространстве таким образом, чтобы получить любое, заранее заданное распределение интенсивности поля излучения лазера. Вертикальное положение излучателя резко упрощает конструкцию осветителя и систему охлаждения активных элементов и газоразрядной лампы.

Проведенные нами исследования показали, что мощный сплце-влдный волноводный лазер, излучающий серию регулярных гигантских импульсов, наиболее эффективно мопет быть использован для напыления тонких пленок на прозрачные подлога. Схе;ла напыления проста: лазерное излучение, проходя через прозрачную пластинку, падает на испаряемое вецестзо, создавая лазерную плазму. Время полета плазмы до подложки превышает длительность цуга гиг-дт-екпх иш. льсов. При этом, напыляемое вещество, долетая до под-, ложки, периодически неоднократно получая энергию от лазерного . излучения, становится однородны:.! пом практически отсутствуют кластеры и капли вещества). Высокая однородность поля излучения (отсутствие слекл-структурн) и периодическое возбуждение лазерной плазма (с частотой до 50 кГц) позволили получить достаточно однородные пленки толщиной 3 ... 5 мкм размером I ;: í 0,5 см за один выстрел лазера. Балл получены прочило плзнкч

шс.о??сшлторат7рного сверхпроводника на кэрувдэвых подаокхах.

Бвяду гого,'что мкогоэлемеытнлй волноводный лаэзр является протлясачинм iictcijLHio:.: лазерного излучения о высоко'": Степенью однородности распределения интенсивности поля, он оказался весьма эйЗектлвнлм для проведения маркировки изделий мпкро-электронной прок-шэнности с использованием шталтического шаблона. При атом, процесс маркировки происходит за время одной всхмики лазера, что позволяет использовать нопрэрыэно-двикуцнй-ся конвейер. Для маркировки изделий вполне достаточна энергия пзлученчя цуга импульсов 6 ... 8 Дк, что мокст быть обеспечено ггрн частоте работы лазера в несколько герц. Мощное поле излучз-iris шо.гоэлзмгнтного волноводаого лазера ВТЛ-88 моает быть успешно при;,тенено дая лазерной обработки поверхностей и для изготовления интегральных схем.

В заключении обсукден ряд полезных эффектов влияния 1СЦ0 на генерационные свойства твердотельных лазеров, которые необходимо учитывать при построении мощных лазерных систем и приведены основное результаты, полученные в диссертационной работе. • -

I. Установлено отклонение от линейного закона Бугера-Лшл-берта-Бора в шогомодознх световодах: с учетом эЖекта над-твон-ного по. лого вздтреннего отражения валишкм Еатухандя, степени кэгзренхности и временного ушлрация niur/льсов на еди;.щу дшь световода является нащшеЯншлк функщима дшпш волновода (доя пряшх к коротких волноводов).

. Z. Обнаружен и исследован эЗйэкг фии>?ршцп лучей по углам распространеще! л по блкзост'* к оси олнолода для много; ;о-•дових прямых п карсткгас евзтоьцхов арч калача» ШВО.

3. Установлено, что ст^клояодолоннне квантовав ус:иштели на неодкмзвнх отегиах явлгаотся усилителями регелератнадо^о тина с коэуТвдгентом усиления до Юь. Анализ эпоперимеитальннл результатов полазал нашгшо как резечанза. так а распределен- ' мис обратите связей в многоголовых отегловолекпах, что позволяет сопоставить иг "эйшектлвшй резонатор" с коэ-Л^ациентои отражения 0,2 ... 0,26.

4. Присутствие 1СЦ0 в чеодамовнх стэкпозолокнах на 1,5 ... 2 поряд!са увеличивает величину коэф&чцпента усиления стехслово-лскониого усилителя и приводит к аномальной зависимости коэффициента уеллошш от мощности входного светового юллульса, что

I

м-лзно использовать .туш усилеши контрастности оптического изо-

сралзшгя -

5. Показано, что КЦО можно представить в виде олабосвязан-иой водородоподобной слоте;.:! дефект т электрон и с учетом I д-,

I

зисимости времени самопроизвольного распада -КЦО от температуры определены величины энергии связи электрона в ¡510 (0,04 ... 0,06 эЗ) и эффективная масса 0,0015 те).

