Введение к работе
Актуальность темы. Лазерные системы сверхкоротких световых импульсов
фемтосекундной длительности получают все более широкое распространение в современной физике и технологии. Использование таких лазеров раздвигает диапазон исследований в нелинейной физике и физике сверхсильных световых полей, спектроскопии быстропротекающих процессов, в области передачи и обработки информации [1]. Последние работы в области генерации сверхкоротких импульсов [2] выдвинули на первый план нелинейные явления, играющие решающую роль в формировании импульсов. В первую очередь это эффект Керра, обладающий характерными временами релаксации в области десятков фемтосекунд. Таким образом, стало возможным построение лазерных систем с самовоздействием импульсов на основе керровской линзы, сдвига частоты в процессе самомодуляции или нелинейного изменения поляризации. И в результате, получение необходимой конфигурации поля, как в пространстве, так и во времени при формирования импульсов в системе с подобранной величиной внутрирезонаторной дисперсии.
В лазерах с синхронизацией мод на основе эффекта Керра, в отличие от систем на световолокне, самовоздействие импульсов, будь то самомодуляция или изменение поперечной структуры поля на керровской линзе, пространственно отделено от дисперсионных элементов, способствующих формированию устойчивой структуры. Это позволяет, выборочно изменяя тот или иной параметр, воздействовать на условия формирования излучения и тем самым получать необходимую структуру излучения. В наиболее полной мере преимущества лазеров на основе керровской синхронизации мод (КСМ) проявляются при использовании в качестве активного элемента твердотельных сред с широкой полосой усиления, таких, как АІгОзгТі3"1", YAGiCr4"1" и других. Характерными особенностями таких лазеров являются в первую очередь сверхкороткие импульсы, длительность которых может быть сравнима с
несколькими периодами колебаний поля; большая величина энергии в импульсе выходного излучения; перестраиваемая длина волны; малое количество внутрирезонаторных элементов; высокая стабильность параметров получаемых импульсов при оптимальной настройке системы и выборе активного элемента; простота конструкции, позволяющая получать ультракороткие импульсы высокой интенсивности непосредственно из резонатора лазера.
Использование лазеров на основе керровской синхронизации мод позволяет достигать высоких интенсивностей электромагнитного поля и, таким образом, открывает большие возможности экспериментальных исследований различных нелинейных эффектов, проявляющихся в полях высокой интенсивности. Нелинейные эффекты в лазерных системах с сверхкороткими импульсами большой интенсивности, порождают класс интересных явлений, связанных с самоорганизующимися структурами различной сложности и динамикой их образования. Основной особенностью подобных структур в лазерных системах являются их очень малые характерные времена и то, что структурным элементом системы является конфигурация электромагнитного поля как в пространстве, так и во времени. Разработка таких лазеров сталкивается с проблемами, характерными для современной нелинейной стохастической динамики. Таким образом, изучение структур, а также динамики их формирования и условий, при которых они образуются, представляет несомненный интерес, особенно в связи с последними достижениями в области генерации сверхкоротких импульсов излучения с длительностями, соответствующими цугу в несколько длин волн.
Среди задач, наиболее актуальных на сегодняшний день в области нелинейного механизма формирования импульсов в лазерах с КСМ, можно назвать следующие: а) - выяснение конкретного механизма, ответственного за КСМ в данной лазерной системе; б) - нахождение областей устойчивой синхронизации мод; с) - формирование резонатора лазера с пространственными и временными параметрами, позволяющими получать требуемую структуру поля
импульсов при синхронизации мод; д) - стохастическая динамика формирования структуры излучения.
__.Хотя существует^ большое число_ работ, проясняющих механизм КСМ, отдельные детали и особенности, присущие активному элементу YAG: Сг4"1" (сильная тепловая линза, деполяризация излучения), используемому в лазерной системе, до появления настоящей работы изучены не были. Кроме того, существует ряд вопросов, связанных со стохастическим поведением системы, которые мало изучены, но, тем не менее, являются критичными для устойчивой синхронизации мод в лазере.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое изучение синхронизации мод в широкополосном твердотельном лазере на YAGtCr4"1" с керровской нелинейностью. В работе решается следующий ряд задач:
построение минимально-достаточной математической системы уравнений, описывающей керровскую синхронизацию мод и учитывающей взаимовлияние пространственных и временных характеристик излучения;
определение в численном моделировании выходных параметров излучения для областей заданных величин пространственных и временных параметров экспериментальной системы, при которых устанавливается устойчивая керровская синхронизация мод;
построение методики расчета Z - образного резонатора, оптимизированного для режима керровской синхронизации мод;
экспериментальное измерение и определение оптимальных параметров (величина тепловой и керровской линзы, спектральный диапазон пропускания, дисперсия элементов и др.) лазерной системы с активной средой YAGiCr4"1" : призменного компрессора, зеркал, диафрагмы и других элементов; исследование режимов синхронизации мод с акустооптическим модулятором, при синхронной накачке, при синхронизации мод, в основе
которой лежит формирование керровской линзы; при синхронизации мод, на основе керровской самомодуляции и сдвига частоты; определение областей устойчивости, сравнение полученных результатов с теоретической моделью.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
построена система уравнений, описывающая керровскую синхронизацию мод в лазере; при изучении временного поведения импульсов применен метод, аналогичный методу лучевых матриц, применяемому для описания пространственного преобразования эрмит-гауссовых пучков;
создан пакет программ, позволяющий численными методами определять параметры излучения при использовании данных экспериментальной лазерной системы с керровской синхронизацией мод;
изучено влияние выходных флуктуации направления излучения лазера накачки на стабильность синхронизации мод; обнаружено существенное влияние флуктуации сильной термической линзы, формируемой лучом накачки, на стабильность генерации лазера; измерена динамическая оптическая сила наведенной линзы; обнаружен режим генерации прямоугольных импульсов с частотой до и 1000 Гц, обусловленный тепловыми процессами;
сформулированы критерии выбора оптимальной конфигурации и параметров z- образного резонатора с компенсацией астигматизма для получения керровской синхронизации мод с учетом особенностей активного элемента YAG^r4"1", в частности, сильных тепловых явлений;
получен режим самосинхронизации мод на основе керровского эффекта, в том числе в виде цугов импульсов; предложен метод для последовательной настройки системы на минимум длительности импульсов путем измерения внутрирезонаторной дисперсии при синхронизации мод с акустооптическим модулятором, и последующим уточнением настройки с использованием режима синхронизации при синхронной накачке.
