Введение к работе
Актуальность темы. Одним из актуальных направлений лазерной физики является разработка и исследование *" новых режимов генерации лазерных импульсов, а также новых подходов к повышению эффективности взаимодействия оптических импульсов с веществом. Интерес к таким исследованиям обусловлен большой ролью, которую играют надежно работающие генераторы оптических импульсов различной частоты и длительности в экспериментальной лазерной физике. Здесь удачное решение позволяет существенно продвинуться в фундаментальных и прикладных экспериментальных исследованиях, наблюдать и выявить принципиально новые физические явления при взаимодействии лазерных импульсов со средой.
Так, генерация пикосекундных импульсов обеспечила закономерный прорыв в область предельных, фемтосекундных длительностей импульсов и в физику сверхсильных оптических полей. Одним из путей перехода к фемтосекундным импульсам являлся метод синхронной накачки лазеров ультракороткими импульсами (УКИ), который обеспечивал генерацию пикосекундных импульсов высокого оптического качества. Такие импульсы можно сжимать в волоконно-оптических компрессорах до фемтосекундных длительностей, усиливать и преобразовывать в ИК- и УФ-диапазоны. В некоторых случаях метод синхронной накачки применяется последовательно несколько раз и является единственно возможным для прямой генерации фемтосекундных импульсов в ближнем ИК-диапазоне в лазерах на центрах окраски и в параметрических генераторах света с синхронной накачкой.
Детальные исследования переходных процессов при генерации синхронно накачиваемых лазеров на растворах органических красителей (СНЛК), проведенные нами, значительно расширили возможности использования широко распространенных мощных пикосекундных твердотельных лазеров с пассивной синхронизацией мод для накачки СНЛК короткими цугами импульсов. Разработанный подход был обобщен на класс лазеров с инжекцией в резонатор стартового импульса. Теоретически и экспериментально обосновано, что применение для этих целей дополнительного сверхтонкого резонатора позволяет
предельно, до 2-3 проходов по резонатору, сократить время установления генерации импульсов в СНЛК и повысить стабильность их параметров.
Генерация импульсов в параметрических генераторах света (ПГС), перестраиваемых по частоте в рекордно широком диапазоне, и в настоящее время остается предметом исследования. Обнаруженная нами конкуренция параметрического усиления и процесса вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) резонаторной волны в самом кристалле ПГС, ограничивающая его мощность, и физический механизм подавления этого процесса были учтены впоследствии при разработке мощных ПГС для лазерной химии.
Среди других задач особое место занимает поиск оптимальных решений и способов генерации импульсов в лазерах для их применения в натурных экспериментах, а также в космических исследованиях атмосферы и поверхности планет, где дистанционные методы активного лазерного зондирования получают все большее распространение. Определяющими из них являются высокая надежность и эффективность, минимизация числа элементов, габаритно-массовых параметров и энергопотребления.
Перспективность применения лазера как уникального инструмента в космических исследованиях наиболее ярко была продемонстрирована при подготовке в 1985-1988 гг. первого российского лазерного масс-анализатора для дистанционного изучения изотопного состава поверхности спутника Марса Фобоса. Реализация режима активного зондирования с возбуждением приповерхностной плазмы с пролетной высоты до 100 м (не состоявшегося из-за потери связи с космическим аппаратом) стимулировала наши исследования по повышению эффективности взаимодействия лазерных импульсов с поверхностью для анализа ее элементного состава по эмиссионным спектрам возбуждаемой плазмы при наличии атмосферы.
С помощью специально разработанного лазера, генерирующего сдвоенные импульсы с перестраиваемым интервалом, нам удалось обнаружить эффект и исследовать механизм неаддитивного, многократного увеличения степени взаимодействия с поверхностью именно второго импульса в цуге при нормальных атмосферных условиях. Достигнутое повышение контраста эмиссионного спектра
плазмы при воздействии сдвоенных импульсов более чем на порядок повышает обнаружительную способность дистанционного анализа элементного состава поверхности конденсированных сред, в том числе поверхности планет, минералов, почв и растворов при наличии атмосферы.
Важное научное значение имеет решение задачи эффективного измерения трехмерного поля температур Мирового океана дистанционными методами. Предложенный и разработанный в диссертации новый подход проверен в схеме лидарного зондирования и может быть положен в основу нового автономного (без вмешательства исследователя в процесс измерения) физического метода дистанционного термометрирования водных сред флюоресцентным лидаром.