6. Исследован процесс распространения цуга ультракоротких свотозых импульсов в активных сгекловоло;снах и установлено, что просветление КЦО происходит не за счет пасищеикя перехода меж- , дууровнями ЩО, а вызван пх вшг/яденнлм распадом при поглощении фотона, излучаемого неодимом.

7. Проведен анализ системы кинетических уравнений генерации лазера с учетом вынужденного распада КЦО и установлено,что | ког'а К01щентрация КЦО в активном элементе сравнима с концент-ра^ей актившх центров, пошило эффекта пассивной модулгоди добротлостл обнаруживается ряд полезных эффектов: укорочение

световых импульсов, резкое возрастание коэйфщиента усиления и существенное увеличение эффективного времени яшзнИ неодима на мэтастабильном уровне со значительным подавлением суперлга-иинесценцип. Полученные результаты справедливы для обычных твердотельных лазеров и усилителей на стеклах и диэлектрических кристаллах.

8. С учетом механизма возникновения и распада КЦО показано, что максимальное влияние 1Щ0 на генерационные характерпс-ТИЮ1 лазеров оказывают при тешературах 250 ... 300 К.

9. В взлноводных (волоконных, сяйцевидных) неодимовых лазерах на силикатных стеклах реализованы различные рекиш работы: режим хаотических шдпульсов, квазинепрерывнын решил генерации с релаксационными колебаниями, режим регулярных гигантских импульсов и репин,I синхронизации мод. Экспериментально и теоретически исследована кинетика суперлюмпнесценции а генерации с учетом эффекта вынуоденного распада КЦО при поглощении фотона.

• 10. Установлено, что наличие" пассивной оболочки на сшще-видннх активных элементах приводит к подавлении паразитных круговых типов колебаний, что существенно сникает величину пороговой энергии на.;ачки и более чем на порядок увеличивает энергию излучения лазера. Максимальная энеогия излучения от единичного спицевидного элемента достигает I Дк, а моишость' излучения - десятки Шт.

II. Показано отсутствие модозол структуры в распределении поля излучегси водноводного лазера и шикая пространственная когерентность поля' излучения, вызванное силышы прострзнствон-ншл и спектральным перекрытием генерируемых мод при низкой до-

бротности резотатора волновода, что обеспечивает генерацию лазера на связанных типах колебаний.

12. Показана возможность получеши любого, заранее заданного распределения поля излучения волноводного лазора и осуществлена синхронная генерация всех волноводншс активных элементов в -жгуте, вызванная сильной оптической связью ленду активными элементами. ...

13. Исследован спектральный состав излучения волнозодкых неоднмовых лазеров и показано, что величина неоднородного уши-регая лиши! люминесценции неодима в силикатных стекловолокнах

э несколько раз превосходит величину ушрешм спектра люминесценции в сницевидных и в стеркневых активных элементах. Спектры гш;ерццш стекяоволокоиных лазеров состоят из узких (0,05cm-í) декретных линпй с характерными интервалами между ниш 10 ... Ю см--1' (при комнатной температуре). Полная ширина линии спектра 'ензрации стекловолоконного неодимового лазера достигает вели-:пш 200 см-1, а у сплцззлдных лазеров - 6 ... 8 см"1.

14. Создан проглнплзнннй образе" волноводного твердотель- . ого лазера ВТЛ-88 с энергией излучения 20 дж, излучающий се-ию гигантских ш.шульсов с частотой следования до 50 кГц. ощпыэ сшгцев:1днне неодаовые волноводные лазеры могут быть рименены для лазерной обработки материалов, лазерного налесе-ял тонких пленок и при изготовлении и маркировки изделий шк-ээлектронной проглышлеииости.

- за - "

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ даССЕРТАЩШ

1. Дшбладзе М.И., Влагпдзе ¡ü.M., Перельман М.Е., Мествири-щвали А.Н., Рубинштейн Г.М., Чагулов B.C. Затухание свзта в волоконных световодах. —Квантопя электрон:uca, M., .'il,

1973, с.97-99.

2. Дзшблодзе U.U., Леаава B.C., Лазарев Л.Б., Моолдзе Л.Н., Ышсаборпдзе A.A., Чагулов B.C., Эоиашвили З.Г. О дистор-сш! света, проходящего по оптическому волокну. -Тезисы докл.УП Всес.конф. по ког. и нел.оптике, Ташконт, 1979, С.424.

