Вынужденное комбинационное рассеяние и однорезонаторная параметрическая генерация в поле широкополосной накачки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Б ОД МИНИСТЕРСТВО ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ И НАУКЕ,

РЕСПУБЛИКИ АРМЕНИЯ ЕРЕВАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи МЕСРШЯН А1110Т ВОЛОДЯЕВИЧ

УДК 535.375

ВЫНУВДЕННОЕ КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ И 0ДН0РЕ30НАТ0РНАЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ В ПОЛЕ ШИРОКОПОЛОСНОЙ НАКАЧКИ

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

ЕРЕВАН - 1994У"'' . !. ■ 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Настоящая работа посвящена теоретическому исследованию вынужденного комбинационного рассеяния /ВКР/ и однорезонатор-ной параметрической генерации света /0ИГС/ в рамках многомодо-вой модели /ММ/ широкополосного излучения.ММ подразумевает излучение с дискретным набором продольных мод в одной поперечной моде с плоским волновым фронтом.

Актуальность темы. С практической точки зрения чрезвычайно важным является исследование вопроса об эффективности преобразования лазерного излучения при ВКР и ОПГС в те области спектра, где на сегодняшний день ещё отсутствуют надёжные лазерные источники излучения.Этот вопрос особенно актуален для оптики дальнего инфракрасного и дальнего ультрафиолетового диапазонов.

Во многих практически важных задачах, таких как лазерный нагрев плазмы, распространение радиоволн в ионосфере, лазерная связь возникает необходимость исследования условий подавления ВКР, которое, как известно, является одной из главных причин возникновения неустойчивостей при распространении лазерного излучения в среде.Излучения же мощных лазеров, наряду с большой угловой расходимостью, обладают и широким частотным спектром. Это обстоятельство, как показали теоретические и эксперименталь-ше исследования, и в частности, исследования, проведённые в »стоящей диссертационной работе, может существенно влиять на арактеристики процессов при ВКР и ОПГС.

Поэтому, диссертационная-работа по теме "Вынужденное комби-ационное рассеяние и однорезонаторная параметрическая генера-ия в поле широкополосной накачки" актуальна и может иметь важ-

- 5 - |

(

■ ?

дисперсия среды и эффекты насыщения.Отметим, что при этих уело- I виях, рассматриваемые задачи аналитически не решаются.

4 Проанализировано большое.количество примеров /при различных граничных значениях для интенсивностей и фаз мод/,Это позволило выявить основные особенности вышеуказанных процессов.Нами показано, что наличие диспероии среда сильно изменяет особен- ! ности протекания рассматриваемых процессов.

В настоящей диссертационной работе проведено также дальнейшее развитие приближённой теории ШГС, которое позволило доказать существование гистерезисной зависимости интенсивности резо- | кирущей волны от интенсивности инжекции на той же частоте.

Кроме того, теоретически и экспериментально доказано существование оптимальной длительности импульса входной накачки, при соторой энергии генерируемых в однорезонаторном параметрическом ; >енераторе волн максимальны.

\

Практическая ценность. Результаты, полученные в диссерта- | ионной работе, могут быть полезны при проведении экспериментов | создании приборов, в которых используется преобразование час-, оты широкополосного лазерного излучения, основанное на процес- , 1х ВНР и ОПГС.Эти результаты могут быть использованы, напри-5р, для получения узкого сигнала при ВКР-усилении стоксовой 1травки /с помощью подавления боковых мод/. Или, наоборот, для тления стоксовой затравки без искажения её спектра. !

Результаты, полученные при рассмотрении ШГС, представляют терес как с точки зрения выбора наиболее оптимальных.режимов гойчивой работы однорезонаторного параметрического генератора,

ж и с точки зрения возможных применений этой системы в качес- I

1

» полностью оптического бистабильного активного элемента.

- ? -

Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в четырёх статьях и двух тезисах докладов.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы, включающего 22. наименований.

Работа изложена на 105 страницах машинописного текста, проиллюстрирована 35 рисунками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении проведён обзор литератуты по теме диссертации, обоснована актуальность темы и сформулирована цель работы, кратко изложены те задачи, которые рассматривались в диссертационной работе, приведены основные положения, выносимые на защиту, отражена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В обзоре литературы приводятся известные из литературы теоретические и экспериментальные сведения о влиянии многомодо- • вости лазерного излучения на характеристики ВКР и ОПГС.

Перечисляются те математические модели, которые -попользуются для анализа ВКР и ОПГС в поле широкополосной накачки.

Описывается многомодовая модель Д1М/ широкополосного излучения /в диссертационной работе используется именно эта модель для анализа ВКР и ОПГС/.Отмечается, что простота расчётов в основанной на ММ теории по сравнению со стохастическими подходами, делает её весьма удобной при теоретическом анализе ВКР и ОПГС.