Новые возможности лидарного зондирования проявляются при разделении во времени энергии лазерного импульса на 1000 - 100 000 микроимпульсов. Это позволяет понизить его мощность в сечении пучка до уровня естественной освещенности и проводить зондирование среды обитания без увеличения лучевой нагрузки на нее. Такой подход к зондированию серией импульсов при статистическом режиме приема, когда вероятность регистрации сигнала всегда меньше единицы, позволил нам создать портативный аэрозольный лидар на диодном лазере и счетчике фотонов. Малое пиковое потребление, высокая эффективность диодных лазеров и компактность делает такие лидары перспективными и для исследования атмосферы других планет в дальних космических экспедициях. Прототип такого лидара, разработанного нами, был выбран и включен как прибор от России в состав научного комплекса будущей американской миссии к Марсу в 1998г. - "Mars Surveyor Lander-98".
В связи с важным научным и прикладным значением результаты исследований генерации лазерных импульсов, их взаимодействия с веществом при зондировании и преобразовании по частоте и длительности служат более глубокому пониманию проблем, возникающих в этой области. Успешное решение с их помощью фундаментальных и прикладных задач только подчеркивает их значимость в научных исследованиях и актуальность.
Цель настоящей работы состоит в изучении и разработке новых методов енерации пико- и наносекундных импульсов в неодимовых лазерах и лазерах на
красителях, синхронно накачиваемых коротким цугом пикосекундных импульсов на основе комплексного подхода к созданию лазерных систем, ориентированное на повышение их эффективности и надежности; на изучение с их помощьн процессов взаимодействия лазерных импульсов с веществом при возбуждениі лазерной плазмы, при комбинационном и аэрозольном рассеянии для и: применения в задачах зондирования конденсированных сред и атмосферы ні Земле и других планетах.
Научная новизна работы состоит в том, что:
1. Впервые экспериментально обнаружена раздельная генераци?
наносекундных импульсов на высших и низшей поперечной моде аксиальное
симметрии в твердотельном лазере на АИГ с пассивной модуляцией добротності
на кристалле LiF. Предложена и разработана модель такого лазера, проведено е<
численное исследование на основе уравнений для эволюции импульсов і
резонаторе лазера. Адекватность модели обоснована в физическогі
эксперименте. Впервые осуществлена генерация сдвоенных импульсов і
регулируемым до 100 не интервалом посредством изменения дифракционны:
потерь внутри резонатора без электрооптических элементов управления.
2. Впервые обнаружен и изучен физический механизм одновременно!
генерации нескольких (до 8-ми) импульсов в ПГС на кристалле йодата лития
перестройкой в области 630-3400 нм. Разработана теория ПГС, нагруженного н;
внутрирезонаторный процесс ВКР взаимодействующих волн при сильної
диссипации энергии параметрической волны в стоксовы компоненты. Найдені
условия подавления этого процесса, ограничивающего мощность ПГС. Измере
коэффициент ВКР-усиления на поляритонной моде (Q-820 см*1) в кристалл
ШОз, который составил величину {(1,1 ± 0,2)10"3МВт"1 см}. Впервы
экспериментально реализована схема нелинейной активной спектроскопи
гиперкомбинационного рассеяния света и исследована дисперсия кубическо
восприимчивости хлороформа с помощью данного ПГС в области обертон
("V~1620 нм) валентных С-Н колебаний.
-
Впервые в АИГ-лазере с пассивной синхронизацией мод осуществлен режим генерации высокочастотной серии цугов пикосекундных импульсов, следующих с частотой до 60 кГц в пачке за время вспышки лампы. В таком режиме генерации достигнуто повышение кпд. и средней мощности лазера не менее чем в 5 раз.
-
Разработана модель синхронно накачиваемого лазера на красителе (СНЛК) в приближении четырехуровневой схемы активной среды и нестационарной поляризации рабочего перехода, которая расширяет область существования решений, отсутствующих в других моделях, и адекватно предсказывает экспериментальные зависимости при накачке лазера коротким цугом пикосекундных импульсов с гауссовой огибающей. Экспериментально реализована генерация в СНЛК перестраиваемых по частоте спектрально-ограниченных пикосекундных импульсов. Осуществлено сжатие этих импульсов в волоконно-оптическом компрессоре до расчетных фемтосекундных длительностей, экспериментально подтвердившее высокое оптическое качество импульсов СНЛК, возбуждаемых коротким цугом с гауссовой огибающей.
