Введение к работе
Актуальность работы. Одним из важнейших разделов современной квантовой электроники является физика кольцевых лазеров (КЛ)*, что обусловлено, прежде всего, уникальными возможностями КЛ для измерения невзаимных оптических эффектов и угловых скоростей вращения, для создания на их основе высокостабильных одночастотных лазеров и лазеров, генерирующих мощные ультракороткие импульсы света (УКИ). Наличие такого большого диапазона важных областей применения - лазерная гирометрия и гироскопия, оптические стандарты частоты и генераторы УКИ, а также нетривиальные особенности динамики генерации различных типов КЛ по сравнению с динамикой генерации линейных лазеров (ЛЛ), объясняют неослабевающий интерес к исследованию КЛ.
Исторически сложилось так, что со времени создания лазеров в начале 60-х годов наиболее интенсивно исследовались газовые КЛ (ГКЛ) из-за простоты получения непрерывной генерации и хорошей стабильности излучения. Однако, поскольку потенциальные возможности КЛ определяются свойствами активной среды (АС), большой интерес представляет исследование КЛ и на других АС, и, в первую очередь, твердотельных КЛ (ТКЛ).
Дело в том, что ТКЛ существенно превосходят ГКЛ по ряду весьма важных параметров, в том числе, по коэффициенту усиления АС, ширине спектра и мощности излучения. В ТКЛ можно получить режим синхронизации мод (СМ) даже при малых периметрах резонатора ( L 40 см ). ТКЛ могут иметь различные моноблочные и-монолитные конструкции ( напр., с несколькими ТКЛ в одном многограннике из АС). В ТКЛ (прежде всего, на кристаллических АС ) можно получить низкопороговую ( Wn 100 мВт ) генерацию при высокостабильной монохроматической накачке, как продольной, так и поперечной. И, наконец, что также очень важно, ТКЛ не требуют вакууммирования.
Однако ТКЛ исследовались и экспериментально, и теоретически намного меньше чем ГКЛ, что было обусловлено, прежде всего, трудностями создания и исследования непрерывнодействующих ТКЛ из-за отсутствия эффективных источников накачки ТЛ . Укажем, что автором данной работы защищена первая кандидатская диссертация, в которой исследовались ТКЛ с непрерывной накачкой. Таким образом, проведенные ранее исследования не давали ответ на ряд принципиально важных вопросов.
Во-первых, не было ответа даже на самый простой вопрос: какие режимы свободной генерации (СГ) могут существовать в различных типах непрерыв-нонакачиваемых ТКЛ а зависимости от величины связи и разности частот встречных волн (ВВ) ( напр., в миниатюрных монолитных ТКЛ с неплоскими кольцевыми резонаторами ). В немногочисленных же теоретических работах были получены различные условия существования и устойчивости стоячей и бегущей волн в ТКЛ в режимах СГ, но при этом делался ряд существенных # Список сокращений ( ключевых слов ) приведен в конце автореферата.
упрощающих предположений, а связь ВВ либо совсем не учитывалась, либо рассматривались лишь некоторые частные случаи связи ВВ.
Во-вторых, не было никаких исследований динамики генерации ТКЛ при наличии внутри резонатора ТКЛ нелинейно-оптических элементов, при резонансной и нерезонансной модуляции параметров лазера, при создании поля-ризационно-частотной или пространственно-временной развязки ВВ.
В-третьих, не было не только исследований, но и даже никаких предложений по разработке методов устранения сильного конкурентного взаимодействия ВВ и генерируемых мод в ТКЛ с однородно-уширенной линией усиления кристаллической АС- Более того, сложилось ошибочное мнение о принципиальной невозможности использования ТКЛ в гирометрии. Поскольку это мнение разделял, в частности, известный американский специалист в области физики КЛ Ф. Ароновиц, за рубежом, в том числе в США, исследований ТКЛ для целей регистрации невзаимных оптических эффектов практически не проводилось. Зарубежные и почти все отечественные специалисты работали на принципиально ясном направлении исследований - получении в ТКЛ режима высокостабильной однонаправленной одночастотной генерации, реализации которого как раз и способствует сильная конкуренция ВВ и генерируемых мод в ТКЛ с однородно-уширенной линией усиления АС.