Практическая ценность работы;
создан экспериментальный образец перестраиваемого в диапазоне 1.35-^1.55
мкм лазера на основе активной среды YAG:Cr4+, работающего в режимах:
керровской синхронизации мод (длина волны « 1.5 мкм), синхронизации мод при синхронной накачке, синхронизации мод с акустооптическим синхронизатором, формирования прямоугольных импульсов, обусловленных тепловой линзой;
предложена оптимальная конфигурация резонатора, обеспечивающая получение керровской синхронизации мод при наличии сильной тепловой линзы в активной среде; показано, что существует оптимальное положение керровской линзы, обеспечивающее максимальный модулирующий эффект: апертуру следует располагать в плече резонатора, в направлении которого смещена керровская линза.
разработана высокостабильная система накачки для YAGtCr4"1" на основе YAG:Nd лазера с параметрами: выходная мощность до 10 Вт в ТЕМоо моде, нестабильность мощности < 0.7%, нестабильность по углу < 0.03 мрад;
разработан пакет профамм, позволяющий, используя параметры стандартных элементов лазерной системы (зеркал, участков пространства, дисперсионных элементов, диафрагм и других элементов), составлять требуемую модель лазерной системы и наблюдать эволюцию запущенного в нее импульса в координатах: поперечный размер пучка - кривизна фронта, длительность импульса - величина "чирпа", энергия - число проходов системы; предусмотрена возможность оперативного изменения параметров элементов или их исключение.
На защиту выносятся следующие положения : 1. Оптимальной конфигурацией лазерной системы на YAG^r44" для получения керровской синхронизации мод следует считать схему на основе керровского
сдвига частоты, позволяющую уменьшить влияние сильной тепловой линзы на стабильность синхронизации мод.
-
Существует верхняя граница величины нелинейного взаимодействия, определяющая устойчивую керровскую синхронизацию мод, значение которой лежит ниже порога самофокусировки. На основе численного моделирования показано, что лазер с керровской линзой может иметь области параметров, при которых проявляется бистабильность - существование нескольких областей параметров излучения, в каждой из которых система может находиться сколь угодно долго.
-
Стабильная синхронизация мод получается в узком диапазоне изменений величин параметров системы, которые должны иметь еще и долговременную стабильность. Экспериментально обнаружена синхронизация мод с хаотически, а при определенной настройке, и с периодически повторяющимися параметрами импульсов; при изменении параметров системы (дисперсия, длина плеч резонатора) в соответствии с теоретическими оценками устанавливается керровская синхронизация мод.
-
Экспериментально впервые обнаруженный специфичный для данной активной среды режим работы лазера: режим генерации прямоугольных импульсов с частотой я ІкГц в виде меандра - обусловлен изменением сильной тепловой линзы, способной переводить резонатор из устойчивой зоны в неустойчивую и обратно, тем самым формируя "быстрое" выключение и включение генерации.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международных конференциях: "Laser Methods of Surface Treatment and Modification" (ALT'94, Konstanz, Germany), Opto'94 (Paris, France, 1994), "Advanced Materials for Optics and Optoelectronics" (ALT'95, Prague, Czech Republic, 1995), Opto'95 (Paris, France, 1995), IX Международной конференции "Ultrafast Processes in Spectroscopy" (UPS'95, Trieste, Italy, 1995), Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (ICONO'95, Petersburg,
Russia, 1995), "Laser Methods for Biological and Environmental Applications" (ALT'96, Heraklion, Crete, Greece, 1996), II Международной конференции "Перестраиваемые твердотельные лазеры" (TSSL'96, Вроцлав, Польша, 1996), конференциях МФТИ, семинарах Лазерного центра и кафедры квантовой электроники МФТИ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 133 названий. Работа содержит 135 страниц, 55 рисунков и список литературы.
