Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Эрмит-гауссовы пучки света -пространственно локализованные, монохроматичные и когерентные волновые электромагнитные (э.м.уполя. Ряд уникальных свойств определяет их ценность в научных и прикладных практических целях. Наибольшее применение в науке и технике получил низший, простейший их тип - цилиндрически симметричный гауссов пучок. Источниками эрмит-гауссовых пучков (дГП.) являются оптические квантовые генераторы (СЕ?), созданные 35 лет назад. Помимо роли источника узких и концентрированных световых пучков, СКГ с эрмит-гауссовыми пучками приобрели важное значение как датчики прецизионных измерительных приборов в ряде отраслей приборостроения, таких как метрология, навигация, гирометрия, спектрометрия и др.; спектр применения этих устройств становится все более многообразным и они достигают все . более высокой степени совершенства, благодаря многочисленным и разносторонним научным исследованиям. Особо важное место в этом плане принадлежит т.н. кольцевым газовым лазерам /КГЛ), генерирующим слабо связанные встречно бегущие волны. Лучшие практические применения и наиболее интересные научные результаты были получены именно с Не-Уе кольцевыми лазерами с длиной волны J\ = 0.63 мкм.
В связи с широким применением в науке и технике ЭГП и приборов на их основе, важное значение приобретает степень полноты наших знании и адекватность модельных представлений о распространении гауссовых пучков в свободном пространстве и в различных оптических системах, включая сами источники этих пучков с их резонаторами и активными средами. Сюда входят разнообразные вопросы по дифракционным, поляризационным, нелинейным явлениям, экспериментальному исследованию которых посвящены работы автора /1-6, 8-14, 17/. Использование эрмит-гауссовых пучков создало таняе новые уникальные возможности для фундаментальных исследований в области физической оптики, в т.ч. по проблемам дифракции света /7, 15-16, 18-24/.
Таким образом, поставленная в диссертации задача представляет интерес в научном и практическом плане и является актуальной. Данная работа во многом продолжает исследования, начатые в НИИФ СПбГУ и развивает их /cl-c4/.
Цель работы - разработка методик, создание аппаратуры, экспериментальное исследование процесса распространения эрмит-гауссовых как в ОКГ и приборах, используемых, как датчики измерительных устройств, так и в свободном пространстве; исследование сопутствующих этим процессам дифракционных, поляризационных и нелинейных явлений, В этот круг входят исследования областей устойчивости и существования различных конкурирующих режимов генерации в КГЛ, включая асимметрию конкурентных процессов; исследования процессов генерации поляризационных мод в КГЛ и влияния продольного магнитного поля на проявления поляризационной амплитудной и фазовой анизотропии исследования особенностей работы диафрагмируемого лазера, как распределенной автоколебательной системы, в том числе, влияние дифракционной фазовой связи встречных волн, обусловленной их дифракционным обратным рассеянием на выделенной локальной неоднородности, на динамику лазера. В свободном пространстве главный интерес состоит в исследовании дифракции эрмит-гауссова пучка на пространственных телах; наибольшее значение придается исследованию краевых и локальных аспектов дифракции и структуры полутени.
Проведение необходимых теоретических исследований по тем сторонам экспериментальных исследований, где теоретические разработки отсутствуют или недостаточно полны.
Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов исследований используется для анализа адекватности употребляемых моделей физических процессов в оптических системах (в том числе:, лэмбовская модель генерации скалярных плоских волн, известные дифракционные принципы Внга и Фока /краевая дифракция, локальное поле/, эвристическая кирхгофовская теория и др.), а также для формулирования новых моделей, адекватных результатам экспериментов с эрмит-гауссовыми пучками, в рамках физической оптики.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
Научная новизна работы. І. В области оптики лазеров автором диссертации проведены экспериментальные и теоретические исследования важных аспектов нелинейных поляризационных и дифракционных явлений при генерации оптических эрмит-гауссовых пучков (ЭГП) с Д = 0.63 мкм в треугольном Не-Уе
КГЛ с одноизотопной активной средой и с естественной смесью изотопов; проанализирована степень их адекватности лэмбовской модели
генерации скалярных плоских волн; получены следующие новые научные
результаты: й экспериментально и теоретически исследованы параметры амплитудных и частотных нелинейных резонансов конкуренции встречных волн и расположение на плоскости "расстройка-накачка" областей устойчивоати и существования различных конкурирующих режимов генерации (одно- и двунаправленных, одно- и многомодовых); в т.ч. - четырехволновых синхронизованных режимов генерации:
установлены границы пригодности лэмбовской модели; показана важность учета комбинационного насыщения' и пленения излучения а также нелинейного пространственного перекрытия генерируемых полей для ее адекватности; в частности, обнаружена и объяснена неодносвязность области двухмодовой генерации;
экспериментально обнаружен, исследован и объяснен ряд важных аспектов генерации гауссовых пучков, требупцих модификации лэмбовской модели, как например: конечная ширина на оси расстройки конкурентных резонансов встречных волн в нулевом магнитном поле, асимметричность по расстройке конкурентных процессов в КГЛ с чистым изотопом и ее подобие асимметрии в КГЛ с естественной смесью изотопов; некоторые особенности работы диафрагмируемого лазера и динамика лазера с движущейся диафрагмой ;
8 с продольным магнитным полем, наложенным на одноизотопную активную среду, в поляризационно-анизотропном КГЛ экспериментально исследована связь параметров амплитудных и аастотных конкурентных резонансов по расстройке и по магнитному полю при одномодо-вой генерации с параметрами векторов поляризации полей встречных волн гауссовых пучков - поляризационных мод КГЛ:
- экспериментально обнаружены и объяснены: зависимость парамет
ров резонансов (формы, ширины, размаха и знака) от магнитного
поля; эффективность брюстеровского аттенюатора добротности в
качестве поляризационно-анизотропного элемента, изменяющего
разность азимутов; возможность компенсации поляризационной
частотной невзаимности для широкого диапазона магнитных полей
в некоторой области расстроек частоты генерации;
- установлена адекватность векторной теории генерации эллипти
чески поляризованных плоских встречных волн при учете в нели
нейной поляризуемости активной среды членов, квадратичных по
малой разноэллиптичности встречных волн, отвечающих за конеч
ную ширину конкурентных резонансов в нулевом магнитном поле;
показано, что основной вклад магнитооптических эффектов соз
дает явление Зеемана в линейной и нелинейной поляризуемости;
Е из сопоставления экспериментальных результатов с теоретическими находились коэффициенты кросснасыщения однонаправленных и встречных волн в КГЛ; определялись важные параметры активной среды, такие как релаксационные константы рабочего перехода, усиление за проход в резонаторе, а также параметры эллипсов поляризации гауссовых пучков встречных волн внутри резонатора КГЛ;
S экспериментально обнаружены и исследованы важные аспекты пространственной модели диафрагмируемого КГЛ, генерирующего эрмит-гауссовы пучки, как распределенной автоколебательной системы:
соотношение роли трехмерной пространственной формы диафрагмы (в т.ч. ее протяжённости по направлению распространения пучков) и ширины ее миделева сеиения и его положения на неоднородном поперечном распределении поля эрмит-гауссовой моды -в создании потерь и в перестройке (селекции) поперечных мод;
корреляция ("неаддитивность) действия соседствующих диафрагм, расположенных в одной продольной плоскости последовательно на пути генерируемых эрмит-гауссовых пучков, и деформация пространственного распределения полей (каверны в поле моды);
специфическое влияние дифракционного обратного рассеяния ДОР эрмит-гауссовых полей встречных волн на диафрагме, с его быстрой (с периодом «-> 0\IZ] зависимостью от положения диафрагмы на оси пучка, на их дифракционную фазовую связь, определяющую динамику кольцевого и линейного лазера с движущейся диафрагмой;