5'. Предложен и экспериментально обоснован способ нелинейного, неаддитивного повышения контраста линий элементов мишени в эмиссионном спектре лазерной плазмы при ее возбуждении на поверхности мишени сдвоенными (с интервалом до 40 мкс) импульсами неодимового лазера при наличии атмосферы; экспериментально доказано, что именно второй импульс в цуге при воздействии на мишень дает эффект неаддитивного, многократного увеличения коэффициента ввода энергии.
6. Впервые экспериментально обнаружено явление температурного сдвига статистического центра симметричной огибающей, аппроксимирующей контур полосы .Qf3450 см"1 спонтанного КР излучения второй гармоники неодимового лазера на валентных О-Н колебаниях в воде по закону Cl = Cl^+kiC на оси частот с константой к= (1,0+0,1) см'УС; дано обоснование этого сдвига в рамках предложенной модели как фундаментальной зависимости, подобной газовым законам термодинамики; впервые обнаружены аномально резкие отклонения в виде "скачков" положения центра и полуширины огибающей в области
температур 4, 20, 36 и 76 С - экстремальных значений макроскопических параметров воды: плотности, поверхностного натяжения, изобарической теплоемкости и скорости звука, корреляция "скачков" с которыми интерпретирована как спектроскопическое проявление структурных изменений в воде.
На защиту выносятся:
1. Осуществленный в диссертации способ генерации сдвоенных
наносекундных импульсов с регулируемым в диапазоне 20-100 не интервалом без применения электроолтичеешх элементов управления резонатором в Nd:YAG лазере с пассивным модулятором добротности на кристалле фторида лития с центрами окраски.
-
Способ интеграции элементов резонатора пикосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод, в котором функции телескопа, поляризатора и спектрального фильтра объединены в одном элементе, позволивший повысить (не менее чем в 1,5 раза) стабильность параметров импульсов и реализовать новые режимы генерации, а именно: генерацию в Nd:YAG лазере с пассивной синхронизацией мод высокочастотных серий цугов (до 60 кГц за время вспышки лампы) пикосекундных импульсов, длительностью до 35 пс и энергией до 1 мДж, с 5-кратным повышением к.п.д. и средней мощности лазера, а также генерацию предельно коротких (до 3 импульсов) цугов с одновременным увеличением энергии импульса до 5 мДж.
-
Способ сокращения времени развития (до 2-А обходов резонатора) генерации, стабилизации параметров и управления длительностью спектрально-ограниченных пикосекундных импульсов в режиме жесткого, нестационарного возбуждения СНЛК коротким цугом импульсов, при размещении активной среды СНЛК в дополнительном сверхтонком резонаторе, толщина которого определяет длительность импульса, и просветляющейся поглощающей среды, отдельно от активной. При этом сохраняется высокое оптическое качество импульсов и возможность их сжатия до фемтосекундных длительностей в волоконно-оптическом компрессоре.
4. Метод одновременной генерации в параметрическом генераторе света на кристалле йодата лития до 8-ми коллинеарно распространяющихся импульсов с фиксированными и перестраиваемыми частотами при его накачке одним импульсом второй гармоники неодимового лазера.
„5. Способ дистанционного зондирования элементного состава конденсированной среды при нормальных атмосферных условиях на основе эффекта повышения контраста линий элементов мишени в эмиссионном спектре лазерной плазмы, возбуждаемой на поверхности сдвоенными наносекундными импульсами АИГ-лазера.
6. Способ дистанционного измерения температуры воды на основе
обнаруженного явления сдвига центра симметричной огибающей полосы
спонтанного КР на валентных О-Н колебаниях в воде, который аппроксимируется
линейной температурной зависимостью П = Q.0+ki"C на оси частот с константой
/f=(1,0±0,1)CM'1/C.
7. Метод и лидар для зондирования среды обитания, атмосферы планет и
других объектов с безопасным для глаз уровнем мощности, сравнимым или
меньшим естественной освещенности, когда вероятность регистрации сигнала
от зондирующего импульса всегда меньше единицы.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
1. Генерация в АИГ-лазере сдвоенных наносекундных импульсов с
регулируемым интервалом до 100 не позволила обнаружить эффект повышения
контраста эмиссионного спектра плазмы при ее возбуждении парными
импульсами. Режим генерации парных импульсов с управляемым без
электронных цепей интервалом может быть использован для решения и других
задач с двухимпульсным воздействием или применением техники пробного луча,
когда использование высоковольтных цепей и электрооптических элементов
управления лазером исключено или затруднительно из-за развития электрических
разрядов, например, в спектроаналитическом бортовом комплексе на Марсе.