Цель работы. Исходя из вышеизложенного, цель работы состояла:
в разработке и создании различных по физико-техническим характеристикам и назначению типов непрерывнонакачиваемых ТКЛ на оптимальной по совокупности свойств твердотельной АС - YAG.Nd , в том числе, ТКЛ с неплоскими, нестационарными, малогабаритными ( L ~ 10 см ) моноблочными и миниатюрными ( L ~ 1 см ) монолитными кольцевыми резонаторами и высокостабильной монохроматической накачкой светодиодами или лазерами;
в проведении комплекса детальных экспериментальных, а также расчетных исследований динамики генерации ТКЛ с однородно-уширенной линией усиления АС в зависимости от параметров связи и разности частот ВВ, от параметров резонатора ТКЛ, накачки, внутрирезонаторных нелинейно-оптических сред, резонансных и нерезонансных периодических возмущений, акусто- и магнитооптических цепей обратной связи (ОС);
в предложении, разработке и исследовании методов управления конкурентным взаимодействием ВВ и генерируемых мод, параметрами излучения ТКЛ, величиной и знаком амплитудной и фазовой невзаимности в ТКЛ и АЧХ вращающихся ТКЛ, как в режимах СГ, так и в режимах СМ;
в анализе физических условий создания и разработке высокостабильных ТКЛ с непрерывной накачкой, работающих в режимах одночастотной генерации или СМ и предназначенных для использования в оптических стандартах частоты, генераторах УКИ, лазерной гирометрии.
Научная новизна. Основные результаты, изложенные в диссертации, получены впервые в мире и имеют приоритетный характер.
Главным результатом работы является развитие нового перспективного
научного направления в физике лазеров, заключающегося в предложении и разработке эффективных нелинейно- , акусто- и магнитооптических методов управления конкурентным взаимодействием и АЧХ световых ВВ в ТКЛ, режимами генерации и параметрами излучения покоящихся и вращающихся ТКЛ, позволяющих создавать на основе ТКЛ высокостабильные, самостабилизирующиеся лазерные системы. Проведенные исследования открывают, в частности, вопреки существовавшим ранее представлениям, реальные возможности использования ТКЛ для измерения невзаимных оптических эффектов.
В диссертационной работе впервые создан целый ряд различных физико-технических типов ТКЛ на YAG:Nd и проведен комплекс широких экспериментальных, а также расчетных исследований динамики генерации ТКЛ и невзаимных оптических эффектов в непрерывнодействующих и импульсных ТКЛ.
Выявлены основные закономерности и физические процессы, определяющие динамику генерации ТКЛ. Установлено, что ТКЛ с однородно-уширенной линией усиления даже в самой простой реализации лазера (АС и кольцевой резонатор) является сложной многорежимной автоколебательной системой, очень чувствительной к условиям взаимодействия ВВ и генерируемых мод.
Обнаружены существенные, качественные отличия динамики генерации ТКЛ от динамики генерации ГКЛ. В частности, установлены необычные и нетривиальные эффекты конкурентного взаимодействия ВВ и генерируемых мод, эффекты гистерезиса, "памяти", процессы длительной ( г 10 с (!) ) смены режимов генерации. Подчеркнем также, что в ТКЛ обнаружены как весьма интересные с точки зрения нелинейной динамики оптических систем эффекты бистабильности, так и очень важные для приложений эффекты самостабилизации режимов генерации.
Решение физических проблем стабилизации амплитуд ВВ и разности их частот и технической проблемы создания ТКЛ с высокостабильной монохроматической накачкой позволило затем провести в диссертационной работе исследования невзаимных оптических эффектов в ТКЛ. В результате был установлен вид ЧХ вращающихся ТКЛ в различных режимах генерации, при различных методах устранения конкурентного взаимодействия ВВ. В ТКЛ обнаружены и исследованы неизвестные ранее фазовые и амплитудные невзаимные эффекты, возникающие при взаимодействии световых ВВ с различными нелинейно-оптическими средами, при акусто- и магнитооптических взаимодействиях, при самодифракции ВВ и аолн автоподсветки (ВА) на наведенных в АС интерференционных решетках инверсной населенности.
Таким образом, новые физические эффекты и закономерности, установленные в диссертационной работе, существенно развивают физику КЛ.
Практическая ценность. Прежде всего, подчеркнем, что в диссертационной работе разработаны и созданы различные типы высокостабильных ТКЛ, работающих в режимах СГ и СМ.
Далее, предложенные и разработанные в диссертационной работе эффективные методы управления взаимодействием ВВ, режимами генерации и
параметрами излучения ТКЛ за счет использования различных нелинейно- , магнита- и акустооптических эффектов, цепей ОС, ВА существенно расширяют функциональные возможности ТЛ, модуляторов лазерного излучения. В частности, создание различных видов акустооптических связей у АОМ на стоячей и бегущей УЗ волнах позволяет не только получать высокостабильные режимы СМ, но и одновременно создавать ВА, стабилизирующие интенсивности ВВ во вращающихся ТКЛ, а также управлять величиной и знаком амплитудных и фазовых невзаимных акустооптических эффектов.
