Введение к работе
Актуальность темы. Прогресс лазерной физики за последние десятилетия в значительной мере связан с широким использованием в лазерных технологиях импульсных источников когерентного излучения. Расширение сфер их применения, необходимость модернизации современных технологий требуют создания высококачественных лазерных приборов. В связи с разработкой оптических устройств обработки и передачи информации, обладающих повышенной скоростью передачи сигналов (свыше 1 Гбит/с), в ведущих лабораториях мира - British Telecom (Великобритания), ATT Bell (США), Naval Research Lab. (США), NTT (Япония) - ведутся исследования по созданию новых лазерных источников коротких импульсов (в диапазоне длительности 100 фс - 10 пс), следующих с высокими частотами повторения (1-100 ГГц ). Достижение таких параметров является необходимым условием для разработки высокоскоростных систем связи, оптических переключателей или элементов в новом поколении вычислительных устройств. Насущной задачей лазерной физики остается также разработка лазеров, излучающих одиночные короткие импульсы с высокой пиковой мощностью светового поля, для нужд лазерной локации и кинетической спектроскопии физических, химических или биологических объектов.
Продвижение в область сверхкоротких импульсов при использовании обычных электронных модуляторов осложнено трудностью реализации сверхвысоких скоростей переключения в таких устройствах. Возможность оптимизации выходных параметров в этом диапазоне требует разработки иных принципов управления импульсной генерацией, и решений таких задач оказывается более предпочтительнее достигать проведением поиска чисто оптических, пассивных методов формирования одиночных коротких импульсов или регулярных серий таких пульсаций. Эти способы могут основываться на эффектах самовоздействия лазерного поля в резонаторах, в частности, на явлениях фазовой самомодуляции излучения. Особая эффективность их практического учета проиллюстрирована на примере разработки лазерных систем с устройствами внутрирезонаторной интерферометрии [1,2]. Использование резонаторов с нелинейно -рефрактнвным элементом для аддитивной синхронизации мод (улучшения качества синхронизации мод в лазерах на активированных кристаллах) позволило надежно и сравнительно простыми средствами освоить диапазон генерации импульсов с длительностью менее 100 фс.
Управление динамическими характеристиками и спектральным составом излучения реализуется изменением параметров оптической обратной связи, осуществляемой резонатором лазера, в той степени, в которой свобода управления допускается специфическими свойствами активных элементов. Уровень обратной связи, в зависимости от конструкционных особенностей резонатора, может оказаться критичным к свойствам активной среды. В этом отношении существенно автомодуляционное уширение спектральных линий лазерного поля, определяемое нелинейной рефракцией поля в усиливающей среде. Его роль особо ощутима для условий запаздывающей внешней обратной связи в лазерном резонаторе. Динамическим явлениям, связанным с зависимостью показателя преломления среды от энергетического состояния активных частиц и развертывающимся в условиях внутрирезонаторной интерференции, до сих пор уделено относительно меньшее внимание. Значимость проблемы осуществления автомодуляционных режимов лазерного излучения за счет использования собственной рефракционной нелинейности усиливающего элемента, однако, вполне очевидна. Ход и уровень модуляции параметров контролируется тогда собственно динамикой и мощностью поля излучения, и особый интерес с прикладной точки зрения представляет выяснение условий оптимальности обратного влияния автомодуляционного уширения спектральных линий лазерного поля на динамику интенсивности формируемого излучения. Использование проявлений этого влияния должно значительно расширить возможности управления параметрами лазерного излучения. Понимание и оценка их следствий служат цели создания надежных и более совершенных импульсных источников излучения.
Постановка задачи проведенного в настоящей работе расчетного анализа динамической роли автомодуляционного уширения спектральных линий, обусловленного нелинейной рефракцией ( HP ) поля на частоте генерации, правомерна в русле особо актуальной ныне задачи разработки новых возможно более простых и надежных лазерных систем, допускающих управление выходным излучением на основе пассивных оптических методов. Основной предмет настоящего исследования составляют автомодуляционные механизмы формирования временной структуры светового поля импульсных лазеров на кристаллах или полупроводниках. Существование этих механизмов связано с нелинейной рефракцией в усиливающей среде. В связи со сказанным очевидне актуальность настоящей работы, посвященной расчегао-теоретическом) исследованию физических условий, при которых порождаемые
В последнее время интенсивно исследуется динамика полупроводниковых лазерных устройств с внешней обратной связью, включая инжек-ционные лазеры с внешним световолоконным резонатором. Наблюдаемое разнообразие режимов, в том числе с хаотической временной структурой, связывают с высоким уровнем HP в лазерных диодах и порождаемым ею аномальным автомодуляционным смещением спектральных линий светового поля в ходе генерации (field spectrum linewidth enhancement) [6]. Именно такие компактные источники, излучающие в режиме серии коротких импульсов при сравнительно низкой средней мощности лазерного поля оказываются перспективными для стыковки с волоконно -оптическими линиями и применения в интегральной оптике и системах оптической обработки информации.
