Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время во многих областях науки и техники, таких, как когерентная оптическая связь, лидарные исследования, дальнометрия, прецизионные оптические измерения, широко применяются твердотельные лазеры и лазерные системы на их основе Эффективность применения подобных устройств в значительной мере определяется характеристиками генерируемого излучения. При решении задачи оптимизации пространственных характеристик лазерного излучения особое внимание уделяют использованию внутрирезонаторных градиентных оптических элементов, позволяющих контролировать модовый состав излучения, а также поиску способов уменьшения влияния фазовых искажений оптических элементов на расходимость лазерного излучения. Тем не менее, процесс создания лазерных излучателей является сложной научно-технической задачей, требующей учета значительного количества факторов, определяющих качество лазерного излучения. Поэтому особое значение приобретают вопросы математического моделирования физических процессов, происходящих во время генерации лазерного излучения Создание математической модели твердотельного лазерного излучателя невозможно без решения комплекса частных задач, таких, как оптимизация конфигурации резонатора, оптимизация амплитудно-фазовых характеристик градиентных оптических элементов, минимизация термооптических искажений в активных элементах мощных твердотельных лазеров, определение требуемых параметров внутрирезонаторных нелинейнооптических преобразователей частоты лазерного излучения.
Цель работы. Разработка методов численного моделирования для исследования и
оптимизации пространственно-энергетических характеристик излучения твердотельных
лазеров. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Создать комплекс компьютерных моделей, позволяющих при проектировании
твердотельных лазерных систем осуществлять анализ пространственно-временных и
энергетических характеристик излучения лазерной генерации с учетом влияния активной
среды, а также амплитудно-фазовых характеристик внутрирезонаторных оптических
элементов.
-
Исследовать влияние наведенных термооптических неоднородностей активных элементов мощного твердотельного лазера на угловые характеристики излучения лазерной генерации.
-
Выполнить анализ особенностей использования многослойных диэлектрических зеркал в резонаторах твердотельных лазеров, что позволит оптимизировать пространственно-энергетические характеристики лазерной генерации.
4. Разработать модель внутрирезонаторного параметрического генератора света, позволяющую проводить анализ влияния конфигураций резонатора ПГС и резонатора лазера накачки на выходные характеристики излучения параметрической генерации. Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
1. Предложена компьютерная модель твердотельного лазера, позволяющая производить
исследования процессов распространения излучения лазерной генерации в резонаторе
лазера в режимах стационарной генерации и модуляции добротности, учитывающая
эффекты дифракции, усиления активной среды, а также влияние внутрирезонаторных
оптических неоднородностей на пространственные характеристики генерируемого
излучения.
2. Разработана методика определения пределов допустимых изменений величин
температуры хладагента при реализации режима охранного подогрева активного элемента
мощного твердотельного лазера в условиях импульсно-периодической накачки,
обеспечивающие высокое качество волнового фронта выходного излучения.
3. Изучено и экспериментально подтверждено влияние амплитудно-фазовых характеристик
диэлектрических многослойных градиентных зеркал на расходимость и яркость излучения
лазерной генерации, полученной плоскопараллельном резонаторе твердотельного
моноимпульсного лазера.
4 Проведена оптимизация зависимости толщины профильного слоя диэлектрического
покрытия от радиальной координаты, позволяющая устранить искажение стационарной
внутрирезонаторной пространственной структуры поля широкоапертурного
телескопического резонатора, обусловленное влиянием фазового отклика коэффициента отражения, характерного для традиционных многослойных градиентных зеркал.
-
Разработана модель моноимпульсного лазера с резонатором, включающем "глухой" отражатель, обладающим динамически изменяемой зависимостью коэффициента отражения от радиальной пространственной координаты
-
Проведено сравнительное исследование пространственно-энергетических характеристик моноимпульсного излучения, полученного в плоском резонаторе с "супергауссовым" выходным градиентным зеркалом и в резонаторе с традиционным плоским выходным зеркалом и динамаческим отражателем. Определены условия, позволяющие получить существенное увеличение яркости излучателя с динамическим отражателем по сравнению с лазером, обладающим "супергауссовым" градиентным выходным зеркалом.
