Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ГЕНЕРАЦИЯ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬ
СОВ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРАХ С НАСЫЩАЮЩИМСЯ ПОГЛО
ТИТЕЛЕМ 14
Краткий сравнительный анализ основных методов получения СКИ в твердотельных лазерах 14
Генерация СКИ в импульсных твердотельных лазерах с насыщающимся поглотителем 17
Стационарные СКИ в твердотельных лазерах с просветляющимся фильтром 35
ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ РАССМОТРЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
ФОРМИРОВАНИЯ СКИ В ИМПУЛЬСНОМ ТВЕРДОТЕЛЬНОМ
ЛАЗЕРЕ С НАСЫЩАЮЩИШЯ ПОГЛОТИТЕЛЕМ ПРИ ПЕРЕКРЫ
ТИИ СТАДИЙ НАСЫЩЕНИЯ 46
2.1.Качественное рассмотрение и описание исходной
модели 46
Нелинейный этап насыщения среды и частичного просветления фильтра. Пороговые условия генерации гигантского импульса. Оптимальные области высокого контраста 54
Формирование СКИ при большой степени перекрытия стадии насыщения 59
Влияние суперлюминесценции на оптимальные области максимального контраста 60
Основные результаты и выводы 75
_ 3 ~
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СКИ В РЕЖИМЕ
ПЕРЕКРЫТИЯ СТАДИЙ НАСЫЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО
ЭКСПЕРИМЕНТА 76
Постановка задачи. Выбор модели 76
Пороговые накачки и оптимальные области высокого контраста при просветлении фильтра в первом, втором и третьем релаксационных пичках .. 81
Основные характеристики СКИ в максимуме гигантского импульса при перекрытии стадий насыщения 88
3.4. Выводы к главе 94
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ СКИ ПРИ
ПЕРЕКРЫТИИ СТАДИЙ НАСЫЩЕНИЯ АКТИВНОЙ СРЕЩЫ И
НЕЛИНЕЙНОГО ПОГЛОТИТЕЛЯ 95
4.1.Влияние длины резонатора на характер генерации
СКИ 95
4.2.Исследование статистических свойств порогов
генерации СКИ в различных релаксационных пичках 108
4.3.Обсуждение экспериментальных результатов, срав
нение с теоретическими исследованиями 117
4.4.Основные результаты и выводы к главе 125
ГЛАВА 5. ГЕНЕРАЦИЯ СКИ В НЕПРЕРЫВНОМ ТВЕРДОТЕЛЬНОМ ЛАЗЕРЕ НА YflG'M5* С НАСЫЩАЮЩИМСЯ ПОГЛОТИТЕЛЕМ .. 126
5.1. Влияние нелинейности активной среды на форму
стационарных СКИ в твердотельных лазерах с без-
инерционным насыщающимся поглотителем (теорети
ческое рассмотрение) 127
Экспериментальная установка и методика исследований 137
Режимы генерации СКИ при непрерывной накачке. 141
Обсуждение полученных результатов. Сравнение
с теоретическими исследованиями 149
5.5. Основные результаты и выводы к главе 154
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 156
ЛИТЕРАТУРА 159
Введение к работе
В диссертационной работе изучается генерация сверхкоротких импульсов (ОКИ) с помощью насыщающегося поглотителя в импульсных твердотельных лазерах, работающих в режиме перекрытия стадий насыщения активной и пассивной сред и непрерывных твердотельных лазерах.
Актуальность темы. Получение сверхкоротких импульсов - сгустков энергии, обладающих огромной мощностью и чрезвычайно малой длительностью, - представляет собой одну из важнейших проблем лазерной физики. Широкие возможности практического применения ' СКИ в нелинейной оптике, спектроскопии, биологии, атомной физике стимулировали появление большого числа работ, посвященных этой тематике, уже после первых сообщений об их наблюдении /1-5/.
Одним из основных методов получения СКИ является метод пассивной синхронизации мод с помощью насыщающегося поглотителя. Именно этотмэтод в результате многочисленных исследовании позволил достичь в последнее время поразительных результатов как в импульсных, так и в непрерывных лазерах. Достаточно упомянуть, что с помощью пассивной синхронизации мод в твердотельных лазерах получены мощности СКИ порядка I012 Вт /6/, в лазерах на красителях длительность импульсов сокращена до 70 фс /7/, а с использованием методов последующего сжатия - до 30 фс /8/, что составляет всего 14 периодов частоты генерации.
