Введение к работе
. Актуальность темы исследования.
Субмиллиметровые (СММ) молекулярные лазеры с оптической накачкой в настоящее время являются одними из наиболее мощных источников мощного когерентного излучения в частотном диапазоне 300-6000 Ггц. Применение в составе таких лазеров мощных импульсных С02 лазеров как средств накачки резонансного молекулярного газа позволяет получить большую выходную мощность и эффективность преобразования частоты и обеспечить непрерывную перестройку по частоте выходного излучения за счет раманозских процессов. Импульсные СММ источники находят практическое применение в спектроскопии и диагностике плазмы, в исследовательских работах по активной спектроскопии твердых тел и молекул в задачах взаимодействия мощного излучения с веществом, а также при решении технических задач: неразрушаиций контроль, связь, радары высокого разрешения, дистанционное исследование состава атмосферы.
Основными рабочими характеристиками импульсного СММ рамановского источника являются эффективность преобразования энергии излучения накачки, спектральный диапазон генерации, в том числе ширина диапазона непрерывкой перестройки, а также пространственные характеристики выходного излучения. Часто важно минимизировать размеры установки, максимально упростить обслуживание и снизить стоимость лазера. Для решения перечисленных задач в экспериментах применяют мощные дискретно или непрерывно перестраеваемые источники излучения накачки с начальной фокусировкой входного пучка, волноводныа кюветы с оптическим резонатором для СММ поля или многопроходные кюветы с перефокусировкой пучков накачки и стокса при отражениях от
концевых зеркал. При таких условиях в активной среде рамановского лазера существенную роль играют нелинейно-дифракционные явления и эффекты взаимодействия встречных волн СММ генерации и накачки.
Проведение экспериментов, теоретическое изучение нелинейных волновых взаимодействий в рассматриваемых лазерных устройствах и построение простых численных моделей, учитывающих, в частности, влияние оптического резонатора, самовоздействие мощного излучения накачки и нелинейную дифракцию СММ волны, а также конкретные спектральные характеристики активной среды, дает возможность разрабатывать и оптимизировать характеристики современных мощных импульсных СММ рамановских лазеров. Поэтому тема настоящей работы представляется весьма актуальной.
Целью диссертационной работы являются:
-создание модели, описывающей взаимодействие встречных волн СММ излучения генерации и ИК излучения накачки в резонансной газовой среде рамановского лазера;
-нахождение оптимальных граничных условий для СММ и ИК полей в лазерной кювете, повышение эффективности и расширение спектрального диапазона NIL рамановского лазера путем оптимизации коэффициента обратной связи оптического резонатора: -исследование влияния нелинейно-дифракционных эффектов на характер распространения волн в активной среде мощного СММ лазера с оптической накачкой.
Научная новизна полученных результатов.
I. Впервые разработана модель, использующая метод разложения
поляризации в ограниченный ряд по продольным пространственным гармоникам и описывающая конкуренцию встречных компонент стоксова сигнала генерации в поле встречных волн накачки в активной среде модного импульсного СММ рамаковского лазера. Рассчитаны спектры коэффициента усиления встречных компонент стоксова сигнала без
ограничений на амплитуды и соотношение интенсивностей полей.
2. Исследована конфигурация полей в СММ резонаторе и
энергетические спектры выходного излучения NH3 рамаковского
лазера. Определены оптимальные значения коэффициентов отражения
выходных зеркал для достижения предельных КПД в схемах,
реализующих ВКР "вперед" и "назад" для различных параметров
излучения накачки, рабочих давлений и длин резонатора.
3. Экспериментально исследована асимметрия генерации
"вперед-назад" в NH3 СММ лазере при вариации граничных условий на
концевых окнах лазерной кюветы. Подбором оптимального
коэффициента обратной связи в оптическом резонаторе для линии
накачки 9R16 С02 лазера получена максимальная квантовая
эффективность на уровне 26% в "прямой" СММ волне и 27% при выводе
полезного излучения "назад".
-
Теоретически исследована резонансная стационарная и квазистационарная самофокусировка/самодефокусировка ИК излучения накачки в КН3 рамановском лазере с учетом спектроскопических и кинетических характеристик активных молекул.