Очень важно также то, что в результате проведенных исследований не только показана принципиальная возможность измерения невзаимных оптических эффектов с помощью ТКЛ, по крайней мере, со средней точностью, но и созданы первые лабораторные макеты .регистраторов невзаимных оптических эффектов на основе ТКЛ на YAG:Nd с высокоэффективной монохроматической накачкой АС: поперечной - светодиодами, продольной - лазерами.
Наконец, подчеркнем, что новизна и практическая значимость предложенных методов управления параметрами излучения и АЧХ ТКЛ подтверждены 25 Авторскими свидетельствами.
На защиту выносятся:
1. Разработка и создание новых физико-технических типов ТКЛ на YAG:Nd с непрерывной накачкой, работающих в режимах СГ и СМ ( в том числе, ТКЛ с высокоэффективной высокостабильной монохроматической накачкой светодиодами или лазерами; ТКЛ с различными внутрирезона-торньши элементами и кольцевыми резонаторами, в частности, неплоскими, моноблочными, монолитными, нестационарными, имеющими вид "восьмёрки" с осью резонатора, самопересекающейся в АС или акусто-оптическом модуляторе (АОМ) под удвоенным углом Брэгга).
2. Установление на основе результатов экспериментальных, а также расчетных исследований основных закономерностей и физических процессов, определяющих динамику режимов СГ и СМ покоящихся и вращающихся ТКЛ с однородно-уширенной линией усиления АС при изменении в широких пределах параметров лазера ( в том числе, параметров связи ВВ, амплитудной и фазовой невзаимностей кольцевого резонатора, уровня накачки, частоты и амплитуды периодических возмущений параметров ТКЛ).
3. Обнаружение, установление условий реализации и интерпретация нетривиальных режимов генерации, эффектов конкуренции ВВ и генерируемых мод, эффектов оптической бистабильности, гистерезиса, длительной памяти режимов генерации, качественно отличающих ТКЛ от ГКЛ (в их числе, в покоящихся ТКЛ: режимы автомодуляции П-рода с. самопроизвольной квазипериодической сменой направления излучения; в ТКЛ с нестационарным резонатором: эффекты кинематической СМ и сужения спектра излучения до одной моды, эффекты разного отклика ВВ на периодические возмущения; во вращающихся ТКЛ: режимы захвата частот ВВ, непереходящие в режим биений ни при каких скоростях вращения; режимы автомо-
дуляции, переходящие в режим захвата при увеличении скорости вращения ТКЛ; многомодовые режимы с пространственным саморазделением ВВ по разным поперечным модам при увеличении скорости вращения ТКЛ ).
4. Обнаружение, установление условий реализации и интерпретация аномальных искажений и "расщепления" на несколько "ветвей" ЧХ вращающихся ТКЛ как в режимах автомодуляции, так и в режимах биений ( в том числе, аномальное, более чем на 3 порядка уменьшение разности частот ВВ по сравнению с разностью частот кольцевого резонатора для ВВ в ТКЛ с инерционной резонансно-поглощающей средой; "расщепление" спектров частот автомодуляции и биений на компоненты, интервал между которыми пропорционален разности частот кольцевого резонатора в ТК чип-лазерах и в ТКЛ, работающих в режимах нестационарной акустоопти-ческой СМ).
-
Обнаружение, установление условий реализации и интерпретация новых фазовых и амплитудных невзаимных оптических эффектов, реализующихся в ТКЛ С в их числе, светоиндуцированные знакопеременные и постоянные невзаимные оптические эффекты при динамической самодифракции ВВ и ВА на наведенных в АС решетках инверсной населенности; знакопеременные и постоянные, фазовые и амплитудные невзаимные акустооптические эффекты как при коллинеарном взаимодействии световых ВВ с бегущей акустической волной, так и при дифракции Брэгга, причем при наличии акустооптических ОС; невзаимные оптические эффекты в ТКЛ с резонансно-поглощающими и аномально-диспергирующими средами; эффекты разного временного сдвига встречных УКИ от минимума потерь на периоде модуляции при изменении разности частот ВВ).
