Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА І. ВРМБ-зеркала в режиме насыщения и их применение
в системах формирования излучения с высокой
спектральной яркостью 16
Введение 16
Энергетические и пространственные характеристики нестационарного ВРМБ 20
Формирование гиперзвуковой волны во времени при нестационарном ВРМБ 30
Двухкюветное ВРМБ-зеркало в режиме самообращения 41
Система формирования одномодового светового пучка на основе двухпроходового лазерного усилителя
на неодимовом стекле с ВРМБ-зеркалом 49
1.6. Исследование частотного сдвига стоксова излучения
при ВРМБ в бинарных смесях органических жидкостей 55
1.7. Выводы к главе I 59
ГЛАВА 2. Исследование факторов, влияющих на работу ЧГОЗ
и оптимизация их параметров 62
Введение 62
Описание схемы четырехволнового гиперзвукового обращающего зеркала (ЧГОЗ) 63
Особенности работы ЧГОЗ при равночастотных накачках 68
Четырехволновое гиперзвуковое обращающее зеркало
с разночастотными накачками 79
2.5. Выводы к главе 2 89
Стр.
ГЛАВА 3. Пространственная структура первой стоксовой ком
поненты вынужденного комбинационного рассеяния
и возможности использования ВКР для преобразова
ния световых пучков 91
Введение 91
ВКР одномодовых пучков 93
ВКР многомодовых пучков 106
Усиление внешнего стоксова сигнала в поле много-модовой накачки 117
3.5. Выводы к главе 3 126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 128
ЛИТЕРАТУРА 132
Введение к работе
Среди проблем, решаемых квантовой электроникой, одной из важнейших является создание источников мощного лазерного излучения с дифракционной направленностью. Искажения волнового фронта мощного оптического излучения связаны, прежде всего, с оптичес-кой неоднородностью элементов усилительных систем и самой трассы распространения светового пучка, а также влиянием мощного лазерного излучения на оптические свойства элементов, пропускающих это излучение.
Для коррекции поперечной структуры светового излучения чаще всего используются нелинейно-оптические процессы и среди них различные виды вынужденного рассеяния (ЕР), из которых наибольшее применение нашли вынужденное рассеяние Мандельштама - Брил-люэна (ВРМБ) и вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР). При ВР возможна реализация как режима воспроизведения [1-4} , при котором пространственная структура возбуждающего и стоксова излучений совпадают, так и режима усреднения [2,5,6] » когда, например, в одномодовое излучение на стоксовой частоте эффективно перекачивается энергия пространственной-неоднородной накачки.
Процесс воспроизведения при обратном ВР есть не что иное как обращение волнового фронта (ОВФ) лазерного излучения [ І} . Для ОВФ лазерного излучения в нелинейной оптике используются, главным образом, процессы, в основе которых лежат различные виды ВР и параметрического смешения волн: четырехволнового [7,9, 10] (в средах с кубичной зависимостью поляризации вещества от амплитуды поля) и трехволнового в квадратичных средах [11-13] . При ОВФ на основе ВР обращенная волна возбуждается вследствие нелинейного волнового преобразования исходной,подлежащей обра-
щению волны. Другими словами, при ВР происходит самообращение волнового фронта, при котором зародившаяся из шумов стоксова волна усиливается в поле волны накачки, причем наибольшим усилением обладают те конфигурации стоксова поля, волновой фронт которых обращен по отношению к волновому фронту накачки [I} . Среди известных видов ВР наиболее широко для ОВФ используется ВРМБ [1,3,4} , что связано, в первую очередь, с физическими особенностями этого процесса: малый сдвиг стоксовой частоты, невысокий порог, относительно широкий динамический диапазон ОВФ, слабая зависимость эффективности преобразования от длины волны накачки, малое время установления стационарного режима, преимущественное рассеяние в обратном направлении (для коротких лазерных импульсов). В то же время коэффициент отражения ОВФ-зеркала на основе ВРМБ (ВРМБ-зеркало) не может превышать единицу, поскольку этот нелинейный процесс является пассивным.