Наиболее широко пассивная синхронизация мод используется в твердотельных лазерах. Однако, несмотря на более чем пятнадцатилетнюю историю изучения и совершенствования этого метода в такого типа лазерах, здесь все еще продолжает оставаться ряд нерешенных
окончательно проблем. Среди них в первую очередь следует назвать проблемы, связанные с воспроизводимостью и стабильностью характеристик СКИ, возникающие вследствие присущего методу пассивной синхронизации мод флуктуационного механизма их образования. Нельзя считать окончательно решенной и задачу получения СКИ с предельными для данного типа лазера значениями контраста и длительности. До недавнего времени оставался открытым вопрос о возможности осуществления этим методом непрерывной генерации СКИ.
Исследование этих проблем является актуальным, поскольку их решение еще более расширит возможности метода пассивной синхронизации мод в твердотельных лазерах и, следовательно, при практическом использовании повысит его конкурентную способность в сравнении с другими методами получения СКИ,
Для улучшения характеристик СКИ в импульсных твердотельных лазерах с просветляющимся фильтром предложено и реализовано ряд способов, большинство из них требует введения в резонатор лазера дополнительных нелинейных элементов, значительно усложняющих конструкцию лазера и его эксплуатацию. Эффективным методом улучшения пассивной синхронизации мод в лазерах такого типа, не требующим привлечения дополнительных нелинейных элементов и осуществляемым только за счет оптимального подбора параметров, : является реализация режима перекрытия стадий насыщения активной среды и просветляющегося фильтра. Однако, возможности этого режима были изучены и использовались до настоящего времени недостаточно полно. В частности, экспериментальные исследования условий получения режима перекрытия стадий насыщения и его свойств ограничивались лишь изучением зависимости от одного параметра, а именно, параметра фокусировки ]$ , характеризующего отношение сечений пучка в активной и пассивной средах g z — . Не был получен и исследован экспершлентально на момент выполнения работ
автора обладающий весьма важным свойством "автостабилизации" режим сильного перекрытия стадий насыщения, когда гигантскому импульсу предшествуют релаксационные пички с улучшающейся фяук-туационной структурой на периоде резонатора. Большая неясность существовала и в вопросе получения режима стационарной генерации СКИ в непрерывных твердотельных лазерах с помощью просветляющегося фильтра, который в некотором смысле является предельным случаем режима сильного перекрытия стадий насыщения. Этот режим представляет интерес как с точки зрения выяснения предельных возможностей метода пассивной синхронизации мод в твердотельных лазерах, так и в связи с возможными его применениями в тех областях, где до сих пор использовались исключительно методы активной синхронизации мод. Известные автору экспериментальные попытки его осуществления были неудачными, а результаты теоретических исследовании этой проблемы носили противоречивый характер.
Целью данной диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование режима перекрытия стадий насыщения активной и пассивной сред в качестве эффективного метода улучшения характеристик СКИ в импульсных твердотельных лазерах и режима стационарной генерации СКИ в непрерывных твердотельных лазерах при пассивной синхронизации мод.
Научная новизна работы заключается в следующем: I. Разработана теоретическая модель генерации СКИ в импульсных твердотельных лазерах с просветляющимся фильтром, позволившая описать характерные особенности режима сильного перекрытия стадий насыщения:
а) наличие оптимальных областей накачек, в которых вне зависимости от начального контраста происходит выделение одиночных на периоде импульсов,
б) возможность существенного уменьшения влияния начального
распределения выбросов при генерации СКИ вблизи нижней границы
гигантского импульса (режим "автостабилизации"),
в) значительное улучшение характеристик СМ, - контраста
и длительности в максимуме цуга.
2. Впервые экспериментально осуществлен режим перекрытия
стадии насыщения путем увеличения длины резонатора с помощью
оптической линии задержки.
3. При большой эффективной длине резонатора впервые экспери
ментально обнаружен режим сильного насыщения, обладающий автоста-
билизирующими свойствами.
4. Впервые осуществлена экспериментально и исследована ста
ционарная генерация СКИ в непрерывном лазере на YflG'-A/c/
с помощью просветляющегося фильтра.