-
Предложение, разработка и реализация эффективных методов управления параметрами излучения ТКЛ за счет использования различных внутри-резонаторных нелинейно- , акусто- и магнитооптических эффектов, ВА, модуляции параметров ТКЛ, создания положительных и отрицательных цепей ОС по разности и сумме интенсивностей ВВ, по дифрагировавшим в АОМ лучам, по сигналам межмодовых биений, автомодуляции и разности частот ВВ ( в числе результатов использования этих методов: получение режимов одно-частотной генерации и СМ в ТКЛ с нестационарным резонатором; осуществление быстрой, без релаксационных переходных процессов, коммутации направления излучения ТКЛ в режимах СҐ и акустооптической СМ; установление нового способа СМ с помощью АОМ на бегущей УЗ волне при использовании акустооптических ОС; управление АЧХ ВВ и параметрами УКИ в ТКЛ с антирезонансными кольцевыми резонаторами типа "восьмерки" и АОМ в области пересечения оси резонатора ТКЛ).
7. Предложение, разработка и реализация эффективных методов устра
нения конкуренции ВВ, управления АЧХ вращающихся ТКЛ и установление
возможностей и условий использования ТКЛ для измерения невзаимных оп
тических эффектов как в режимах биений, так и в режимах автомодуляции
(в числе этих методов, основанных на создании больших потерь для ВВ с большей интенсивностью, метод генерации 2-й гармоники с созданием 100 % потерь в резонаторе ТКЛ на частоте 2ш для устранения возникающей фазовой невзаимности ВВ; метод нелинейного поглощения в быстро-репаксирующих средах при устранении пичковой неустойчивости генерации с помощью взаимной цепи ОС по сумме интенсивностей ВВ; метод создания невзаимных цепей ОС по разности интенсивностей ВВ; метод ВА, особенно эффективный при создании ВА с помощью квазирезонансной акустооптической ОС, когда стабилизация двунаправленной генерации осуществляется только одной ВА и не образуется системы связанных оптических резонаторов ).
Личный вклад автора. Все изложенные результаты получены автором лично или при его непосредственном руководстве вместе с аспирантами.
Апробация работы. Основные результаты диссертации представлялись и обсуждались на УІ-У Международных конференциях "Лазеры и их применив" ( Лейпциг, 1981 г.; Дрезден 1985 г. ), на Международной школе-конференции "Лазеры и их применение" ( Бухарест, 1982 г.), на Международном симпозиуме "Оптика 84" ( Будапешт, 1984 г. ), на III Международной конференции "Тенденции квантовой электроники" ( Бухарест, 1988 г. ), на Международной конференции "Нелинейная динамика оптических систем" ( Эфтон, США, 1990 г.}, на I Всесоюзной конференции "Проблемы управления параметрами лазерного излучения" (Ташкент, 1978 г.), на X-XII Всесоюзных и ХІУ Международной конференциях по когерентной и нелинейной оптике ( Киев, 1980 г.; Ереван, 1982 г.; Москва, 1985 г.; Ленинград, 1991 г.), на II, ІУ, У, УІ Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" ( Ленинград, 1980 г., 1984 г., 1987 г., 1990 г.), на XII Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике ( Саратов, 1983 г.), на X, XIII, ХІУ, ХУ, ХУІ Межотраслевых научно-технических конференциях памяти Н.Н. Острякова ( Ленинград, 1976 г., 1982 г., 1984 г., 1986 г., 1988 г.), на Всесоюзных конференциях по кольцевым лазерам (Ленинград, 1973 г.; Раубичи-Минск, 1974 г.; Москва, 1975 г.), на Всесоюзных конференциях молодых физиков ( Ташкент, 1978 г., 1981 г.; Ростов-Ярославский, 1982 г.), на Всесоюзном семинаре "Динамические и флуктуационные процессы в лазерах и лазерных информационных системах" ( Москва, 1989 г.), на Всесоюзной конференции "Физика и применение твердотельных лазеров" Москва, 1990 г.), на УИ и УШ Международных научно-технических конференциях "Лазеры в науке, технике, медицине" ( Сергиев Посад, 1996 г., Пушкинские горы, 1997 г.), на 3-ей Международной конференции по Лазерной физике и спектроскопии ( Гродно, 1997 г.), а также на заседаниях Секции новых физических явлений Научного Совета АН по навигации.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 80 опубликованных работах и 20 Авторских свидетельствах. Общее число работ автора по исследованию ТКЛ, включая обзорно-аналитические и специальные работы, тезисы докладов и отчеты по НИР, более 160.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 10 глав ( 44 параграфов ), заключения, списка цитируемой литературы, приложений и содержит 187 страниц текста, 140 рисунков на 86 страницах, 454 работы в списке литературы на 27 страницах, 3 таблицы и 6 рисунков в приложении на 7 страницах ( общее число страниц в диссертации - 307 ).