В отличие от ВРМБ-зеркал для реализации ОВФ на основе параметрического взаимодействия световых волн необходимо, кроме сигнальной волны, иметь одну или несколько волн накачек. Важной особенностью параметрических ОВФ-зеркал является возможность полу -чения высоких коэффициентов отражения. Однако при использовании вырожденного четырехволнового взаимодействия (частоты всех взаимодействующих волн совпадают) на нелинейностях керровского типа коэффициент отражения ОВФ-зеркала, как правило, не превышает нескольких единиц [14-16] . Более высокие коэффициенты отражения получены в условиях одноквантового резонанса [ 17-26] , когда частоты всех взаимодействующих волн совпадали с частотой перехода в среде. В [17] , например, с помощью лазера на красителе, осуществлявшего подстройку частоты излучения в резонанс с собственной частотой перехода паров натрия ( 3) -линия, Л = 0,59 мкм
- б -
р удалось достигнуть коэффициента отражения ~ 10 . Среди методов
ОВФ, использующих параметрические процессы, следует выделить че-тырехволновое взаимодействие световых волн с резонансно возбужденным этими волнами гиперзвуком С 27-32] . По своей физике это взаимодействие сводится к ВРМБ в поле встречных световых волн. Немаловажным обстоятельством, отличающим такое взаимодействие от других четырехволновых процессов, является то, что все взаимодействующие волны могут иметь разные частоты. Это позволяет получать при ОВФ на основе четырехволновых гиперзвуковых обращающих зеркал (ЧГ03) очень высокие значения коэффициента отражения и чувствительности, которые ограничиваются лишь тепловыми шумами нелинейной среды [32J .
Сравнительный анализ [33] ВРМБ-зеркал и ЧГОЗ показывает, что в видимом диапазоне длин волн и, что особенно важно, в ближнем ИК диапазоне ( Л~1 мкм)0В$ при ВРМБ наиболее подходит для преобразования мощного оптического излучения (например, в двух и более проходовых лазерных системах на неодимовом стекле, а также в фотодиссоционных йодных лазерах) с целью получения высокоэнергетичного светового излучения с расходимостью, близкой к дифракционной. Наиболее подробное исследование такого применения ВРМБ-зеркала проведено в серии работ [30,34-39] (для неодимовых лазеров) и в [40-44] (для йодных лазеров). Че-тырехволновые гиперзвуковые обращающие зеркала целесообразнее использовать для ОВФ слабых сигналов. Весьма перспективным является применение таких зеркал для автоматического наведения излучения на мишени малых размеров.
Несмотря на большое число исследований по ОВФ, некоторые физические особенности работы обращающих зеркал и возможности использования их в ряде схем оставались (до работ автора) невыясненными. Это относилось, в частности, к исследованию осо-
бенностей работы ОВФ зеркал в условиях высокоэнергетического
+) излучения ' и их сопряжения с некоторыми двухпроходовыми лазерными усилительными системами.
Что касается ЧГОЗ, то физический механизм и особенности динамики работы этих зеркал исследовались в [ 27-31 ] . Однако вопрос о предельных возможностях ОБФ слабых световых сигналов оставался открытым. Поведение этих зеркал в режиме насыщения также практически не изучалось. Решение подобных задач весьма важно, так как оно позволяет существенно расширить возможности применения ОВФ для формирования и преобразования высокоэнергетических световых пучков с дифракционной расходимостью, автоматического наведения лазерного излучения на малые мишени, что может использоваться, например, в установках ЛТС и т.п. Разработка некоторых существенных аспектов указанных выше проблем содержится в диссертации.
Кроме методов, использующих ОВФ, для преобразования лазерного излучения, как указывалось, применяется также эффект усреднения при комбинационном преобразовании многомодового излучения, на основе которого, в частности, созданы сумматоры мощных световых пучков [45,46] . Такое преобразование удобно осуществлять, используя в качестве затравочного сигнала стоксову компоненту попутного ВКР, которая может эффективно возбуждаться при рассеянии на колебательных или вращательных переходах молекул [47-50} . Теоретическому и экспериментальному исследованию по преобразованию многомодового излучения в остронаправленное одномо-довое посвящено большое число работ (см., например, [2,51-54]). Эксперименты по изучению этого вопроса проводились, в основном,
+' Здесь под высокоэнергетическим подразумевается такое, подвергаемое ОВФ лазерное излучение, энергия которого многократно (в сотни и более раз) превышает порог ВРМБ.