показано, что действие диафрагмы при соотношении ширин ее миделева сечения и каустики пучка Р« \Vi на генерацию эрмит-гауссовых пучков в открытом резонаторе КГЛ и линейного лазера обычно имеет локальный характер (в частности, практически не
зависит от ее протяженности на продольной оси резонатора; это дает основание рассматривать использованные в работе диафрагмы, как выделенные локальные неоднородности; в силу этого условия, основные стороны влияния диафрагмы на работу лазера могут быть адекватно учтены в модели сильно неоднородной распределенной автоколебательной системы, феноменологически, в модели парциальной задачи для соответствующего функционального элемента автоколебательной системы. 2. Новые научные результаты экспериментальных и теоретических исследований автора по дифракции эрмит-гауссовых пучков света в свободном пространстве заключаются в том, что им впервые: 3 экспериментально исследована роль краевых и локальных аспектов дифракции оптического пучка с полушириной V^i » с малым углом расходимости Y , с неоднородным поперечным распределением поля на непрозрачном препятствии (металлическом цилиндре радиуса р или металлической пластине со скругленным с радиусом р краем!; - обнаружено экспериментально (и подтверждено теоретически в рамках кирхгофовской модели), что дифрагированное поле в полутени за скругленным краем полубесконечного непрозрачного препятствия можно достаточно четко разделить на три составляющие существенно различной природы, две из которых (а,б) -безусловно сопутствуют явлению дифракции, а третья (в) - альтернативно:
а - часть исходного светового пучка, обрезанного препятствием по геометрооптическому закону, в освещенной полутени;
б - весьма компактное дифракционное образование, локализованное в центральной части полутени, размером порядка или меньше размера исходного пучка, определяющееся всем световым полем исходного пучка;
в - протяженные по углам наблюдения If "хвосты" дифрагированного поля, определяющиеся только краевым и локальным эффектами, и в силу этого, пропадающие если только непосредственно сам край препятствия не освещен исходным световым пучком /в духе принципа Кнга) ; именно эти хвосты неизменно шшо-льзуются в лекционных демонстрациях в качестве характерного признака явления дифракции;
- проведено систематическое экспериментальное исследование та
кой пары протяжённых "хвостов" дифрагированного поля, обнару
женных в темновой и освещенной частях полутени в дальней зоне
за цилиндром при несимметричном освещении только одного края
цилиндра узким сфокусированным гауссовым пучком при соотноше
нии Wi
природа дифракционных хвостов в полутени за цилиндром; обна
ружены и исследованы зависимости угловых распределений интен
сивности хвостов Т (\у) от О и от IM, ТЕ- поляризации падаю
щего поля; установлена адекватность этих зависимостей асимп
тотическим моделям "волн соскальзывания" и "метода интегралов
Фока", основанным на принципе "локального поля" Фока; пока
зано расхождение этих зависимостей с кирхгофовской теорией;
й экспериментально исследована конструкция дифракционной картины, т.е. пространственно-периодической структуры полутени (ППСіу, за металлическим цилиндром, освещенным шейкой сфокусированного гауссова пучка при соотношении V\4# D , и ее эволюции, обусловленные возмущением падающего пучка (деформацией профиля его поперечного распределения) ;
- экспериментально обнаружена дискретность ППСП и автономность
ее звеньев; дискретность проявляется в том, что дифракционная
картина представляется веером неизменных, практически эквиди
стантных направлений \ %/ ~ / $ Щш (К~ ї/&)-) К ~ /, Ї, 2*
с интервалом / Sf!= %/$/Р » В0КРУГ которых локализуются потоки э.м. энергии (пучки) в пределах некоторой ограниченной области (телесного угла); такие потоки энергии соседних пучков (звеньев ППСП} могут перекрываться, в зависимости от со-отношвния/1р/>У или ^1^/, вследствие чего ППСП может оказаться затушеванной, а видимая картина полутени может принимать характер сплошной засветки, подобной хвостам дифрагированного поля при несимметричном освещении только одного края; _ автономность звеньев ППСП проявляется в том, что все эволюции поперечного распределения потока энергии каждого парциального пучка в направлении If, копируют эволюции поперечного распределения падающего на цилиндр пучка, деформированного при его возмущении - альтернативно интерференционной модели дифракции.
Достоверность подученных результатов подтверждается повсеместным хороший качественным и количественным согласием между экспериментальными и теоретическими результатами работы, а также результатами более поздних исследований, выполненных независимыми методами другими авторами по ряду вопросов, рассмотренных в диссертации.