3. Дкибдадзе U.U., Леаава B.C., Лазаров Л.Е., Мосидза Л.Н., Мшсаберпдзе A.A., Чагулов B.C., Челидзе Т.Д., Эспапвн-а: З.Г. Распространешш лазерного излучения по оптическому волокну. -Тезисы дом.УН Всес.коиф. по ког. и нел. оптике, Ташкент,

1974, о. 123.

4. Дглбладзо M.U.,Ло-.;ава B.C., Челидзе Т.Я. О когерентности Лазерного излучения, прошедшего по оптическому волокну. -Квантовая электроника, t.ï, .'НО, 1974, с.2125-2130.

5. Ддибладзе .M.Ii., Лекава B.C., Челидзе Т.Я. Новый метод исследования дисторсии светового т,шульса при прохогдзнии по оптическому олокну. - Оптика и спектроскопия, Т.43, .".'¡G, 1977, c.II63-II64.

6. Детбладзе U.U., Иерельман М.Е., Рубинштейн Г.-Л., Чахлой B.C., Челодзе Т.Я. Нелинейность распространешш света в световодах. - Тезисы докл. ЕС Всес.конф. по ког. и иол.оптике. Ленинград, I97C, о.131.

- 39 -

7. Дллбладзе U.U., Пэрэльман f.1.3., Рубигаатейи Г. 1,1., Чагулзв B.C., Челздзз Т.Я. НеллиеНность распространения енота в световодах. - Иззест; л All СССР, Т. 13, Д2, 1979, с.292-295.

8. Djibladze И.1., Perolmon М.Е., Rubinahtein G.II., Cholidzo T.Ya. Uonltneority of Propagation of Cohorsnt Radiation in an Optical Fiber. - proc. of the Int. Conf. on LA3ER3'00, Uovi Orleans, ITA, 1980, p. 464-470.

9. Лдлбладзо i.l.il., KyxapoKni P.II., Пу:.издзо 3.3. Регулярные колебания лнтзнслвнос \t генерации стекловолоконного лазера, алтлвлрозаиного Hd3+. - Квантовая электроника, .">5, М.,1971, с. 120-122.

[0. Длибладзе Ц.И., Логова B.C., Лазарев Л.Е., Эсиаивяля З.Г., Садагашлли I.I.II., Дчанарлдзе Д.Л. Гигантские игдпульсн ге-нзрации стотсловолоконного лазера. - Сообщения АН ГССР, т.га, 1975. с.з«-зи.

1. Дллбладэз LI.П., Эспаавпли З.Г., Ткаваавпли 3.1:!., Баяуна».-шили М.И., Сагарадзв 3.?., Цхададзе С.З. Релаксационные колзбагеш гензрацлл стзкловолокошгого лазера. - Тез,тсы дэкл.УШ Зсос.кошэ. по ког. н нал. оптлко, Тблллсл, I97G, с. 52.

2. Д;:л;бладзе u.a., Лазарев Л.З., Эскашвхти З.Г., Дладарлдзо Д.Л. Наносел/нднно пллульсн излучения стекловолоконного лазера. - Тезисы докя.УВ Зсос.кон!». по ког. л иол. оптике, Тбхтгсл, 1976, с.53.

3. Дллблздзэ .".Т.Н., Лелава Б.С., Лазарев Л.2., Садагаязллп .'Л.Л., Ослапзлдл З.Г. Ткавоовкла О .П. Генерация волоконного дазз-за. - Труды НУ, Тбилиси, сер.йзика, г.173, 1376,с.53-65.

14. Лркбладзе LI.П., Летава Б.С., Хабурзанпя Г.В. Генерация оптически связанных стегловолокошшх лазеров.-Тезисы-докл.IX Всес.конф. по ког. п пел. оптике, Ленинград, 1978, ч.1;

с.125.

15. Ддабладзе М.И., Леяава Б.С.., Хабурзания Г.В. Генерация оптически связанных волоконных лазеров. -Сообщения АН ГССР, Т.94, 1979, с.325-320.

16. Джибладзэ jM.II. Генерация стекловолокопного неодлмового лазера. -Тезисы докл. П Всео.конф. "Оптика лазеров", Ленинград, 1900, с.32-33.