Достижение субпикосекундного диапазона длительностей импульсов в реальных источниках лазерного излучения означает, что время формирования светового поля импульса сравнимо или меньше характерных времен срабатывания механизмов релаксации в активированных кристаллах. Очевидно, что уровень критичности динамических характеристик взаимодействия по отношению к проявлениям автомодуляционного уширения спектра при этом повышен, и продвижение в пико- и субпикосекундную области длительностей излучаемых импульсов, соизмеримых с временами фазовой релаксации лазерных сред, представляется особенно сложной задачей без понимания и детальной оценки влияния этого эффекта на кинетику когерентных процессов при однофотонном резонансе. Задача изучения динамического взаимодействия когерентных и нелинейных эффектов в ходе генерации и усиления приобретает значимость в связи с тем, что именно нелинейно - рефрактивные пассивные модулирующие устройства стали широко использоваться для получения сверхкоротких импульсов (СКИ).
В свете всего сказанного основные задачи исследования правомерно сформулировать так:
изучение последствий фазовой самомодуляции (ФСМ), стимулированной квазирезонансными компонентами нелинейной поляризуемости, в случае когерентного взаимодействия, т.е. когда в процессах энергообмена существенна инерционность поляризационного отклика инвертированной среды, характеризуемая временами поперечной релаксации Тг и Ті*;
изучение влияния неустойчивости фазовых характеристик поля в резонаторе на кинетику импульсного лазера с учетом пространственной модуляции инверсии интерференционным полем встречных волн одной частоты
(или световых волн одного направления, соответствующих соседним продольным модам);
- изучение автомодуляционных процессов в лазерах с внешней обратной связью: в любой из рассмотренных моделей учитывается внутрнрезона-торная интерференция - поле выходного излучения формируется как результат интерференции поля, усиленного в "активной" (содержащей усиливающую среду) части резонатора, с его отстроенной но фазе репликой из "пассивной" части резонатора (т.е. составляющей поля, совершившей за конечное время Г проход по внешнему резонатору).
Научная новизна результатов проведенного изучения динамических процессов излучения существенно характеризуется тем, что при формулировке уравнений, описывающих поведение лазерного поля в различных кинетических моделях, использовались представления обобщенной двухуровневой схемы взаимодействия светового поля с резонансной средой. Ко времени начала выполнения настоящих исследований, были известны, в основном, результаты изучения динамических лазерных моделей, учитывающих критичность их параметров к поперечному изменению показателя преломления активной среды из-за HP [7]. Особое место в исследованиях влияния ФСМ лазерного поля в пассивных элементах на параметры выходного излучения импульсных лазеров в последнее время занимают работы, посвященные теоретическому обоснованию методов аддитивной синхронизации мод в солитошюй трактовке возникновеши и развития этого режима [8].
В работе впервые проведено систематическое исследование влияния динамического автомодуляционного уширения спектральных линий, обусловленного нелинейной рефракцией светового поля в усиливающих средах, на процессы формирования временной структуры лазерного излучения. Существенно, что рассмотрены, в основном, критичные к изменению мгновенной частоты (фазочувствительные) динамические модели лазера.
В диссертации впервые;
предложены системы скоростных уравнений лазера с внешней обратной связью, положенные в основу расчетной модели лазера с автомодуляционным смещением частоты генерируемых мод;
исследована кинетика лазерных систем с учетом внутрирезонаторной интерференции и для реальных параметров определена возможность возникновения регулярных релшмов излучения (включая режим со структурой, соответсгаующей самосинхронизации мод) без использования дополнительных внешних устройств, модулирующих мощность пакачки или уровень потерь в резонаторе;
- определена роль автомодуляционных колебаний эффективного усиления в
нелинейно-рефрактивной среде ( результирующего усиления поля с учетом
создаваемой интерференционным полем встречных волн продольной
модуляции инверсной населенности) в формировании относительно
низкочастотной (релаксационной) структуры лазерного излучения;
- изучены закономерности возникновения автомодуляционной высоко
частотной структуры излучения в ходе генерации в лазерном резонаторе с
неустойчивой конфигурацией при учете самонаведенной линзовости в
усиливающем элементе из-за нелинейной рефракции;
- сделана оценка различия нелинейных характеристик резонансного
поглощения ( просветления ) слоя среды в пассивном затворе полем
бегущей световой волны и интерференционным световым полем встречных
волн одной из мод плоско - параллельного резонатора;
проанализированы последствия определяемого нелинейной рефракцией влияния авгомодуляционного уширения светового поля, на динамику и спектральное распределение излучения в условиях, когда характерное время его развития сравнимо или меньше времени фазовой релаксации поляризационного отклика среды;
на основе сформулированного осцилляторного уравнения для полярного угла вектора Блоха - одной из основных характеристик кинетики когерентного взаимодействия - изучены свойства его равновесных состояний; определены особенности решений, описывающих нутационные колебания интенсивности в условиях автомодуляциошюго уширения спектра поля и смещения резонансной частоты из-за оптического эффекта Штарка;
в рамках модели сверхтонкого слоя резонансных атомов, применявшейся в литературе при решении ряда задач нелинейной оптики, сформулированы условия наблюдения бистабильных и гистерезисных свойств нелинейно - рефрактивных пленок на основе слоев резонансно поляризующихся сред, изучены модуляционные свойства таких пленок в режиме когерентного взаимодействия со световым полем СКИ.
