Введение к работе
Диссертационная работа относится по содержанию к физике лазеров, в частности, к динамике генерации импульсных твердотельных лазеров с оптической накачкой и развивает модельные представления для лазеров с электрооптическим управлением.
Актуальность проведенных исследований определяется актуальностью создания нового поколения импульсных лазеров с расширением функциональных возможностей и автоматизацией управления параметрами лазерных импульсов. В настоящее время импульсные лазеры используются для широчайшего круга задач и в каждом случае требования к ним специфичны.Существующие методы формирования лазерных импульсов допускают перестройку некоторых их параметров, например,длительности. Однако, это осуществляется только в узком, определяемом динамикой лазера для соответствующего метода диапазоне значений. Современные же требования к импульсным лазерам возросли. Актуальны лазеры с перестройкой, во-первых,в более широких диапазонах значений параметров, во-вторых, автоматическим образом и, в-третьих,перечисленное должно достигаться средствами, простота которых гарантирует промышленное тиражирование таких лазеров.
Наиболее удовлетворяют этому электрооптические методы управления* в связи с чем и были предприняты е реферируемой работе исследования динамики генерации для пикосекундного и'микро- миллисе-кундного диапазонов. Причем изначально было установлено, что наиболее популярные в настоящее время электрооптические кристаллы DKDP при комнатной температуре начиная с энергии 4-6 Дж/смг пропускаемого излучения обладают достаточно сильными фоторефрэктиЕными свойствами при комнатной температуре.Поэтому особо актуальным оказался вопрос о влиянии такой фоторефракции на свойства электрооп-
тическпх ячеек и, следовательно, на динамику генерации лазера.
Общеизвестно, что лазеры пикосекундного диапазона пока не приобрели достойного своего прикладного значения. Наиболее серьезные причины для этого - низкие энергетические характеристики лазеров этого диапазона и нетехнологичность их конструкций, определяемая принципами действия существующих пикосекундных лазеров.Имеются также проблемы воспроизводимости и стабильности параметров их излучения. Б этом плане неоднократно обсуждался вопрос о формировании в лазерах с периодической модуляцией добротности еолноеых образований, называемых "суперкодами". Это собственные значения решений уравнений генерации для поля в лазере, в котором на импульс одновременно действует периодическая (резонансная или квазирезонансная) модуляция добротности и узкополосное усиление. Т.е. ото сложные по частотному составу моды "горячего" резонатора с периодической модуляцией добротности. До сих пор в эксперименте существование супермод прямого подтверждения не получило. Сейчас установлен факт генерации супермод для лазеров с кратковременной периодической модуляцией потерь (ЕПШ) [1] и, более того, модель супермод оказалась единственной объясняющей всю имеющуюся совокупность физических данных по режиму генерации КПМП-лазеров.Если принять вс внимание,что они являются единственными ьысокоэнергетическимилазерами пикосекундного диапазона и весьма технологичны по конструкции то исследования по супермодзм этого лазера представляются также актуальными.
Целью работы является выяснение динамики лазера с обладающее линейной фоторефракцией электрооптической ячейкой в резонаторе г различных, охватывающих диапазон от 5.10~11с до 10~3с режимах генерации для создания методов управления длительностью Еысокоэнер-гетических импульсов в таком расширенном диапазоне длительностей.
Предметом теоретических исследований являются модели лазера с
- 5 -электрооптической отрицательной обратной связью (00G) с учетом фоторефракции и интегрирования в цепях обратной связи, а также лазера в режиме генерации нестационарных супермод.
Предметом экспериментальных исследований являются лазеры с электрооптическими ячейками в резонаторе в режимах 00С и КПМП на наиболее распространенных активных средах: рубине, алюмоиттриевом гранате, алюминате иттрия и неодимовом стекле.
Т.е.:
1. Феноменологическая модель фоторефракции в DKDP, приводящая
к уравнению фоторефрактивного процесса. Основывается на известном
уравнении для эффекта при фотовольтаическом механизме.