с учётом истощения накачки. Для различных граничных значений амплитуд и фаз получены зависимости интенсивносгей и фаз мод сток-совой затравки и накачки от длины рассеяния и от входной интенсивности накачки как при наличии дисперсии среды, так и при её отсутствии.Показано, что дисперсия среды в режиме насыщения существенно изменяет картину рассеяния.В частности имеет место немонотонная зависимость интенсивностей мод стоксовой затравки и накачки от дайны рассеяния и от интенсивности входной накачки. Показано также, что дисперсия среды приводит к неодинаковому усилению мод затравки.Это позволяет, как показали численные расчёты, при определённом выборе длины рассеяния и входной интенсивности накачки уравнять выходные интенсивности мод стоксовой затравки, если они не равны при входе в среду.Показана и возможность подавления боковых мод /моды с номерами п.^-1,1/ затрав-

Установлено, что условие -г-г(0)£У>,г.(0)~ 0 - г,цз——

П.--Л/

и /г^л/фамплитуды -ых мод накачки и стоксовой затравки, которое в недиспергирующей среде приводит к интерференционному подавлению ВКР, в диспергирующей среде практически не влияет на эффективность преобразования мощности накачки в мощность стоксовой затравки.

В §1.2 исследуется усиление одномодовой стоксовой затравки при ВКР в поле широкополосной накачки при произвольном частотном интервале 12. между модами.Показано, что при _/2 ~ в спектре молекулярных колебаний вместе с резонансно-возбуждённой составляющей, должны учитываться и нерезонансно-возбувдённые /за счет биений боковых мод накачки и моды стоксовой затравки/ составляющие .Выведены уравнения, описывающие ВКР - усиление одно-

мод накачки и стоксовой затравки от длины рассеяния для разных значенийХ2. .Показано, что при дисперсия среды мало влияет на характеристики ВКР.Это связано с тем, что в уравнениях, описывающих ВКР, раостройка обратных групповых скоростей накачки и стоксовой затравки Vus » обусловленная дисперсией среда,

входит с множителем Л .

Получены также зависимости выходных интенсивностей мод от П при фиксированных входных интенсивностях накачки и стоксовой затравки, что позволило проследить переход ШР из режима много-модовых молекулярных колебаний в режим одномодовых.Показано, что как и для случая одномодовой затравки /§1.2/, приIIJfeэффективность преобразования мощности накачки в мощность трёхмодовой стоксовой затравки больше, чем npnil» ^г .Это объясняется наличием дополнительного канала взаимодействия между модами волн при обусловленным многомодовостью молекулярных колебаний.

-В §1.4 исследуется усиление широкополосных стоксовой и антистоксовой затравок при ВНР в поле широкополосной накачки с учётом дисперсии среды при Л много большем ширины Рамановской линии среды.

Выведены уравнения, описывающие ВКР-усиление стоксовой и антистоксовой затравок приi2» ^,С учётом истощения накачки численно решены эти уравнения в случае трёхмодовых волн как при наличии дисперсии среды, так и при её отсутствии.Получены зависимости интенсивностей и фаз мод затравок и накачки от длины рассеяния для различных граничных значений.Показано, что имеет «вето сильная зависимость динамики развития ВКР от граничных значений интенсивностей и фаз мод затравок, а также от величины юл новой расстройки Ка ■+ Ks ~2 Кр » гДе /= л, s,p - волновые

жиме, при равенстве групповых скоростей накачки и нерезонирующей волны, получено следующее уравнение для резонирующей волны:

У~°< УУ7-Ло sinzYy

где "У - усреднённая по длине резонатора нормированная интенсив-

2.

ность резонирующей волны, о( - нормированная входная интенсивность инжекции, /\/0- нормированная средняя входная интенсивность широкополосной накачки.Анализом этого уравнения показано, что за счёт изменения интенсивности инжекции, оказывается возможным переход из первой зоны генерации lOi^j/ц-2^// во вторую //< if i и обратно, что в случае отсутствия инжекции невозможно.Показано также, что имеют место бистабильная генерация и гиствра*-зисная зависимость У от о(2/при фиксированной М>/ и от /при фиксированной С* /.Оценены интенсивности накачки и инжекции, при которых осуществляются бистабильные перехода.

В §2.2 исследуется возможность оптимизации выходной энергии однорезонаторного параметрического генератора по длительности импульса входной накачки.

Численно решены уравнения, описывающие взаимодействие волн в однорезонаторном параметрическом генераторе, полученные в §2.1, для гауссового импульса входной накачки в случае отсутствия инжекции.Получены зависимости энергий резонирующей и не-резонирующей волн от длительности импульса входной накачки, при сохранении энергии последней постоянной. На основе этих зависимостей установлено; что существует оптимальная длительности им* пульса входной накачки с фиксированной энергией, для которой энергии, генерируемые при ОПГС волн максимальны.Показано, что з ростом энергии входной накачки оптимальная длительность ли-!бйно возрастает.