с использованием светопроводов [46,55,56] . Достаточно подробных экспериментальных исследований по усилению стокосовй волны, близкой к одномодовой, в поле сфокусированного многомодового пучка накачки к моменту постановки такой задачи (1977 г.) не проводилось. Это обусловило актуальность подобных исследова -ний [ 57 3 . Для их проведения необходимо было предварительно изучить особенности ВКР одномодовых и многомодовых световых пучков.
Целью настоящей работы является исследование возможностей преобразования лазерных пучков в широком диапазоне изменения их энергии при использовании методов вынужденного рассеяния света, а именно:
Исследование особенностей работы ВИДБ-зеркал в условиях высокоэнергетического излучения накачки.
Экспериментальное исследование четырехволновых гиперзвуковых обращающих зеркал (ЧГОЗ) при обращении предельно слабых световых сигналов, а также исследование их работы в режиме насыщения.
Экспериментальное исследование особенностей преобразования сфокусированного многомодового лазерного излучения в од-номодовую стоксову волну при попутном ВКР, выявление режимов формирования пространственной структуры ВКР одномодовых и многомодовых световых пучков.
Новизна работы заключается в следующем:
I. Экспериментальное и теоретически исследованы особенности
изменения во времени пространственного распределения интенсив -
ностей гиперзвука и лазерного излучения в объеме нелинейной сре-
*' Практически одновременно с нашими исследованиями подобное преобразование изучалось в [53,583 . (В этих работах были достигнуты коэффициенты преобразования в одномодовую волну ~ 10$; в нашей работе [57] он составил ~ 50$.)
ды при нестационарном ВРМБ в режиме насыщения.
Экспериментально исследованы некоторые особенности работы высокоэнергетичных ВРМБ-зеркал и ЧГОЗ слабых оптических сигналов, что позволило создать лазерную систему с ОШ световых импульсов в широком диапазоне изменения их энергии от 6*10" Дк до единиц Две и выше.
Выявлены и экспериментально исследованы характерные режимы формирования поперечной структуры стоксова излучения при ВКР одномодовых и многомодовых лазерных пучков. На этой основе определены условия эффективного преобразования сфокусированного многомодового лазерного излучения в одномодовую стоксову волну.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Каждой главе предшествует свое введение. Первая глава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию высокоэнергетических ВРМБ-зеркал в режиме насыщения и их применению в двухпроходовой лазерной системе на фосфатном неодимовом стекле.
Первый раздел является введением к первой главе. Во втором и третьем разделах этой главы рассматривается обращение волнового фронта сфокусированных одномодовых пучков при нестационарном ВРМБ в SF6 (при давлении Р = 16 атм). Показано, что в широком диапазоне изменения энергии лазерного излучения (от 0,3 до 3 #к) ОШ происходит с большим коэффициентом отражения ( R^ -0,9-0,95) и высокой точностью воспроизведения (]С — 0,95). Обнаружено, что нестационарность процесса ВРМБ приводит к изменению во времени пространственного распределения интенсивностей гиперзвука и лазерного излучения в объеме нелинейной среды. При достаточно большой энергии лазерного излучения характерная область его ослабления из-за рассеяния на гиперзвуке во встреч -ную стоксову волну локализуется вблизи входа в нелинейную среду.
В результате мощность излучения, проходящего через фокальную перетяжку, резко уменьшается во времени, что способствует устранению оптического пробоя. Приведены теоретические расчеты динамики формирования гиперзвуковой решетки при нестационарном ВВ/Б. В четвертом разделе первой главы исследуется двухкюветное ВРМБ-зеркало, работающее в режиме самообращения. Одна из кювет является ВРМБ-усилителем, другая - ВРМБ-генератором. Отличительной особенностью такого обращающего зеркала является то, что с целью существенного расширения динамического диапазона мощности обращаемого излучения между усилительной и генераторной кюветами введен ослабляющий фильтр. В результате в генераторной кювете образуются оптимальные условия для формирования стоксовой волны с высокой точностью обращения, а ВРМБ-усилитель обеспечивает высокий коэффициент отражения. Приведены теоретические оценки, которые показывают, что двухкюветные ВРМБ-зеркала в наносекундном диапазоне длительностей импульсов могут обращать волновой фронт лазерного излучения с энергией до нескольких килоджоулей. При экспериментальной апробации двухкюветного ВРМБ-зеркала на четы-реххлористом титане (TiCL.) получено ОВФ лазерного излучения с динамическим диапазоном по мощности ~ 3-Ю .