Основной интерес связан с установлением количественных данных о фоторефракции в расчете на одну элементарную приводящую к фоторефракции ячейку в среде (например, примесный центр с электронным возбуждением).
2. Дислокационная модель фоторефракции. Основывается на изве-
.стных данных по дислокациям в кристаллах и прозрачных диэлектриках.
Основной интерес сосредоточен на установлении деталей элементарного возбуждения, приводящего к трем сопровождающим фоторефракцию процессам: медленнорелаксирующему, быстрорелаксирующему и акустическому.
3. Одномерная модель лазера с безынерционной 00С и фоторефра-
ктивной ячейкой в резонаторе. Описывается стандартными уравнениями
генерации лазера плюс уравнение линейной фоторефракции:
m = Gm[n-H(km-r)-d];
n = W - n ( m + 1 ); (1 )
Г = - Г./тф + Сф ( m -m0 ). Здесь использованы заимствованные в [2] безразмерные переменные для квадратичных величин, причем m - число фотонов, п - инверсия, W - накачка, G - параметр лазера, Н и d - параметры, связанные с
резонатором, Г - описывающая фоторефрактивные изменения в электро оптическом элементе переменная, m - порог фоторефракции, т_ и С-время релаксации фоторефракции и ее постоянная соответственно, к коэффициент отрицательной обратной связи.
Основной интерес сосредоточен на определении стандартными дл автономной системы обыкновенных дифференциальных уравнений метода ми границы устойчивости генерации лазера.
4. Одномерная модель лазера с интегрирующей 00С и фоторефрак тивной ячейкой в резонаторе. Описывается стандартными уравнениям генерации лазера плюс уравнения фоторефракции (1) и уравнением дл сигнала в цепи обратной связи:
М = - -=- + m , (2
где М - амплитуда сигнала в цепи обратной связи, т - постоянна
его интегрирования.
Основной интерес сосредоточен на нахождении стандартными дл,
автономной системы обыкновенных дифференциальных уравнений метода
ми параметров полосы устойчивости генерации и ее зависимость о
параметров фоторефракции.
. 4. Одномерная модель лазера в режиме генерации нестационарны:
супермод. Построена на основе самосогласованного уравнения для ам
плитуды импульса в лазерном резонаторе, учитывающего одновременна
действие элементарных процессов: сужения импульса в результаті
многократной амплитудной модуляции и его расширения в результаті
усиления в среде с гауссовской формой линии:
а"(т;)+{ ^1 1 а' (т)= I 7 + ~ 1 ~ п
I ш1 TjCc+9) J І ті(рЄ) ^.
а(г), (3
где X - усиление импульса за один обход резонатора, g^ - усилениі в максимуме линии усиления для гі-й супермоды, и1 - полуширина ли нии, а - амплитуда супермоды, т] - функция модуляции, & - отстройк;
периода модуляции от аксиального, Є - отстройка периода следования импульсов от аксиального, 7 - коэффициент потерь.
Основной интерес заключается в установлении параметров супер-мод в условиях линейного и нелинейного этапов генерации,расстройки мекмодовой и модуляционной частот и относительного превышения усилением пассивных потерь в резонаторе.
5. Хорошо изученные в базовых режимах - режиме свободной генерации,режиме гигантского импульса и режимах активной и пассивной синхронизации мод стандартные лазеры с' плоскими резонаторами на основе однородноуширенных и неоднородноуширешшх твердотельных активных сред, в которые помещены электрооптические ячейки Поккельса.
Для всех исследованных лазеров является общим их оптическая схема. Основной интерес в лазерах с отрицательной обратной связью заключен в определении взаимосвязи фоторефракции в управляющем элементе с местоположением полосы устойчивости,а также условия автоматизации моноимпульсного лазера с активной электрооптической фоторефрзктивной ячейкой в цепи обратной связи. Основной интерес в экспериментальных исследованиях по лазерам субнаносекундного диапазона сосредоточен на доказательстве возбуждения в режиме КПМП генерации супермод и доказательстве реальности воспроизведения режима в известных типах активных сред оптического диапазона.
