Введение к работе
Актуальность проблемы. Первые квантовые генераторы были созданы на пучке молекул аммиака (А ~ 1 см) Н.Г.Басовым и Л.М.Прохоровым в ФИАН СССР [1] и Д.Гордоном, Х.Цайгсром и Ч.Таупсом в США [2]. Затем в работе 1955 г. И.Г.Басова и A.M.Прохорова [3] было показано, что. используя накачку, в квантовой системе с тремя, как минимум, энергетическими уровнями, можно получать усиление электромагнитного излучения. В работе [4] Л.М.Прохорова было предложено использовать открытый резонатор для создания обратной связи. Возможность генерации, усиления и индикации инфракрасного и оптического излучения с помощью квантовых систем была показана л I960 году в работе П.Г.Басова. О.Н.Крохина и Ю.М.Попова [5]. В том же году Т.Мейманом был создан первый лазер на рубине [6]. В первых же экспериментах проявились уникальные свойства лазеров — высокая мощность, яркость, направленность п монохроматичность излучения. С ростом энергетики лазеров актуальной стала задача улучшения качества генерируемых пучков. Начало активным исследованиям пространственных характеристик излучения лазеров положила работа Л.Фокса и Т.Ли [7], результаты многочисленных работ обобщены в обзорах и монографиях (см., например, монографии Л.А.Вайнштейпа [8] и Ю.А.Ананьева [9], обзор А.И.Ораевского [10], а также [11]). Настоящая работа относится к этому многоплановому научному направлению.
Данная диссертация посвящена теоретическому исследованию формирования и распространения пучков лазерного излучения в линейной и нелинейной средах установок и методов контроля за. пространственной структурой и поляризацией пучков.
Актуальность темы связана в первую очередь с тем, что решение рассматриваемой проблемы позволяет выработать рекомендации по формированию лазерных пучков с гладкими амплитудно-фазовыми распределениями и сохранению их при транспортировке электромагнитного излучения в мощных установках.
Источником возмущений поперечных распределений лазерных пучков является, в первую очередь, дифракция на ограничивающих диафрагмах. До настоящего времени она была исследована недостаточно, без учета дифракции на большие углы, являющейся на расстояниях меньше пли порядка нескольких диаметров диафрагмы причиной возникновения су-
щественных искажений в распределении поля.
При распространении в нелинейной среде активных элементов устг новок мелкомасштабные (по сравнению с диаметром пучка) возмущенп усиливаются за счет самофокусировки, что приводит к увеличению модл ляцтш лазерного пучка. Более того, во многих экспериментах наблюдают ся разрушения активных элементов, вызванные мелкомасштабной саме фокусировкой. Как деполяризация излучения при дифракции на диафраї мах, так и дефекты в активной среде приводят к образованию двумерны в поперечном сечении возмущений. Поэтому необходимо подробно иссле довать мелкомасштабную самофокусировку произвольных по амплитуд трехмерных возмущений.
Отметим, что достижение высокого качества лазерных пучков uktj ально как для мощных лазерных установок, так и лазеров, не обладак щих большой знергетикоіі. Например, для оптических параметрически генераторов именно использование шнрокоапертурпых пучков с мало: угловой расходимостью п высокой степенью поляризации [12] позволяв получить преобразование частоты лазерного излучения с высокой эффеь тивностью.
Целью работы является:
-
Теоретическое исследование дифракции плоской электромагнитно; волны па круглой идеально проводящей диафрагме при болынп углах дифракции и произвольном расстоянии до плоскости дне фрагмы.
-
Подробный анализ мелкомасштабной самофокусировки произволі ных трехмерных возмущений плоской волны, распространяющем в среде с квадратичной нелинейностью показателя преломления, н основе решения нелинейного параболического уравнения.
-
Теоретическое исследование "дифракционных" методов подавленії мелкомасштабных возмущений и деполяризации излучения в лазер ных пучках — черных (неотражающих) и мягких диафрагм, прс странственпых фильтров. Разработка одно линзового объектива коррекцией сферической аберрации. Исследование дифракции огрг ничейных бесселевых пучков, сравнение пх с гауссовыми и однорог ными пучками.
-
Анализ методов сохранения гладкой поперечной структуры лазерных пучков при распространении в нелинейной среде — подавления мелкомасштабной самофокусировки и расходящихся пучках, использования самосогласованных решений нелинейного параболического уравнения, не меняющихся при распростраііешш. Точное решение в случае малых возмущений для нахождения допустимого уровня интенсивности волны и коэффициента нелинейности.
-
Разработка нового метода получения инверсной населенности и устройства для его реализации — лазера на свободном разлете продуктов взрыва. Исследование расходимости соответствующего лазерного усилителя в случае, когда длительность импульса пзлуче-пия сравнима со временем формирования и релаксации оптических неодпородностей.
-
Анализ возможности применения диэлектрической коаксиальной линии для симметричного облучения мишеней.