Значимость и практическая ценность проведенных исследований состоит как в объяснении природы и механизмов ряда явлений в области дифракции и лазерной физики (таких, как краевые и локальные аспекты дифракции света, влияние обратного рассеяния на динамику лазера и др.) , так и в перспективности ряда полученных результатов для прикладных целей в отраслях прецизионного приборостроения: метрологии, гирометрии и навигации, нелинейной лазерной спектроскопии. Так например, внутрирезонаторное допплеровское измерение скорости потоков по дифракционному обратному рассеянию на выделенной локальной неоднородности , движущейся с потоком, промоделировано экспериментами по динамике лазера с движущейся диафрагмой и допплеровской интерпретацией их результатов. Проведенный комплекс экспериментальных исследований генерации гауссовых пучков, как поляризационных мод КГЛ в магнитном поле выявил эффекты, учет которых необходим для оптического стандарта частоты. Разработан метод управления характеристиками поляризации полей гауссовых пучков, пригодный для компенсации поляризационной частотной невзаимности в КГЛ. Получены важные экспериментальные и теоретические результаты по расположению областей устойчивости и существования различных двухмодовых режимов генерации КГЛ с гауссовыми пучками, важные для улучшения точностных характеристик оптического квантового гироскопа. Разработан ряд методов определения релаксационных констант атомного перехода, усиления за проход в резонаторе и других характеристик активной среды, свободных от влияния допплеровского уши-рения, которые дополняют известные методы нелинейной лазерной спектроскопии. Экспериментально исследованы особенности работы диафрагмируемого лазера с эрмит-гауссовыми пучками и связанная с этим деформация поля моды в резонаторе, важные для адекватного представления модели лазера, как распределенной автоколебательной системы и рационального применения квазигеометрооптических подходов.
Личный вклад автора.
Диссертационная работа выполнена в Научно-исследовательском институте физики Санкт-Петербургского государственного университета. Основное направление исследований было задано и постоянно курировалось профессором Э.Е.Фрадкиным, которому автор глубоко признателен.
Основные материалы диссертации включают работы, выполненные самим автором или под его руководством студентами, аспирантами и сотрудниками созданного им научного коллектива.. В последнем случае автору полностью принадлежит постановка задач, разработка методик экспериментальных и теоретических исследований и, в преимущественной степени, анализ и обобщение результатов исследований. Практически на всех этапах экспериментальных и теоретических работ включенных в диссертацию, автор принимал непосредственное участие в их выполнении.
Часть работ по дифракции света на металлическом цилиндре выполнена совместно с профессором В.С.Булдыревым и его сотрудниками. Автор участвовал в постановке задачи, экспериментальной работе, теоретических расчетах и интерпретации результатов исследований.
Автор приносит свою благодарность студентам, аспирантам и сотрудникам, работавшим с ним в разное время по теме настоящей диссертации: А.В.Баранов, А.В.Миронов, В.В.Венедиктов, М.А.Кось-мина, В.Н.Смирнов, С.А.Синица, И.Б.Матвеичев, а также -В.А.Соколову за черезвычайно полезные консультации - и другим своим коллегам из НИИ Физики СПбГУ, способствовавшим выполнению этой работы.
Апробация работы.
Все материалы диссертации докладывались на научных семинарах Первой кафедры общей физики Физического ф-та и отдела квантовой электроники НЙЙФ СПбГУ; часть материалов докладывалась на научных семинарах во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева и в ЛОМИ им Стеклова.
По теме диссертации опубликовано 55 работ в отечественных и зарубежных" научных периодических изданиях, а также в трудах многих авторитетных отечественных и зарубежных конференций и симпозиумов, таких как: Всесоюзная научно-техническая конференция Тазовые ла-
зеры в метрологии и измерительной технике" (Ленинград, 1976г.) ; Всесоюзная конференция "Оптика лазеров" (Ленинград, 1987г.) ; Всесоюзный симпозиум "Волны и дифракция" (IX - Тбилиси,1985г.; X -Винница,1990г.) ; I Всесоюзная конференция "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск,1991г.); "Нелинейная динамика в оптических системах" (Вашингтон, 1990г.); "Атмосферное, объемное и поверхностное рассеяние и распространение волн" (Флоренция, Италия, I99IrJ и др..
Объем работы. Общее число страниц диссертации 334. Восемь глав и заключение занимают 274 стр., иллюстрации - 39 стр. (62 рисунка), список литературы - 21 стр. (210 наименований).
