Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время пикосекундные лазеры охватывают весь оптический диапазон спектра, имеют предел по длительности импульсов десятки фемтосекунд и позволяют концентрировать мощность излучения до 1019 Вт/см2. Энергия импульсов генерации таких лазеров в многокаскадных или регенеративных усилителях может быть увеличена до 10 Дж. В разработке и совершенствовании лазерных источников импульсов высокой мощности и малой длительности заинтересованы физика (например для исследований плазмы, быстропротекающих процессов в люминесценции и связанной с высоким временным разрешением спектроскопии, для применения в качестве источников накачки и задающих генераторов для лазеров на красителях и твердотельных лазеров), различные разделы химии, биологии и другие фундаментальные науки. Такие лазеры используются также в медицине (например, для офтальмологических и хирургических операций, в стоматологии). Существует множество предложений их использования в технологических процессах. Однако, реальное промышленное применение пикосекундных лазеров сдерживается рядом факторов. Прежде всего сложностью и громоздкостью существующих высокоэнергетических пикосекундных лазерных установок. Эти установки до сих пор функционируют только в лабораторных условиях.
Особый класс среди лазеров пикосекундного диапазона образуют лазеры с активной синхронизацией мод в силу управляемости, контролируемости и воспроизводимости характеристик их излучения. Однако энергетические характеристики таких лазеров-генераторов принципиально ограничены весьма малыми величинами - максимум 10~3 - Ю-2 Дж в отдельном импульсе. Радикальное увеличение энергии ультракоротких импульсов генерации (УКИ) и ряд других уникальных качеств при простоте конструкции (ненамного сложнее широко распространенных лазеров с мгновенным включением добротности) продемонстрировал лазер с мгновенным включением добротности и кратковременной периодической модуляцией потерь [Л1]. Принцип действия этого лазера заключается в осуществлении глубокой (100%) периодической модуляции потерь в течение короткого времени (несколько десятков обходов резонатора волной) после мгновенного (за время порядка аксиального периода) включения
добротности. Проведенные исследования некоторых характеристик излучения этого лазера обнаружили ряд его уникальных качеств: возможность генерации в относительно широком диапазоне расстроек межмодовой и модуляционной частот и широком диапазоне превышений порогового уровня по накачке, высокую воспроизводимость длительности импульсов, их энергии и периода следования, уникальную точность временной привязки импульса генерации к внешнему сигналу (порядка 1 не). Однако процесс генерации лазера с мгновенным включением добротности и кратковременной периодической модуляцией потерь изучен недостаточно. Это относится к динамике развития импульсов, зависимости параметров от расстройки, времени модуляции и к связанному с периодической модуляцией специфическому характеру спектров импульсов. Это одна из причин того, что перспективный для практики метод формирования высокоэнергетических импульсов пикосекундного диапазона пока не получил соответствующего распространения.
В силу быстропротекающих процессов в лазере с мгновенным включением добротности и краткощнгменнон периодической модуляцией потерь их экспериментальные исследования обычно трудоемки, относительно дорогостоящи и занимают продолжительное время. Задача существенно упрощается, если заменить физический эксперимент численным. В (Л2] была предпринята первая попытка численного моделирования генерации такого лазера, однако рад факторов, и среди них такой важный, как профиль линии усиления, учтен не был.
Для описания процесса генерации стационарных лазеров с периодической модуляцией потерь различными авторами разработано несколько аналитических моделей, приводящих к уравнению Шредингера для импульса в резонаторе [ЛЗ-Л5]. Решениями уравнения являются специальные волновые образования, названные супермодами. Модель супермод является наиболее информативной для анализа переходных процессов в лазерах с активной синхронизацией мод. Однако для анализа нестационарного режима генерации она до сих пор не применялась.
Целью работы является исследование методом численного моделирования динамики формирования ультракоротких импульсов в лазере с мгновенным включением добротности и кратковременной периодической модуляцией потерь с гауссовским профилем линии усиления на основе аналитического представ-
ления о супермодах в нестационарном режиме генерации - нестационарных супермодах .
Научная новизна результатов:
-
Впервые показано, что линейный этап генерации лазера с мгновенным включением добротности и кратковременной периодической модуляцией потерь описывается уравнением Шре-дингера. Найдено его решение в виде нестационарных супермод, динамика которых определяет динамику ультракоротких импульсов генерации этого лазера.
-
Разработана численная модель линейного и нелинейного этапов генерации лазера с мгновенным включением добротности и кратковременной периодической модуляцией потерь.
-
Получены зависимости-длительности, периода следования и энергии импульса от времени модуляции, усиления и расстройки межмодовой и модуляционной частот и определена зависимость воспроизводимости зтігх параметров от времени модуляции, усиления и расстройки.
-
Исследованы физические факторы, приводящие к нестабильности временного положения импульса относительно момента включения добротности в лазере с мгновенным включением добротности и кратковременной периодической модуляцией потерь. Определен физический предел точности временной привязки.
Достоверность результатов.
Достоверность результатов аналитической части исследования определяется использованием основанной на квазиклассической теории известной системы уравнений для описания некогерентного взаимодействия импульса излучения с резонансно усиливающей средой. Достоверность результатов численного моделирования обеспечивается тем, что в основу модели положены те же уравнения, а также совпадением основных результатов с результатами соответствующих физических экспериментов.
Практическая полезность работы.
Лазер с мгновенным включением добротности и кратковременной периодической модуляцией потерь является источником высокоэнергетических импульсов пикосекундной длительности, широкая область применений которых была описана выше. Полученные результаты позволяют:
- прогнозировать характеристики излучения лазера при заданных параметрах резонатора.
- определять параметры лазера, оптимальные для генерации импульсов с заданными характеристиками.
- на основе созданной численной модели осуществить автоматизацию лазера с мгновенным включением добротности и кратковременной периодической модуляцией потерь.
Основные положения, выносимые на зашиту:
1. В лазере с мгновенным включением добротности и
кратковременной периодической модуляцией потерь наблюдается
совпадение количества выбросов в огибающей интенсивности
импульса с количеством полос в его спектре мощности в случае
генерации отдельных супермод. Это связано с тем, что такой ла
зер генерирует нестационарные супермоды нулевого порядка и
выше.
-
Динамика развития импульса при малых расстройках частот модуляции потерь резонатора и межмодовои определяется селекцией низших нестационарных супермод. При этом высшие супермоды имеют преимущество в развитии за счет начальных условий, а низшие - за счет усиления. При больших расстройках происходит квазипериодическая смена нестационарных супермод в процессе генерации.
-
При малых расстройках модуляционной и межмодовои частот такой лазер обладает воспроизводимостью длительности и периода следования импульсов не ниже 95%.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на Нижне-Волжских региональных научных семинарах "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве" (Волгоград, 1988, 1989, 1991), на симпозиуме "Прикладная оптика-94" (Санкт-Петербург, 1994), на международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995), а также на научных семинарах лаборатории квантовой электроники Волгоградского госуниверситета, Института прикладной оптики НАН Украины, отдела квантовой электроники Института физики НАН Украины, отдела квантовой электроники НИИ Физики при СПбГУ и Российского центра лазерной физики (С.-Петербург).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 15 работ [1-15]. Из них 7 статей в журналах [7-9, 12, 13] и сборниках [1,5].
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (119 наименований), содержит 35 рисунков и изложена на 141 странице машинописного текста. Нумерация формул и рисунков двойная - первая цифра означает номер главы, вторая - порядковый номер формулы или рисунка в главе.