В пятом разделе первой главы описывается система формирования одномодового светового пучка на основе двухпроходового лазерного усилителя на фосфатном неодимовом стекле с исследован-* ными выше ВРМБ-зеркалами. При относительно слабых входных сиг -налах (^х~ 0|03 Дж/см ) получен в одночастотном одномодовом пучке с длительностью импульса 33 не близкий к предельному съем запасенной энергии (0,12 ,3фк/см3). Максимальная энергия излучения на выходе двухпроходового усилителя составила 20 Дк.
В шестом разделе первой главы проведено исследование частотного сдвига стоксова излучения при ВРМБ в бинарных смесях
- II -
органических жидкостей [94J . Установлено, что в некоторых смесях жидкостей при БРМБ наблюдается немонотонная зависимость частотного сдвига стоксовой компоненты от концентрации раствора и показано, что за счет этого возможности перестройки частоты мощного лазерного излучения в оптических экспериментах могут быть заметно расширены. В последнем седьмом разделе помещены выводы к I главе.
Во второй главе исследуются особенности работы ЧГОЗ при ОВФ слабых световых сигналов.
Первый раздел второй главы является введением к главе. Во втором разделе главы дается описание особенностей исследуемой схемы четырехволнового гиперзвукового обращающего зеркала. Приведены условия на частоты взаимодействующих волн. В третьем разделе второй главы исследуется ЧГОЗ с равночастотными накачками. Показано, что, несмотря на большую волновую расстройку, возможна перекачка в обращенную волну до 10% энергии мощной накачки. Чувствительность такого ОВФ-зеркала составила (1-3) Ю"8 Дж, а коэффициент отражения по мощности Rp^IO . Выявлено, что чувствительность и коэффициент отражения в схеме ЧГОЗ с равночастотными накачками ограничиваются "техническими" шумами, которые имеют частоту, совпадающую с частотой слабого сигнала и возникают в результате бликов и рассеяния на оптических неоднороднос-тях излучения накачки в канале ее формирования. Показано также, что с уменьшением диаметра сигнального пучка уровень шумов в отраженном ЧГОЗ излучении увеличивается. Обнаружено, что в отсутствие внешнего сигнала при равночастотных накачках возникает самовозбуждение излучения между ОВФ-зеркалом и отражающей поверхностью, которая в условиях эксперимента располагалась со стороны прихода сигнала в пределах угла видения ЧГОЗ. Нарушение равенства частот встречных накачек приводит к подавлению указанного самовозбуждения.
В четвертом разделе второй главы исследуется ЧГОЗ с разно-частотными накачками. С помощью такого зеркала при импульсе на-качки с энергией W ^ 5 Дж ( ^0 — 33 не) осуществлено 0В$ сигналов с энергией W. — 10 Дк ( X ^ — 33 не) с преобразованием в обращенную волну энергии W^«І Дж и сокращением длительности ее импульса до X » 10 не при длительности переднего фронта At » 1-2 не. Относительная доля обращенной волны уС в отраженном излучении составляла ~ 80$. С ослаблением сигнала доля воспроизведения падала. В этой схеме ЧГОЗ получены рекордные значения чувствительности ( W^ — 6*10 Дк) и
коэффициента отражения по энергии ( R«^ =7,5 10 ) и мощности ( R == 2,5-10 ). Эти величины ограничиваются только тепловыми шумами среды. Показано также, что чувствительность и коэффициент отражения такого ЧГОЗ сильно зависят от времени задержки встречной накачки .В этом разделе приводятся также данные по влиянию волновой расстройки на эффективность преобразования накачки в обращенную волну. Показано, что наиболее эффективно параметрическая перекачка мощной накачки в обращенную волну происходит при расстройке, близкой к оптимальной. Пятый раздел содержит выводы ко второй главе.