Положения, выносимые на защиту:
L. Эффект самопроизвольного импульсного пропускания в резонаторах лазеров со сложным отражателем возникает как следствие переключения добротности в ходе автомодуляционной частотной перестройки резонатора в процессе генерации и приводит к существенному уменьшению длительности излучаемых импульсов.
2 Автомодуляционные фазовые колебания лазерного поля, порождаемые нелинейной рефракцией в усиливающем элементе и стимулирующие периодическое изменение эффективного усиления или
величины потерь на излучение в резонаторах, могут быть причиной наблюдаемой регуляризации или дерегуляризации во временной релаксационной структуре интенсивности генерации лазеров на люминесцентных кристаллах.
Явление автомодуляционного уширения спектральной линии лазерного поля в условиях внутрирезонаторной интерференции определяет высокочастотную автоколебательную структуру излучения лазеров с внешней обратной связью. В зависимости от сочетания параметров накачки, среды и резонатора излучение таких лазеров при постоянном уровне накачки может характеризоваться хаотической или регулярной динамикой интенсивности, включая режим со структурой, присущей явлению самосинхронизации мод.
. Динамическое относительное фазовое рассогласование светового поля и отклика активной среды, развивающееся в условиях влияния квазирезонансных переходов на резонансную поляризуемость, определяет понижение контраста и увеличение частоты нутационных колебаний мощности излучения. Возникающее при этом различие интенсивности компонент (асимметрия) типичной для ряда эффектов когерентного взаимодействия дублетной структуры спектрального распределения светового поля зависит от величины автомодуляционного смещения несущих частот импульса.
Свойство оптической бистабильности и определяемый им гистерезис в отражении и пропускании тонкого слоя нелинейно - рефрак-тивной резонансной среды может обусловить временные осцилляции величины пропускания в режиме когерентного взаимодействия импульса с веществом. Следствием этой динамики является амплитудная автомоду-лядия проходящего сквозь активную пленку короткого лазерного импульса.
Научная и практическая ценность. Уровень и высокая детализация теоретических исследований нелинейных процессов излучения в твердотельных лазерах отражены в обзорах и монографиях [5,7,9-12]. Общепризнанным считается вывод о том, что нестационарный импульсный характер излучения лазеров обусловлен как различием констант релаксации в каналах накачки и генерации, так и неустойчивостью, высокой критичностью лазера к разного рода возмущениям его основных параметров, в том числе и возникающих под действием самого излучения, формируемого в резонаторе. Современное представлеігае о лазере как принципиально неравновесной осцилляторной физической модели в наиболее исчерпывающем варианте изложено в [12]. Развитие этой концепции, очевидно, нуждается в подробной трактовке возможных последствий
фазовой неустойчивости излучения, обусловленной влиянием квазирезонансных переходов на колебания рефракции поля в усиливающих средах, Во взаимодействии с другими нелинейными свойствами, характеризующими отклик среды, или в резонаторах с особой конструкцией следствия HP способны выступить принципиально дестабилизирующим фактором е лазерной системе и обусловить ряд интересных закономерностей е излучении.
На основании сказанного очевидно, что результаты их изучения имеют вполне определенную научную значимость, выявляя ряд ранее не обнаруженных свойств лазеров как существенно нелинейных объектов, Получена интерпретация некоторых автомодуляционных эффектов, реальне наблюдаемых в лазерном излучении и труднообъяснимых с позиции имевшихся представлений.
Совокупность результатов, полученных в диссертации, можне рассматривать как большое достижение в развитии актуального направления физики - нелинейной динамики оптических систем.