5. Впервые получена в непрерывном твердотельном лазере ме
тодом пассивной синхронизации мод генерация СКИ в режиме незату
хающих регулярных релаксационных колебаний.
Практическая ценность работы обусловлена тем, что
проведенной теоретическое рассмотрение позволяет дать практические рекомендации по применению режима сильного перекрытия стадий насыщения для оптимизации характеристик СКИ.
исследованный надежный способ улучшения качества синхронизации мод путем увеличения эффективной длины резонатора, являющейся легко контролируемым в эксперименте параметром, может быть рекомендован для практического использования как в научных исследованиях, так и в учебном процессе.
получены новые режимы непрерывной генерации СКИ в твердотельном лазере с помощью просветляющегося фильтра, существенно
расширяющие возможности метода пассивной синхронизации мод в лазерах.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Построение теоретической модели, позволяющей описать харак
терные особенности режима перекрытия стадий насыщения активной и
пассивной сред в импульсных твердотельных лазерах с просветляющим
ся фильтром.
Реализация режима сильного перекрытия стадий насыщения путем увеличения эффективной длины резонатора и исследование его свойств.
Экспериментальное осуществление стационарной генерации СКИ
в непрерывном лазере на Y^6:/1/VJ+ с помощью просветляющегося фильтра.
4. Получение и исследование генерации СКИ в режиме незатухаю
щих правильных релаксационных колебаний в непрерывном лазере на
Y/?6.'M/3+ с просветляющимся фшїьтром.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы и содержит 172 страницы,включая 31 рисунок ,3 таблицы и список литературы (120 наименований) на 14 страницах.
Содержание работы. Первая глава содержит обзор литературы, относящейся к проблеме получения генерации СКИ в твердотельных лазерах. В начале главы приведен краткий сравнительный анализ основных методов синхронизации мод в лазерах и в качестве одного из основных в твердотельных лазерах выделен метод синхронизации мод с помощью просветляющегося фильтра. Рассмотрен флуктуационный механизм образования СКИ в импульсных твердотельных лазерах просветляющимся фильтром. Анализируются два режима генерации СКИ в этих лазерах - режим разделенных стадий насыщения активной и пассивной сред и режим перекрытия этих стадий. Показаны преимущества послед-
него режима для улучшения характеристик СКИ. Обсуждаются работы, посвященные проблеме получения стационарной генерации СКИ в непрерывных твердотельных лазерах методом пассивной синхронизации мод.
Во второй главе приведено аналитическое рассмотрение оптимальных условий формирования СКИ в режиме перекрытия стадий насыщения активной среды и нелинейного фильтра. Анализ проводится на основе известной системы скоростных уравнений для твердотельного лазера с безинерционным фильтром и упрощенной статистической модели. При рассмотрении учитывается, что в режиме оптимального совмещения стадий насыщения просветление фильтра наступает, когда среда уже насыщена энергией всех флуктуационных выбросов на периоде резонатора. Это приводит к двухпороговому характеру генерации, а также к значительному удлинению нелинейной стадии взаимодействия излучения с фильтром и позволяет в этом режиме выделить характерный для него этап насыщения активной среды и дискриминации выбросов за счет частичного просветления фильтра. Рассмотрение этого этапа показывает, что при накачках выше порога генерации гигантского импульса существует оптимальная область накачек, где полное просветление фильтра может происходить только для одного максимального флуктуационного выброса на периоде резонатора. Получены соотношения, определяющие ширину этой оптимальной области, соответствующей полной синхронизации мод,:ис:сле-дуется зависимость ее от различных параметров лазера. При накачках ниже порога гигантского импульса (но выше порога генерации) формируется обычный релаксационный пичок, в котором происходит подчеркивание максимальных выбросов вследствие частичного просветления фильтра. В режиме сильного перекрытия стадий насыщения (большие превышения второго порога над первым) при накачках ниже второго порога для генерации СКИ в первом релаксационном пич-
- II -
ке СКИ могут сформироваться в последующих релаксационных пичках. В разделе главы, посвященном этому режиму, исследуются условия его существования, получены пороговые условия для генерации СКИ в различных релаксационных пичках, показано аналитически, что такой режим обладает свойством "автостабилизации". В последнем разделе изучается влияние нелинейных эффектов типа суперяюминесценции на оптимальные области полной синхронизации мод. Показано, что при достаточно больших превышениях накачек над порогом этот эффект может приводить к расширению оптимальных областей, вследствие значительного ослабления зависимости инверсной населенности от скорости накачки.