которого выходная интенсивность антистоксовой волны макси- i

i

мальна.

Показано, что при ОПГС пороговая интенсивность широкополосной накачки зависит от частотного интервала между модами и от распределения интенсивности накачки по отдельным модам, а также, ■ что порог генерации при широкополосной накачке всегда выше, чем при одномодовой.Показано также, что имеют место бистабиль-ная генерация и гистерезисная зависимость интенсивности резонирующей волны от интенсивностей инжекции и накачки. Теоретически установлено, что существует оптимальная длительность импульса входной накачки с фиксированной энергией, для которой энергии, генерируемые при СПГС волн максимальны.Этот результат подтверждён экспериментально.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах: А.Г.Арутгонян, А.В.Месропян, А.А.Пепанян, Г.А.Пайтян. Одноре-эонаторный ПГС в области 0.42 - 2.5 мкм на йодате лития. '/Тезисы докладов XIII международной конференции по когерент- • юй и нелинейной оптике.-Минск-I968г., часть II, с.193. "т.Р. Djotya-n, й.У.Нл&ъоруа-п., e¿s4.a.4ét

>А,елот.еп.а. i я. Я&лим. лл.с1 pa.ta.rn.tii.ic о se ¡.¿¿a'tot.s t, iU ^('ле <?/ slgna.& ¿Лjad ion,,

P-coc. oj 7/tAe r »!Í£ío& ¿ок^/гг^н-се. ¿лае.г%-£9г esa - /ЭУ9.

.П.Джотян, А.В.Месропян. Оптимизация выходной энергии ПГС i длительности импульсной накачки.//Письма в ЖТФ, 1990г., ,16, вып.24, с.29.

П.Джотян, А.В.Месропян. Однорезонаторный параметрический нератор света с инжекцией внешнего сигнала.//Квантовая

-С

a «

ъ "а

=3 as er

аэ

ш tf-

es

p

X.

CD

а Ь

Ci. £

cr fi:

со со

а u

p а

cr г-

<Sf

£ p

2 e*

Ь ь

I

л

F

•з

a •э

с

Sf.

•y и

в 5. Хэ

SJ о

5 s

e on

w »

p

fc а

ao СО

а

£ 5

A p

Ь о

<= rf-

Я1

S» X.

а ^

я- и

g 0 ь

а

а

i» з

Ci. г

3

«f

Э О!

с э

•5 i I ^

о* с

3 J-CL

I 3

I f

а. с. ~

с-

I. 3 3

o" J Jt. 3 с. C5

S 3 3 J "" e»

° -B

s - á

jr Г '

CJ -3- J.

J s.

P -c. c.

^ = S

3 Э л

—' p ъ

. 3

^ J С. ¿ e 3

с 3 r

P -J

í i

SS, j g

J с с.

С С. с

3 -В 5 § 3

f" -f -3 3 Э с

Р СГ

•В 3 J3

S <»J с

Э с. 3

«Si XL.

■з

i * ¿ ? « * ♦

«■Шва

». ■¥ -в

^ ■ а г

•i <r с. a

£ X .в Л ' r

S C

•P oí cj

■5 S л Î*

•Г.8 á s, ■ 2. £ JS-

с, J3 -, с

■В «Ni a

3 J

" J * £ * 3 ^ I 1

ч- a

5 I J ^

-B OS •« Я-

= Л 3

Г' 3 SL

f «S* I i 3 ^ «

I s * - 2 - ; i ^ i * I ? ■ X

i f¿ -

p P .е. eo

3 X. oi -,

с а, .с, j

-e - С P

с 3 a a

P j 3 ® J

= С P -> ез 3 3 3 с F f 7 s. jj.

ж 3 3 -»

5 ? Э "S

3 S S С

-З- 3 »J .3.

с P Ol

p 1 ¿ XU w ^

Г» * л V (к

е. -а Г

£ л

* "» с

S *

Р 3 <3

S- S 3

S 3 •g в. S c j

3 е- с

•ç. J3 ->

•з с a

"3 Cl g ¿ С- OS

I 5 3

S P Oj

3 J J

-Ce

-» p

■f 3

iE j

^ С m.

^ S с _ 3 -, S V g

5* I -=■ -в P e

J 2 3 ? 1 -

3 3 3

-t, C5 f 3 js

en jj

a ¿ -в с,

J3 a»

Г' -3 *=> f » -I - -

!Г -s- =

1 с- -2.

S s э

-В -В о

" *з 3

3 V c.

E

3" a