-
Впервые показано, что в резонансных средах мощных рамановских лазеров СММ диапазона возможен захват стоксова излучения в комбинационно- активный волновод, образованный за счет нелинейности показателя преломления активной среды для СММ волны и неоднородности усиления по сечению волны накачки. Проанализирован механизм возникновения РВКР-самофокусировки для
разноэнаковых частотных отстроек поля накачки и условия образования многофокусной структуры полей в лазерной кивете.
6. Исследовано влияние нелинейно-дифракционных явлений на эффективность преобразования частоты. Получены общие зависимости КПД преобразования от начальной фокусировки и расходимости основного пучка. Рассмотрен вопрос оптимального профилирования входного ИК пучка.
Практическая ценность работы.
1. Разработаны численные модели, позволяющие с высокой
степенью достоверности и с минимальными затратами машинного
времени расчитывать энергетические спектры СММ лазеров с
оптической накачкой и оптимизировать выходные характеристики
устройств по коэффициенту обратной связи оптического резонатора.
2. Проведена оптимизация импульсного дискретно
перестраеваемого НН3 СММ лазера. Продемонстрирована возможность
существенного увеличения эффективности частотного преобразования
за счет увеличения коэффициентов отражения выходных окон для СММ
поля генерации и возврата остаточного излучения накачки в
активную среду лазера. Показано, что для компактных однопроходных
лазерных кювет в случае сильных линий максимальные КПД
обеспечиваются при коэффициенте отражения выходного зеркала на
уровне ІСН-20%, в то время как для "глухого" зеркала достаточным
является коэффициент отражения 6070% интенсивности СММ
излучения.
3. Получены численные решения нелинейных волновых уравнений
в безразмерной критериальной форме, позволяющие определять
характеристики выходиого излучения в зависимости от изменяющихся
в широком диапазоне размерных параметров нелинейкой среды и начальных распределений амплитуд. Для различных режимов самовоздействия ИК излучения накачки определены оптимальные начальная фокусировка и расходимость падающего излучения, при которых достигается максимальная эффективность преобразования.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
1. Теоретическая модель, описывающая взаимодействие мощных
встречных волн излучения генерации СММ диапазона и ИК излучения
накачки в активной среде рамановского лазера. Модель основана на
разложении спектральных компонент наведенной поляризации в
ограниченный ряд по продольным пространственным гармоникам и
точно учитывает структуру энергетических уровней активных молекул
и граничные условия для полей в лазерной кювете.
2. Впервые экспериментально ^и теоретически исследована
конкуренция встречных волн стоксова поля, вызывающая асимметрию
генерации "вперед-назад". Расчитакы распределения интенсивностей
волн в резонаторе СММ лазера и определены оптимальные значения
коэффициента обратной связи для когкретных спектральных линий,
типичных интенсивностей падающего ИК излучения и параметров
лазерного резонатора.
3. На основе численного моделирования методом
параболического уравнения впервые произведен расчет конфигурации
волновых пучков ИК излучения накачки и СМ генерации при
резонансном ВКР. Определены условия возникновения многофокусной
структуры полей и эффективной фокусировки стоксова излучения в
комбинационно-активном волноводе. Расчитаны обобщенные
зависимости фокальных интенсивностей полей и фокальных длил от
частотных отстроек и начальной фокусировки падающего излучения накачки.
4. Определены оптимальные диаметр и расходимость основного пучка на входе для достижения предельной эффективности преобразования и сокращения длины суперлюминесцентного рамановского лазера в различных режимах самовоздействия излучения накачки.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на 15-й (Орландо, США, 1990 г.) и 16-й (Лозанна, Швейцария, 1991 г.) Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам, на 14-ой конференции молодых ученых МФТИ (Долгопрудный, 1989 г.)
Публикации.
Основные положения и результаты диссертации опубликованы в б работах, перечисленных в конце автореферата. Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 172 страницы, из которых 125 страниц основного текста. Диссертация содержит 34 рисунка на 30 страницах, 2 таблицы на I странице. Список литературы включает 156 наименований.