Научная новизна:
В работах, обобщением которых является настояйая диссертация автором впервые получены следующие научные результаты:
Выполнены исследования параметров высокотемпературной фоторефракции в DKDP. Установлен многокомпонентный состав фоторефракции. Эффект состоит по крайней мере из трех взаимозависимых компонент: медленной, быстрорелаксирующей и акустической. Исследованиями установлено, что первично эффект определяется медленной компонентой. Быстрорелансирующая возникает на фоне медленной. Акустическая сво-
им происхождением обязана быстрой компоненте. Установлены времен релаксации компонент, временные параметры процесса возбуждения фс торефракции. Предложены две модели фоторефрактивного процесса.
Установлено, что причиной осцилляции мощности в лазере с эле ктрооптической 00G является изменение оптических анизотропных свс йств подвергшегося облучению кристалла, т.е. фоторефракция. Эт проявляется с определенного порогового значения энергии пропускає мого через кристалл лазерного импульса.
Обнаружен и проанализирован переходной процесс в охваченно 00С электрооптической ячейке. Показано отличие реальной модулирук щей функции ячейки от обычно используемой. Найдены области параме тров, соответствующие максимальной эффективности работы ячейки 00С. Найдены условия аппроксимации реальной модуляционной функції ячейки линейным приближением.
Предложен способ осуществления O0G в импульсном лазере чере необыкновенную компоненту выходящего из электрооптического затЕор излучения. Показана большая эффективность этой схемы по сравнени с 00С через обыкновенную компоненту.
Выполнен анализ условий устойчивости для лазера с интегрирую щей ООС в приближении линейной фоторефракции в управляющей элект рооптической ячейке. Показано, что в достаточно широком диапазон значений времени интегрирования настройка параметров на моноимпу льсный режи»генерации имеет характер подобный резонансному.
Разработана оригинальная быстродействующая (до 2.1СГ8с), об ладающая высоким коэффициентом обратной связи электроника, позво ляющая формировать моноимпульсы генерации с точностью временно привязки фронта импульса генерации до ±5 мкс, а спада порядка ±
МКС.
Предложена модель нестационарных супермод для описания дина мики генерации лазера с КПМП. Факт генерации супермод этим лазеро
- 9 -подтвержден прямым численным экспериментом. Получено экспериментальное подтверждение возбуждения НС по совпадению статистики числа полос в интегральном спектре генерации с расчетной статистикой НС. Предложен метод спектроскопии нестационарных супермод по интегральному спектру генерации.
Осуществлен режим КПМП в лазерах на алюминате иттрия и неоди-мовом стекле.
Предложен принцип лазера с широкодиапазонной перестройкой длительности от пикосекундного до миллисекундного диапазонов. На защиту выносятся:
-
Результаты экспериментальных исследований фоторефракции в параэлектрике DKDP.
-
Феноменологическая и дислокационные модели фоторефракции в параэлектрике DKDP.
-
Теоретическая модель лазера с отрицательной интегрирующей обратной связью и с линейной фоторефракцией во внутрирезонаторном электрооптическом модуляторе потерь.
-
Результаты экспериментальных исследований условий моноимпульсной генерации лазера с интегрирующей ООС через управляющую обладающую фоторефракцией электрооптическую ячейку.
-
Теоретическая модель нестационарных супермод для линейного этапа генерации лазера с КПМП.
-
Результаты численных исследований режима генерации супермод _в лазере с КПМП.
-
Результаты экспериментальных исследований режима генерации супермод в лазере с КПМП.
Практическая значимость.