Ряд формулируемых в работе выводов фактически выступает в качестве обоснования возможности реального использования автомодуля-ционных свойств излучения - в этом состоит практический аспект значения работы. Так, расчетное моделирование генерации с учетом автомодуляционного уншрения спектра позволило предсказать существенное сокращение длительности моноимпульсов, излучаемых лазерами с активной модуляцией добротности в случае использования сложного отражателя. Качественный анализ динамической модели лазера с внешней обратной связью для параметров, соответствующих полупроводниковым средам, позволил, в сущности, обосновать возможность режима самосинхронизации мод - излучения регулярной серии СКИ - при постоянной накачке и установить границы его возникновения. Такой режим был реализован в лазере с внешним световолоконным резонатором в схеме, перспективной для применения в тактовых генераторах частоты. Разрешения проблем управления параметрами действительно можно достигнуть за счет автомодуляционных свойств излучения, не прибегая к использованию управляемых внешними электрическими сигналами модуляторов излучения. Для разработки лазерных источников на основе полупроводников, используемых в миниатюрных устройствах интегральной и волоконной оптики и стабильно излучающих субпикосекундные импульсы с требуемой высокой воспроизводимостью, такой подход оказывается, вероятно, единственно возможным из-за трудностей реализации электронных устройств со сверхвысокими скоростями переключения.
Изучение свойств тонких резонансно поляризующихся слоев нелинейно - рефрактивных сред, определение условий бистабилыюсти их пропускания в ходе взаимодействии с полем лазерных импульсов, интересно для разработки транспарантов для кратковременного хранения и обработки информации, для изготовления активных модулирующих покрытий в устройствах оптической электроники. Результаты изучения взаимодействия СКИ с активными материалами могут использоваться для нелинейной спектроскопической диагностики вещества, включая и слои на основе оптических полупроводников.
Экономическая значимость проведенного исследования состоит в том, что полученные на основе расчетного моделирования результаты дают возможность более обоснованно подойти к решению проблем оптимизации излучения твердотельных лазеров и тем самым позволяют при создании реальных лазеров избежать ряда часто дорогостоящих этапов предварительного физического макетирования.
Личный вклад. Содержание диссертации отражает личный вклад автора в исследования нелинейной динамики лазерных систем, заключающийся в выборе направления, разработке конкретных расчетно-теоретических моделей описания динамики генерации, их расчетном и качественном анализе и интерпретации результатов. В большинстве статей, опубликованных в соавторстве, теоретическая часть работы принадлежит автору (за исключением двух публикаций с Н.И.Кабаевъш - соавтором этой части работ), во многих статьях автору принадлежит также постановка задачи (совместно с научным консультантом В.И.Лебедевьш). Весь объем численного моделирования, выбор алгоритмов и схем, анализ их сходимости, компьютерное программирование расчетов, результаты которых приведены в работе, за исключением нескольких указанных по ходу изложения эпизодов, также принадлежит автору.
Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах в бывшем СССР и странах СНГ, в том числе на 7 и 8 Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Ташкент,1974 г.; ТбилисиД976 г.), / Всесоюзной и 7 Международной конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1977 г.; 1993 г., два доклада), 2 Всесоюзной конференции "Применение лазеров в приборостроении..." ( Москва, МВТУ, 1979 г.), 5 Всесоюзном совещании по нерезонансному взаимодействию (Ленинград, 1981 т.), 3 Всесоюзной конференции по вычислительной опто-электронике (Ереван, 1987 г.), 1 Всесоюзной конференции и 2 Международном симпозиуме по физическим принципам обработки информации (Ленинград,
1988 г.; Гродно, 1993 г.), 2 Всесоюзном семинаре "Оптическая бистабильность" (Минск, 1989г.), 4 Всесоюзном симпозиуме "Световое эхо" ( Самара, 1989 г.), Белорусско - Литовских семинарах "Лазеры и оптическая нелинейность" (Могилев, 1988г.; Минск, 1998г.,), 1, 2, 3 и 5 Международных семинарах "Нелинейные явления в сложных системах" (Новополоцк, 1992 г.,1993 г., 1994 г., Минск, 1996 г.), Межгосударственной научно-технической конференции по квантовой электронике (Минск, БГУ, 1996 г., два доклада), 2 Российско - Белорусском семинаре "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе" (Минск, 1997 г.), Международной математической конференции "Еругинские чтения-V" (Могилев, 1998 г., два доклада) и на ряде республиканских конференций.
Результаты работы получены при выполнении плановых НИР, в основном проведенных в русле государственных научных программ Оптика 2.45, Квант 14, Электроника 11; в 1992 - 93 гг. под руководством автора выполнялась НИР "Исследование влияния когерентных оптических процессов в нелинейных средах на формирование СКИ в лазерах" (Лазер 3.11).
Основные публикации. В целом, результаты диссертации публиковались в 49 работах, в том числе в 18 изданиях тезисов докладов и 27 статьях в сборниках и журналах бывшего СССР, России и Беларуси. В диссертации собраны и систематизированы материалы исследований, опубликованные в работах [14-42].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из вводной части, пяти глав, содержащих по несколько разделов, заключения и перечня использовшшых источников. Диссертация содержит 178 с. текста, а также 50 рисунков на 38 с. и список литературы из 216 названий на 14 с.