17. Djibladze II.I. Giant Pulse Generation in Glass Fiber Lasers. - Proc. of the Int. Conference LAGERS'79, Orlando, USA,1979, p. 657-659.

18. Djibladze M.I., Esiashvili Z.G., Lazarev L .E ,, Teplicki E.Sh. Kinetics of Generation in Gloss Fiber Lasers. - Proc. of the Int. Conf. LASERS'BO, lievi Orleans, USA, 1980, p.456-462.

19. Ддибладзе М.И., Эсиаывилл З.Г., Теплкцкий ЭЛ., ¡.-Ьтелпдзе Г.Г. Кинетика генерации волоконного лазера в режиме периодических гигантских иг.шульсов. -Тесизы докл. X всес.конф. по ког. и нел. оптике, Киев, I960, с.273.

20. Ддпбладзе М.Й., Легава Б.С., Эсиэшвилл З.Г., Теллшцай! ЭЛ., Мшвелидзе Г.Г. Кинетика генерации волоконного лазера в ре;ш-ме периодических гигантских импульсов. ЧТзвестия ЛИ СССР, сер. физика, т.45, J:<8, 1981, С.1435-Ш2.

21. Дзнбладзе М.И., Лезава Б.С., Эсиалвили З.Г., Петрзшсо Р.А. Влияние температуры на порог генерации стэкловодокониого неодлмового лазера,- -Сообщения АН ГССР, т. 104, J53, Ш, с. 581-581.

22. Далбладзе М.И., Ленава B.C., Эсиашвшш З.Г., Тешшцкий Э.Ш. Эффект самомодуляции добротности неодимового стекловолоконного лазера. - Тезиса докл.ГУ Мовд.копф. "Лазеры и их применение", Лейпциг, 1ДР, 1981, с.106.

23. Дшбладзе М.И., Эсиашвили З.Г., Теплицкий Э.Ш., Исаев С.К., Сагарадзе В.Р. Синхронизацст;.-. мод в волоко1шом лазере. -Квантовая электроника, Т.10, Ш, 1903, с. 132-431.

24. Djibladze И.1., Erikaahvili R.R., Esiashvili Z.G. Amplification and Generation of Ultrashort Laser Pulses by Haodymium Glas3 Fiber. - Proc. Int. Conf. on LASER3'83, Son Francisco, U3A, 1903, p. 252-257.

25. Djibladze M.I., Erikashvili R.R., Esiashvili 2.G. Amplification and Generation of Neodymium Glass Fiber at 1.06 pm wavelength. - III Int. Conf. on Infrared Physics, ETfJ, Zurich, Switzerland, 1934, p. 339-391.

26. Djibladze M.I. Glass Fiber Amplifier and Laser. - 5-th Int. School of Coherent Optics, Эепа, DDR, 1904, p. 57-58.

27. Ддибладзе, М.И., Мшвалвдзе Г.Г., Эрикаивили P.P., Эсиашвили-З.Г. Просветление центров окраски в стекловолоконном нео-дцмовом лазере. - Сообщения АН ГССР, Т. 115, J52, 1984,

с.26^-268.

28. Д-лбладзе ¡1.11., Исаев С.К., Мелшшпшшш З.Г., Эсиашвили З.т\ Спектральные характернее, леи стекловолоконного неодимового лазера. - Квантовая электроника, Т.13, Гб, 1986,

с. I270-I27I.

29. Дглбладзз М.И., Эрлкапвиля P.P., Теплащсхй Э.Щ., иеликлпзи-ли З.Т., Чнанураавшы II-Р. Регенеративный волоконный оптический квантовый усилитель. - Сообщения АН ГССР, Т. 104,

1981,0.329-332.

30. Ддабледэо МЛ., Твшшцкий ЭЛ., Чианурашвшш И.Р., Эрлка-шзилл P.P. Усилительные свойства активировшшого оптического волокна. - Труды Ш, Тбилиси, Т.230, МЗ, 1982, с.04 -112.

31. Дхябладзе М.П., ТешшцклЯ Э.Ш., Эрлкаывллл P.P. Регенеративный отекловолококный неодимовый квантовый усилитель. -Кп актовая элзктроилка, Т.II, Щ, 1981, с. 132-137.