В третьей главе диссертации экспериментально исследуется ВКР одномодовых и многомодовых световых пучков и преобразование в одномодовую етоксову волну многомодового сфокусированного излучения накачки.
Первый раздел является вводным к главе. Во втором и третьем разделах этой главы показано, что при накачке коллимирован-ным одномодовым пучком с превышением порога попутного ВКР расходимость стоксовой волны резко возрастает и вклад в приосевую интенсивность проходящего в дальнюю зону излучения определяется в основном сравнительно небольшой частью лазерного импульса с
- ІЗ -
мощностью ниже или порядка пороговой. При накачке многомодовым коллимированным пучком расходимость стоксовой волны попутного ВКР с превышением порога возрастает лишь для достаточно крупномасштабной или, наоборот, для существенно мелкомасштабной модуляции лазерного луча. В промежуточном случае расходимость сток-совой волны близка к расходимости накачки вплоть до двухкратного превышения порога. Эти данные находятся в хорошем согласии с выводами теории ВКР многомодового излучения. Приводятся также результаты исследования влияния четырехфотонного взаимодействия стоксовых и антистоксовых компонент на развитие ВКР в поле сфокусированной многомодовой накачки. Показано, что с уменьшением масштаба поперечной модуляции лазерного пучка роль четырехфотонного взаимодействия уменьшается, в результате чего относительная интенсивность антистоксова рассеяния падает, а стоксова возрастает.
В третьем разделе этой главы приводятся данные по усиле -нию близкой к одномодовой стоксовой волны в поле сфокусированного многомодового пучка накачки. Показано, что существует оптимальная мощность лазерного пучка, при которой коэффициент преобразования энергии в стоксову волну, обладающую расходи -мостыо, близкой к дифракционной, достигает наибольшего значения и составляет 50% по числу квантов, полный коэффициент преобразования при этом (по числу квантов) приближается к 100%. В последнем разделе содержатся выводы к третьей главе.
В заключении приводится перечень основных результатов, полученных в диссертации, и кратко обсуждаются некоторые новые задачи, появившиеся в результате проведенных исследований.
На защиту выносятся следующие основные положения:
І. В условиях нестационарного ВРМБ при фокусировке лазерного пучка в среду по мере вхождения достаточно мощного одночастот-
ного импульса накачки в кювету характерная область его нелинейного ослабления перемещается от фокальной перетяжки к входной границе. При этом в достаточно широком диапазоне изменения энергии одномодовых сфокусированных пучков (от 0,3 до 3 Дк) происходит обращение их волнового фронта с большим коэффициентом отражения ( ~ 0,9) и высокой точностью ( ~ 0,95).
В двухкюветных ВРМБ-зеркалах возможно осуществление высококачественного самообращения волнового фронта с энергией падающего излучения, существенно большей, чем в случае однокювет-ного ВРМБ-зеркала.
Чувствительность ЧГОЗ определяется интенсивностью шумового гиперзвука, возбуждаемого одной из накачек до начала элект-ристрикционного взаимодействия сигнальной волны с другой накачкой. Снижение интенсивности этого гиперзвука значительно повышает чувствительность ЧГОЗ. Энергетическая эффективность преобразования волны накачки в обращенную волну существенно зависит от согласования диаметров взаимодействующих световых пучков и величины волновой расстройки. Оптимизация условий эксперимента позволяет в режиме насыщения осуществить это преобразование с высокой эффективностью (не ниже 50% по мощности).
При попутном ВКР пространственно-неоднородного излучения с большим смещением частоты существует в зависимости от расходимости накачки три режима формирования стоксовой волны:
режим формирования стоксовой волны в отдельных микроволноводах,
режим воспроизведения,
режим формирования некоррелированной с накачкой стоксовой волны из-за различия их волновых векторов.
5. При усилении слаборасходящейся стоксовой волны в поле
сфокусированного многомодового пучка накачки существует опти -
їльная мощность лазерного пучка, при которой коэффициент преоб-ізования энергии в стоксову волну, обладаюіцуго расходимостью, шзкой к дифракционной, достигает наибольшего значения.
Материалы диссертации изложены на 147 страницах, содержат ) рисунков и 127 библиографических ссылок.