В третьей главе приводятся результаты чюленного моделирования на ЭВМ БЭСМ-6, которое проводилось с целью дальнейшего более детального исследования процесса генерации СКИ в режиме перекрытия стадий насыщения активной и пассивной сред.
Описана созданная программа счета, позволяющая моделировать развитие СКИ в последовательности релаксационных пичков с учетом их затухания и инерционности фильтра. Исследуются зависимости контраста, длительности СКИ в максимуме гигантского импульса от таких параметров, как отношение сечений, период резонатора, превышение накачки над порогом. Показано, что с переходом в область перекрытия стадий они могут достигать своих предельных значений. Причем, в оптимальной области перекрытия стадий длительность СКИ в максимуме гигантского импульса может быть меньше времени релаксации просветляющегося фильтра. Проведено сравнение характеристик СКИ при их генерации в первых трех релаксационных пичках. Отмечается расширение областей накачек, в которых генерируются СКИ с высоким контрастом, с увеличением номера пичка.
Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию генерации СКИ в режиме перекрытия стадий насыщения. Приведены результаты исследований для двух типов твердотельных лазеров -лазера на стекле с неодимом и лазера на YRG'./\/cl3f . В экспериментальной установке, содержащей лазер на стекле с неодимом, эффективная длина резонатора с помощью оптической линии задержки могла меняться от І м до 120 м. На этой установке впервые экспериментально подтверждено, что увеличение длины резонатора, аналогично изменению отношения сечений пучка в активной среде и фильтре, может переводить генерацию из режима разделенных стадий в режим перекрытия стадий насыщения. При этом было зафиксировано значительное улучшение характеристик СКИ. При достаточно большой длине резонатора (более 20м) впервые экспериментально обнаружен и исследован режим сильного перекрытия, когда гигантскому импульсу предшествуют релаксационные пички. Проведено сравнение характеристик СКИ в различных режимах. Для лазера на гранате при эффективной длине резонатора 9 м обнаружены аномально широкие области перекрытия стадий по накачке. Возникновение в гранате паразитной генерации или суперлюминесценции обсуждается в качестве одной из возможных причин такого уширения. Для лазера на У#-/1/я5* измерены статистические пороги генерации СКИ в первых пяти релаксационных пичках. Проводится сравнение экспериментальных кривых с результатами теоретического анализа.
В пятой главе приведены результаты исследований проблемы получения СКИ с помощью просветляющегося фильтра в непрерывном твердотельном лазере. В первом разделе этой главы теоретически рассматривается стационарная генерация СКИ в твердотельном лазере с учетом нелинейности усиления в предположении малости коэффициентов усиления и потерь и малой энергии импульса по сравнению с энергиями насыщения активной и пассивной сред. В основе
- ІЗ -
метода исследований - рассмотрение изменения формы импульса при его последовательном прохождении через все элементы лазера. При полном обходе резонатора в стационарном режиме все параметры импульса должны остаться неизменными, что приводит к искомому уравнению для нахождения этих параметров. Проведенное решение уравнения показало, что учет нелинейности среды при малых потерях в нелинейном фильтре не приводит к заметной асимметрии формы СКИ, и при параметрах твердотельного лазера и малом начальном поглощении в фильтре возможно получение СКИ с предельно малыми длительностями.
Второй раздел главы посвящен экспериментальному осуществлению пассивной синхронизации мод в твердотельном лазере. Впервые экспериментально получена стационарная генерация СКИ в непрерывном режиме работы лазера на Y(\G\Ndl* . Измерены основные характеристики СКИ и их зависимость от начального поглощения в фильтре и параметра фокусировки. Впервые обнаружена и исследована синхронизация мод в режиме правильных незатухающих релаксационных колебаний. Проведено сравнение характеристик СКИ в этих режимах. Отмечено качественное совпадение с теоретическими выводами.
В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.
Основные результаты диссертации докладывались на IX Всесоюзной конференции по КИНО (Ленинград, 1978), Международной конференции по квантовой электронике и нелинейной оптике MKW-80 (Познань, 1980) и опубликованы в работах /66-68,70,71,74, 105,110,119,120/.