32. Ддабдадзо H.H., Зрлкашвили P.P. Укорочение световых имнуль-сов в стекловолокошом усилителе. - Квантовая электроника, Т.II, ::>I2, 1984, о.2510-2512.

3:3. Дяаблолзе М.И., Лазарев Л.Е., Эрнкашллл Р.?. Компрессия световых ш¡пульсов в активных стекловолокнах. - Тезиса дош. 31 Воес.конф. по ког. и нол. оптике, Москва, 1985, ч.П, с.22.

34. OJibladze M.I. Light Pulcc Conpression in a Glas3 Fiber Amplifier. - Optic Communication, v.52, (16, 1Э35, p.390-334.

35. DJiblBdzo M.S., Erikaohvili R.R.-, Teplicl-.i E.3h., Chianura-ehvili Ы.ГС. Light Pulse Compression Effect in Active Glass Fibers. - IV Int. Syrap. "Ultrafast Phenomena in Spectroscopy", Rainhardsbrunn, ьоя, Abstracts, 1305, p. p;i4.

36. Ojiblodze M.I., Erikashvili R .R, Light Pulse Compression in Active \Vaveguido3. - Proc. of the IV Int. "Ultra-fast Phonomena in Spectroscopy", Rcinhards'oruun, DDR, Позсои, 19B7, p. 90-94.

37. Ддибладзо H.H., Лазарзз Л.Е. Некоторые особенности ги^э-рацлл сплцеобразшк нэодпмовых лазеров. - Сообщения Ml ГССР, Т.107, Я2, 1982, с727,'-230.

38. Дллбладзэ М.'Л., Лазарев Л.Е., Шшолздзе Г.Г., Бааунаав;ш1 iJ.II. Генерация сшщооброзиого лазора на кеодомовом стекле. - Сообщения ЛИ ГССР, Т. 106, .'32, 1932, с.269-292.

33. £;слбладзе Л.И., Лазарев Л.Е., Шшелцдзэ Г.Г. Генеххщия спздообразного лазора на неодимовом стекле. - Тезлсп докл. XI Зсес.конТ). по ког. и нел. оптяко, Ереван, 1932, с.45-46,

40. OJlbladzo II.X., Lazarev L.E. No Glass 5po!<9-3hoped Lasor Generation. - Proc. Int. Conf. on LAoERJ'03, 5an irroncisko, U3A, 1903, p. 682-685.

41. Дхиблсдзе М.Ц., Лазарев Л.З., Лшволкдзе Г.Г. Генерация сп2цев;1дного лазера на иводимоаом стекло. - Квантовая электроника, Т.II, ГЛ, 1Э04, с.137-141.

12. Джнблздзо Л. П., Лазарев Л.Е., Ба^утшлпвялл Л.11. Исследование эперготлческлх и олегградыявс характеристик сппцовзд-шх неодлпозих лазеров. - Тезисы докл. Всес кон$. "Олтлгл лазеров", Лэнлнгряд, 1984, с.21.

13. Дллблхдзе :i.il., Лазарев Л.Е., Мзвелздзо Г.Г., Баяуналшвилк

'. Л.Н., Алексядзз Г.Л., Кехэллдзе "\Н. ВолноводниИ лазер на-

сллцзвлдщгс актлшпх элементах. - Труди TI7, Тбилиси, (нзз-ка, Т.260, ISC5, с.96-121.

44. DjAblodze ПЛ., Lc-zorov L .Е., llshvelidze G.G. Multielement • •] ojiokc-chopcd .'ieooynlun Laser. - 5-th Int. Conf. "Lasers and ■ ^ ti .cir Applications", A'j3trcct3, Drezden, ODf?, ЮЗЕ, p. 3E1.

45. Дгл.'бладзо "1.Л., Лазарев JL.2., .Мозеллдзо Г.Г. Спицевздний рог.'норатлогптл гзаитткй усилитель на пзэлхловаз стекле. -Соох;л1:п Ж ГС",?. ТЛ'Зо, .'Я, I98V, с.53-56.

'••.■.. Д.;л'"«л:-..",зо .'"азпров .I.E. Злллнто корстко'сгвушх ЦО на

з-)?-*л v :з:п: :пт'ютло:т1елого уоопги неодама в ехтяпттге-: