Введение к работе
Актуальность темы обусловлена следующими факторами:
-Создание источников ВУФ излучения пикосекундной длительности методами нелинейно-оптического преобразовании частоты решает одну из основных задач квантовой электроники - проблему расширения диашиона генерации когерентного излучения для использования последнего в изучении различных нестационарных процессов.
-Сравнительный анализ полученных результатов по использованию различных НС в разных спектральных диапазонах позволяет проводить отбор и оптимизацию процесса, наиболее подходящего для генерации когереигного излучения на конкретной длине волны.
-Учет физических механизмов, сопровождающих процессы частотной конверсии, выявляет основные ограничивающие факторы, препятствующие эффективному преобразованию частоты в тех или иных средах.
Цель диссертационной работы
Вышеизложенное явилось основой, позволяющей очертить круг исследований и цели, преследуемые при этом. Общей целью работы явилось изучение физических процессов, протекающих при генерации когерентного УФ и, в особенности, ВУФ излучения пикосекундной длительности в процессах нелинейно-оптической генерации гармоник, суммарных частот и параметрической генерации света как на фиксированных частотах, так и при плавной перестройке длины волны в газах, ионах, плазме и кристаллах. Для решение этой задачи был рассмотрен следующий комплекс вопросов:
-Исследование физических механизмов оптимизации генерации гармоник излучения лазера на YAG:Nd и лазера на неодимовом стекле в ВУФ диапазоне в газах. Поиск возможностей генерации нечетных гармоник излучения (в условиях жесткой фокусировки) в газах с положительной дисперсией и анализ физических механизмов, обеспечивающих реализацию подобных процессов. Изучение особенностей плавной перестройки частоты лазерного излучения в диапазонах отрицательной дисперсии газообразных сред;
-Исследование генерации пикосекудного УФ излучения при нелинейно-оптическом преобразовании частоты я ионных пучках н протекающих при этом физических процессов. Изучение роли возбуждения ионных сред на рост их нелинейно-оптических воспринмчнвостей;
-Поиск условий оптимальной генерации в ВУФ диапазоне высших гармоник лазерного излучения в низкотемпературной плазме с использованием двухиучковой схемы. Изучение оптических и нелинейно-оптических характеристик плазмы в поле излучения с различной длительностью импульсов.
-Исследование процессов генерации плавно перестраиваемого пикосекундного УФ излучения в кристаллических генераторах гармоник, параметрических генераторах света (ПГС) и сумматорах частоты. Изучение механизмов и режимов временной компрессии пикосекундных импульсов в нелинейно - оптических процессах генерации второй гармоники в кристаллах KDP.
Совокупность полученных результатов позволяет решить научную нроблемму -
генерацию когерентного излучения пнкосекундной длительности в УФ и ВУФ
диапазонах. "*
Научные положения, выносимые на защиту .
-
Ионные пучки являются эффективной нелинейно-оптической средой для генерации коротковолнового излучения. Нелинейная восприимчивость ионных пучков возрастает на несколько порядков с ростом возбуждения среды. Это обусловлено созданием условия "квазнрезонанса" между частотой излучения и уровнями возбужденных нонов.
-
В средах с положительной дисперсией возможна фазово согласованная генерация гармоник сфокусированного излучения . Данный процесс обусловлен влиянием эффекта Керра на фазовые соотношения между волнами поляризации и гармоники. Характерной особенностью в этом случае является зависимость эффективности преобразования от интенсивности возбуждающего излучения (т) - W4) и давления среды (т) - Vі) (.отличная от генерації:- третьей гармоники (г) ~ W2) в средах с отрицательной дисперсией). В средах с отрицательной дисперсией эффект Кевра выступает в качестве зешчг.кчо фактора, огрэничнсазо^е-о эффективность преобразования частоты из.".у--іеічія пикосекундной длительности.
3. Использование длинных цугов импульсом гшкосекундноп длительности в двухпучковой схеме іпаимодсйсгини импульсов о плазмой ведет к созданию услсниш синхронной генерации высших гармоник лазерного излучения. Оптимальній задержка мс'.:;лу началами цугон возбуждающих и генерируемых импульсов определяется порядком гармоники и >ч нншимн фазової о согласования.
І. Процессы нелинейно-оптической временной компрессии » кристаллах при генерации второй гармоники импульсов излучения оптимизируются при шпенсивноемх, отличных ос ишенспвностей, при которых происходит максимальное преобразование.
Паучий» ношгнш.
-
впервые получена генерация гармоник в ионных пучках . Отмечена роль услодап' '"квазирезонанса" па рост нелинейной восприимчивости возбужденных ионных сред.
-
ЕЗнсрвые предложен и реализован метод возбуждения низкотемпературной плазмы и исследоиання ее . нелинейно-оптических свойств с использованием протяженного цуга импульсов от одного лазера. Показано, что при этом создаются оптимальные фазовые соотношения между волнами накачки и гармоники, когда часть импульсов эффективно преобразуется в высшие гармоники лазерного излучения. Получена генерация нечетных гармоник вплоть до одипнадцаюн (X - 96 им).
3. Впервые исследована генерация гармони:; в условиях жесткой фокусировки в
газообразных средах с положительной дисперсией. Показано, что эффект Керра,
выступающий основным ограничивающим фактором (Г|„1Ы "3 х 10") при генерации
гармоник в средах с отрицательной дисперсией, в данном случае обуславливает
реализацию режима синхронной генерации нечетных гармоник.
-
Впервые получен коэффициент усиления 108 лазерных импульсов длительностью 1,4 не и схеме "генератор пикосекуиднмх импульсов с отрицательной обратной связью - система чирпнрования - генератор-усилитель с модуляцией добротности - компрессор".
-
Впервые обнаружена зависимость между вынужденным и естественным перемешиванием смеси активного » буферного газов, а также стабильностью и иеличииой генерируемого БУФ излучения в процессах генерации гармоник.
Исследовано влияние олнорплностн мпкрообъема, » котором осуществляется процесс генерации гармоник, на отстройку от оптимальных фаговых соотношений между волновыми векторами излучения накачки н гармоники.'
Практическая значимость
1.Создан источник плавно перестраиваемого по частоте (338-366 нм) УФ излучения ішкосекундноіі длительности.
2.Реализован режим временной компрессии пнкосекундных импульсов л нелинейно-оптических процессах в длинных (4 см) кристаллах КДГ. Рост эффективности преобразования во вторую гармонику в условиях нелинейно -оптической компрессии сосгапил с 33 до 50 %.
З.Разрабатан источник мощного (1 МВт) излучения с А. = 11R.2 нм.
4.Со.чдан источник нлг.шю перестраиваемого В УФ никосскушигаго излучения із двух диапазонах оірнцаіельїюн дисперсии ксенона (113,5 - 117,0 нм н 117,6 - 119,2 нм).
5.Разработан лазер я» нсоднмовом фосфатном еггкле с іенсратовом с паспвнен синхронизацией мод и активной отрицательной обратной связью (длительность импульса 1,4 пс), предуси.ппелем (коэффициент усиления !98) с модуляцией добротности, и системой усиления с использованием техники чнрпнр-.зявння усиливаемых импульсо: ; последующей компрессией. Снсіема обеспечивала интенсивность сфокусированного излучения W = 10" Вт.'см* .
б.Предложен и реализован метод использования однородных ионных пучков, получаемых в жндкомегадлнческом источнике, в качестве іієлшієйііо-оіпнчсских сред.
7.Получена генерация нечетных гармоник ( ьдлоть до одиннадцатом гармоники излучения неодимового лазера, а. - 96 нм ) на плазме мишени,
-
Разработано устройство, позволяющее опре:<;ляіь автокорреляционную функцию импульсов лазерного излучения в диапазоне от дс.'.чй до единиц наносекунд и производить се экспресс-анализ с помощью ПЗС-линейки.
-
Показана возможность '.клюяьзечщшя ініропріем никоя- ятя чзмерення ояергнм пнкосекундных импульсов в НУ'!> дпднэзпце.
Достоверность результатов
Достоверность результатов подтверждается следующим:
Результаты по генерации ПУФ излучения в газах подтверждаются их непротиворечивостью с теоретическими положениями и результатами друшх авторов.
Выводы о значительном увеличении нелинейной восприимчивости ионных сред при их возбуждении соответствуют результатам теоретических и экспериментальных исследований , полученным другими шторами.
Результаты исследования нелинейно-оптических свойств плазмы коррелируют с исследованиями генерации гармоник ь низкотемпературной плазме, проведенными в других научных группах.
Личный вклад соискателя
Результаты, изложенные в диссертационной работе, получены лично соискателем. В печатных работах и докладах, выполненных в соавторстве, автору диссертации принадлежит постановка задачи, разработка методик, проведение всех экспериментов, обсуждение полученных результатов.
В диссертации для сравнения с экспериментальными результатами и полного и наглядного изложения исследуемых проблем приведены результаты теоретических расчетов влияния эффекта Керра па генерацию гармоник лазерного излучения в газах, а также представлены результаты расчетов нелинейных военриимчивостей ионов галлия, находящихся в различных возбужденных состояниях, выполненные И.А.Кулагиным.
Разработка лазерных установок и эксперименты проведены с коллективом сотрудников лаборатории взаимодействие лазерного излучения с веществом (В.В.Горбушин, С.Т.Худайберганов, Ф.Ш.Ганнханов, В.И.Редкоречев, А.В.Зиновьев, А.А.Гуламов, И.А.Бегишев, Ш.Р.Каманов) при консультации Т. Б. Усманова.
Апробация работы
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и представлены в материалах IX - XV Всесоюзных конференций по когерентной и нелинейной оптике
(Ленинград 1978, Киев 1980, Ереиан 1982, Москва 1985, Минск 1988, Ленинград 1991, С-Петербург 1995), на Всесоюзной конференции "Нелинейное резонансное преобразование частоты лазерного изнурении " (Ташкент 1979), Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград 1980, 1-984, 1993), Всесоюзном сочетании по резонансным нелинейным процессам в і азах (Дншюгорск 1986), Всесоюзной конференции "Применение лазеров п народном хозяйстве" (Шатура 1989), Школе-семинаре по оптическому и лазерному приборостроению (Минск 1985), Международной школе "Лазеры н их применение" (Саяногорок 1989), Всесоюзной конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва 1992). Международных конференциях "Лазеры-79" (Орландо 1979), "Лазеры-91" (Сан Диего 1991), "Лазеры и их применения" (Тегеран 1993), 6 Международной конференции по многофотоиным процессам (Квебек 1993), Международном симпозиуме "Оптика, Изображение, Оборудование" (Сан Хосе 1994), 5 и 6 Европейских конференциях по квантовой электронике (Амстердам 1994, Гамбург 1996), Международном симпозиуме "Оптическая наука, Конструирование и Приборы" (Сап Диего 1995), IX Международном симпозиуме "Сверхбыстрые процессы в спектроскопии" (Триест 1995), Международных симпозиумах "Photonics West' 96" (Сан Хосе 1996), "ICO-17" (Таэджун 1996).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 65 работах.
Объем и структура диссертации.
Похожие диссертации на Генерация лазерного излучения пикосекундной длительности в вакуумном ультрафиолетовом диапазоне