-
Исследование зависимости спектрально-временной структуры электромагнитного импульса линейного излучателя от угла с его осью (угла дифракции).
-
Создание новой методики измерения коэффициента усиления в газовых лазерах со слабым усилением.
-
Теоретическое исследование гауссовых пучков высших типов в средах с поперечной неоднородностью коэффициента усиления и показателя преломления, в том числе волповодных пучков. Исследование модовой структуры лазера с плоским резонатором, заполиеном активной средой с поперечной неоднородностью.
впервые определена мелкомасштабная структура п деполяризация про-педшего круглую диафрагму электромагнитного излучения при большее углах дифракцип па произвольном расстоянии от диафрагмы (на існове физической теории дифракции). Решение получено как для пде-льно проводящей, так и абсолютно "черной" диафрагмы. Получены по-:ые выражения с угловыми зависимостями для составляющих дифра-ировавшего поля. Показано, что для абсолютно "черной" диафрагмы
по сравнению с диафрагмой из идеально проводящего материала пода вляется кроссполяризационная составляющая дифрагировавшего поля На основе преобразования Магги-Рабішовича в векторном приближенш Кирхгофа-Котлера получены новые выражения для составляющих пол. через контурные интегралы по кромке отверстия диафрагмы. Для дп фракции Кирхгофа (Кирхгофа-Котлера) показано, что при использова пии преобразования Маггп-Рабиновича время расчета на ЭВМ сокраща ется на порядок. Проведено сравнение результатов строгой теории, физи ческой теории дифракции и приближений Кирхгофа-Котлера, Кирхгофа Френеля, Фраунгофера. Получено решение задачи дифракции па боль шие углы плоской волны на "мягкой" диафрагме и для гауссова пучка аподпзированного диафрагмой с резким краем.
Разработана концепция и проведены расчеты эффективного свето сильного однолпнзового объектива с коррекцией аберраций. Впервые рас смотрены особенности дифракции ограниченных бесселевых пучков, про ведено сравнение с гауссовыми пучками и пучками с равномерным рас пределением амплитуды по апертуре.
Разработана новая методика решения нелинейного параболическое уравнения для произвольных трехмерных возмущений плоской волны і пучков. На ее основе исследована динамика в нелинейной среде трех мерных произвольных по величине возмущений плоской волны с гауссо вым начальным распределением амплитуды. Впервые цолучепо строго замкнутое решение трехмерной задачи о развитии малого амнлитудно фазового возмущения произвольного вида на фоне плоской волны в сред с квадратичной нелинейностью показателя преломления. Проведен ана лиз использования для подавления мелкомасштабной самофокусировки і управления самофокусировкой пучков со сферическим волновым фрон том. Найдены самосогласованные решения, соответствующие распро странешыо плоской волны с возмущениями в нелинейной среде без из менення амплитудного распределения, позволяющие, в частности, фор мировать локализованные "волноводные" пучки. Для малых самосогла сованных возмущений получены простые аналитические выражения ] двумерном, осесимметричном и трехмерном случаях.
Впервые предложен СО-лазер на свободном разлете смеси продукте] взрыва на основе решения газодинамической задачи с учетом колеба тельной кинетики. Обоснована возможность компенсации развивающих ся в активной среде в процессе возбуждения и генерации (или усиления
іптігіеских неоднородностей п существенного улучшения расходимости «лучения лазера (усилителя).
Предложено использовать медленные симметричные электрические магнитные) волны диэлектрической коаксиальной линии для однород-юго облучения мишеней.
Теоретически обнаружена зависимость спектрально-временной струк-"уры импульса электромагнитного излучения в пространстве без днепе-їсип от угла дифракции. Разработана методика исследования распро-траиенпя ЭМИ от линейного излучателя при произвольной нростран-твенно - временной зависимости тока источника.
Предложена новая методика определения коэффициента усиления га-овых смесей со слабым усилением.
Впервые найдены гауссовы пучки высших типов в среде с поперечной :араболпческой неоднородностью коэффициента усиления и показателя реломления. Найдены волноводные гауссовы пучки высших типов, со-раняющие поперечное распределение в такой среде. Показано, что до-олнптельные потери излучения, связапные с неоднородностью среды, озрастают с помером моды. В лазере с плоскими зеркалами и попереч-ой неоднородностью активной среды найдены собственные функции и астоты типов колебаний. На основе полноты системы функций волно-одных пучков впервые в общем впде решена задача распространения роизвольного пучка в активной среде с параболической неоднородно-гью.
[олученные в данной работе решения задач дифракции на большие углы озволяют оптимизировать параметры "мягких" диафрагм и простран-гвенных фильтров, использующихся для повышения качества раенро-граняющегося в лазерных установках излучения. Продемонстрирована фективпость "черной" диафрагмы для подавления деполяризации изучения при дифракции. Предложен альтерпатпвный метод создания све-осильных фокусирующих объективов, позволяющих получить распреде-ение поля в фокусе, близкое к идеальной линзе. Отказ от асферизацпи оверхпостей з'прощает изготовление объектива и делает его копкурен-оспособным с асферпкой. Получено авторское свидетельство на изобре-енис. Исследование бесселевых пучков представляет интерес для опре-еления пространственно-временных характеристик излучения лазеров
с неустойчивыми телескопическими резонаторами, лазеров с кольцевыми зеркалами, лазеров с кольцевой формой активной среды п т.п. Бесселевы пучки успешно применяются для создания рентгеновских лазеров [13].
На основе решения нелинейного параболического уравнения показана эффективность использования расходящихся пучков для подавления мелкомасштабной самофокусировки в лазерных установках. Найденные самосогласованные решения нелинейного параболического уравнения могут быть использованы для реализации локализованных в поперечном направлении полноводных пучков. Полученные результаты позволяют оптимально выбирать местоположение элементов оптического тракта для уменьшения возмущений осповиого пучка. Решенные в работе задачи дифракции на большие углы и трехмерной самофокусировки составляют основу для исследований транспортировки мощных частично-когерентпых пучков излучения в пелинейной активной среде твердотельных лазеров. Разработанные методики решения дифракционных задач и нелинейного параболического уравнения представляют самостоятельный интерес и могут быть использованы в других задачах оптики лазеров.
Предложен способ создания пнверсии на свободном разлете продуктов взрыва и схема его реализации, позволяющие создавать мощные, компактные лазеры. Проведенное теоретическое исследование позволяет приступить к созданию макета газодинамического взрывного лазера со свободным разлетом продуктов взрыва. В вакуумной камере объемом ~ 1 л«3, где поддерживается давление ~ 10~б атм, при разовом расходе взрывчатого вещества 2 -f 5 г можно достичь коэффициента усиления в активной среде до 10~2 см"1 и получить энергию генерации ~ 14-10 Дж. Получено авторское свидетельство на газодинамический взрывной лазер, который может быть использован для создания высокоэнергетичных импульсных источников когерентного излучения наземного и космического базирования.
Концентрация энергии медленных симметричных электрических и магнитных волн в диэлектрике и вблизи него, а также наличие частотной селекции по отношению к гибридным волнам позволяет использовать диэлектрическую коаксиальную линию для симметричного подвода излучения к мпшеып в задачах лазерпого термоядерного синтеза.
Строгое решение векторной задачи для электромагнитного импульса (ЭМИ) имело непосредственную практическую направленность и использовалось в длинноволновом диапазоне в задаче генерации ЭМИ пучком
электронов под ионосферой.
Предложен метод определения коэффициента усиления (КУ) газовых смесей, обладающий рядом преимуществ по сравнению с методом измерения КУ за проход и методом калиброванных потерь. В отлпчпе от первого метода, эффект накапливается за счет многократных проходов резонатора, что позволяет измерять малые КУ без использования слишком больших длин активной среды. В отлпчпе от второго метода не нужно достигать порога лазерной генерацпп, что расширяет область применимости и позволило измерить КУ сред, в которых генерация еще не получена.
Полнота найденной системы собственных функций в среде с "линзовой"' поперечной пеоднородностью коэффициента усиления может быть использована в различных задачах, в частности, позволяет с помощью теории возмущении исследовать изменение типов колебаний при деформациях активного резонатора. Результаты в аналитической форме значительно расширяют круг их дальнейших применений.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на Международной школе-семинаре "Высокотемпературная газодинамика, ударные трубы и ударные волны'' (Минск, 1983 г.), V и VI Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1986 ;i 1990 гг.), IX Вавпловской конференции по нелинейной оптике (Пово-лгбпрск, 1987 г.), Всесоюзной школе "Теоретические и прикладные проблемы вычислительной математики и математической физики" (Одесса, 1987 г.), XIII Международной конференции по когерентной и нелинейпой штике (Минск. 1988 г.), Международном симпозиуме "Коротковолновые газеры и их применения" (Самарканд, 1990 г.), XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995 \), семинарах лабораторий лазерной плазмы и отдела теоретической ра-шофизпкп ФИАН, отдела когерептпой и нелинейной оптики ИОФАН, кафедры пелпнейной оптики МГУ, семинаре по квантовой радиофизике под руководством академика Н.Г.Басова.
Публикации. По материалам диссертации опубликовало 27 научных эабот и книга в соавторстве с А.Ф.Сучковым, получено 2 авторских сви-гетельства на изобретения (еппсок приведен в конце автореферата).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из десяти мав (первая глава — введение), заключения и списка литературы. Содержит 278 страниц машинописного текста, включая 102 рисунка, список іспользованной литературы из 205 наименований.
Рис. 1: Дифракция плоской электромагнитной волны на круглой идеально проводящей диафрагме.