7. Предложена и обоснована компьютерная модель твердотельного лазера с
внутрирезонаторным параметрическим генератором света, позволяющая исследовать
процессы внутрирезонаторного распространения излучения сигнальной, холостой волн и волны накачки с учетом эффектов дифракции, трехчастотного взаимодействия в нелинейном кристалле, а также усиления излучения накачки в активном элементе в режиме модуляции добротности.
8. Найдена оптимальная конфигурация резонатора параметрического генератора света, позволяющая получить максимальную яркость излучения параметрической генерации.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту. 1 Компьютерная модель твердотельного моноимпульсного лазера, учитывающая дифракцию при распространении излучения в резонаторе, усиление излучения в активной среде и амплитудно-фазовые характеристики оптических элементов резонатора.
-
Результаты и методика исследований пространственных характеристик излучения мощного твердотельного лазера, позволившие определять оптимальный диапазон температур хладагента при реализации режима охранного подогрева активного элемента в условиях импульсно-периодической накачки лазерного излучения
-
Результаты исследования телескопических резонаторов с выходным градиентным зеркалом, позволившие определить реальную конструкцию диэлектрического покрытия, обеспечивающую минимизацию вредного влияния неоднородного фазового отклика градиентного зеркала на характеристики генерируемого лазерного излучения. 4. При использовании активных сред с большим коэффициентом усиления применение в резонаторах твердотельных моноимпульсных лазеров динамического отражателя, выполненного на базе НПВО-модулятора, позволяет существенно увеличить яркость генерируемого излучения по сравнению с резонатором, использующим оптимальное "супергауссово" зеркало
5 Модель и результаты численного исследования твердотельного моноимпульсного лазера с внутрирезонаторным параметрическим генератором света (ПГС), позволившие определить конфигурации резонатора ПГС и лазера накачки, при которых достигаются максимальная яркость выходного излучения параметрической генерации и максимальная эффективность процесса параметрического преобразования излучения накачки
Реализация результатов диссертационной работы.
Результаты диссертационной работы были использованы в СП6ТУИТМО, УНП "Лазерный центр" ИТМО, ЗАО "LC", ФГУП НИИ Лазерной физики (г.Санкт-Петербург) при разработке и оптимизации твердотельных лазерных систем различного назначения. В настоящей работе показано его применение при разработке и исследовании семейства мощных импульсных твердотельных лазеров "ЛИМА" для систем дистанционного
зондирования атмосферы, оптимизации оптических элементов внутрирезонатоного параметрического генератора света Для мощного лазера на неодимовом стекле получены расчетные данные о величине угловой расходимости при различных режимах накачки, выработаны рекомендации по подбору температуры хладагента при реализации режима охранного подогрева. Результаты диссертационной работы были использованы также при создании квазинепрерывного твердотельного лазера с внутрирезонаторным параметрическим генератором света в виде результатов оптимизации конфигурации резонатора параметрического генератора света с целью увеличения эффективности и яркости генерации излучения на частоте сигнальной волны. Компьютерная программа LASCA, предназначенная для определения параметров излучения для стационарного режима генерации лазеров, была применена при выполнении НИР в институте лазерной физики (г. Санкт- Петербург).
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры Квантовой электроники и биомедицинской оптики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий механики и оптики при подготовке студентов по специальностям 072300 "Лазерная техника и лазерные технологии", 190700 "Оптико-электронные приборы и системы" при чтении курсов лекций "Теория лазеров", "Твердотельные лазеры" и "Лазерная техника".
Апробация работы и публикации.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях "Оптика лазеров 95" (Санкт-Петербург, 1995г.), "Оптика лазеров-98" (Санкт-Петербург, 1998г.), "Оптика и научное приборостроение - 2000" ФЦП "Интеграция" (Санкт-Петербург, 2000г.), "Оптика лазеров-2000" (Санкт-Петербург, 2000т). Результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах.
Личный вклад автора.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации, выразилось в разработке дифракционной модели резонатора с активной средой, разработке компьютерной модели твердотельного моноимпульсного лазера с внутрирезонаторным параметрическим генератором света, разработке компьютерной модели резонатора твердотельного лазера с динамическим градиентным отражателем, проведении численных и экспериментальных исследований резонаторов твердотельных лазеров с диэлектрическими градиентными зеркалами, а также проведении численной оптимизации режимов охлаждения активных элементов мощного твердотельного лазера.
Структура и объем работы.