Широкое использование импульсного лазерного инструмента в технологиях машиностроения, приборостроения [3], микроэлектроники, химии и др. ставит перед разрабатываемыми лазерными системами но-
- 10 -Еые требования в отношении стабильности, воспроизводимости генер руемых лазерами импульсов, их энергетических характеристик, степ ни автоматизации управления лазерами и, вообще, управляемости п раметрами импульсов в возможно более широких пределах, технологи ности самих лазерных устройств, их надежности при эксплуатации неблагоприятных условиях. На основе полученных в диссертации нові данных по динамике лазеров с электрооптическим управлением возмо: на разработка принципиально новых автоматизированных лазерных сиі тем с перестройкой режимов генерации импульсов даоульных энерп от режима КПМП до стабилизированного по мощности электрооптическс 00С режима свободной генерации. Разработанные методы обеспечива* повышенную стабильность и воспроизводимость параметров,а также ш сткую временную привязку импульсов к внешним процессам.
Экспериментальные данные по режиму генерации супермод в лазе
ре с КПМП составляют физические основы для дальнейшей разработі
автоматизированных лазеров этого типа с широким спектром параме^
ров. . . »
Совокупность данных по лазерам с электрооптической 00С, резс натор которых содержит обладающие фоторефракцией элементы, состэе ляет физические основы для дальнейшего совершенствования моноимщ льсных лазеров микро-миллисекундного диапазона и создания новых v. образцов с автоматизированным управлением.
Эта же совокупность составляет физические основы нового мето да внутрирезонаторной спектроскопии фоторефрактивного эффекта. Me тод допускает также спектроскопию нелинейнооптических свойств ши рокого класса материалов.
Полученные данные по новому виду фоторефрактивного эффекта DKDP не исключают возмозкности создания нового типа регистрирующе
среды для динамической голографии.Причем среды с крайне малым вре
—6 менем релаксации - порядка 10 с.
Предложенная модель режима генерации нестационарных супермод может быть обобщена на режим непрерывной накачки. Следующие из этого обобщения выводы могут быть использованы при анализе работы лазеров со стационарной периодической модуляцией потерь и при поиске новых режимов генерации стационарных по параметрам импульсов пикосекундного диапазона.
Полученная совокупность данных по всем исследованным режимам лазера с электрооптическим управлением может быть полезна для создания экспериментальных установок, в которых можно моделировать переходы "порядок - димамический хаос", обратный переход и переход "хаос - порядок".
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих международных, всесоюзных и региональных научных конференциях, симпозиумах и семинарах:
Всесоюзной конференции "Физика и технология тонких пленок", Ивано-Франковск (1984), Международной конференции "Аморфные полупроводники - 84",Болгария, Габрово (1984), V-th International Slmphoslum on the Photorefraction Medium, Topical Meeting on PRM"93, Kiev (1993), Всесоюзной конференции по голографии, Витебск (1990), Международной конференции по КиНО, С.Петербург (1991), Всесоюзном семинаре "Динамические и флуктуационные процессы в лазерах и лазерных системах", Москва, ВДНХ СССР (1989), Всесоюзном научном семинаре "Метрология лазерных измерительных систем", Волгоград, ВолГУ (1991), I, II, III, IV Нижневолжских научных семинарах "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве", Волгоград, ВолГУ (1989-1992), Совещании "Высокочастотный разряд в волновых полях и ВЧ накачка газовых лазеров, Ташкент, ТашГУ (1992), научных семинарах ИФ-'и МЭФ АН Украины, Института монокрис-
- 12 -таллов (Харьков), С.-П-ОУ, СГУ и других организаций.
Публикации.
Основные материалы диссертации опубликованы в 49 работах, б< лее половины опубликовано в центральных и зарубежных научных изд; ниях. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце эет< реферата.
Структура работы.
Диссертация состоит из Введения, шести Глав и Заключения (32 страниц основного текста). На 106 стр. размещены 115 рисунков таблица, список цитируемой литературы включает 263 библиографичес ких ссылки.