2. Новая компоновочная схема резонатора пикосекундного неодимового
лазера с пассивной синхронизацией мод и повышенной интеграцией элементов
позволила предельно упростить резонатор и повысить его надежность. Экспериментально реализован новый режим генерации высокочастотной серии цугов импульсов с управляемой частотой повторения за время вспышки лампы, который повышает к.п.д. и среднюю мощность лазера в несколько раз (до 5), а также режим прямой генерации укороченных (до 3 импульсоа) цугов, который в несколько раз увеличивает интенсивность импульсов и позволяет уменьшить число каскадов усиления. Данная схема резонатора защищена авторским свидетельством.
-
Была создана лазерная система для генерации фемтосекундных импульсов, состоящая из задающего пикосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод и каскадов усилителей, удвоителя частоты и синхронно накачиваемого лазера на красителях, компрессора световых импульсов и последующих каскадов усиления сжатых импульсов, которые стробоскопически накачивались излучением второй гармоники пикосекундных импульсов, выделенных из цуга задающего лазера. На этой системе была отработана методика генерации фемтосекундных импульсов и усиления без заметного изменения их контраста. Получены импульсы длительностью до 600 фс, мощностью до 10 МВт с частотой повторения 10 Гц и перестройкой в области (600-650) нм. Данный подход был применен и получил дальнейшее развитие при разработке уникальной фемтосекундиои лазерной системы на красителях с синхронной накачкой с преобразованием излучения в ИК- и УФ-диапазоны для генерации сверхсильных световых полей.
-
Одновременная генерация в ПГС нескольких, излучаемых в одном направлении, импульсов на фиксированных и перестраиваемых частотах ВКР-компонент может быть использована как многочастотный источник для спектроскопии и зондирования в видимом и ближнем ИК-диапазоне, а разработанный аппарат анализа может быть применен для изучения параметрической генерации света с развитием других нелинейных процессов, например, удвоением частоты параметрической волны в самом кристалле ПГС. Обнаруженная конкуренция ВКР-усиления в кристалле ПГС, ограничивающая его мощность, и физический механизм ее подавления были учтены при разработке
мощных ПГС для лазерной химии. С помощью этого ПГС был экспериментально осуществлен метод поляризационной спектроскопии нелинейной оптической активности кристаллов и исследованы процессы генерации высших оптических гармоник в щелочных парах в условиях многофотонных резонансов.
-
Разработан метод нелинейного (более чем 10-кратного) увеличения контраста линий элементов мишени в спектре свечения плазмы в поле второго импульса при ее возбуждении сдвоенными импульсами АИГ-лазера с интервалом до 40 мкс при наличии атмосферы. Такой режим возбуждения плазмы повышает концентрацию атомов и ионов элементов мишени в поле второго импульса и обнаружительнуга способность дистанционного элементного анализа состава поверхности в естественных условиях, когда первый импульс очищает поверхность и снижает плотность газов к моменту прихода второго. В прикладных исследованиях дистанционного зондирования этот метод может быть применен с подвижной платформы, перемещающейся со скоростью, ' определяемой отношением размера сечения пучка на поверхности к интервалу между импульсами.
-
Обнаруженный эффект температурного сдвига центра огибающей контура полосы спонтанного КР на валентных О-Н колебаниях в воде проверен в схеме лидарного зондирования и может быть положен в основу нового автономного (без вмешательства исследователя в процесс измерения) физического метода дистанционного термометрирования водных сред, включая температурный профиль Мирового океана, для глобального мониторинга миграции энергии, переносимой его течениями, а также нового метода изучения зоды как физического объекта.
7. Разработан и испытан портативный (с массой до 1 кг и
энергопотреблением несколько Ватт) аэрозольный лидар обратного рассеяния на
диодном лазере и квантовом счетчике с безопасным уровнем излучения для
іспользования в экологическом мониторинге среды обитания и атмосферы.
Эбласть применения лидара продемонстрирована в натурных экспериментах по
юндированию дымовых шлейфов, облаков и аэрозольных образований, а также
іагрязнения поверхности акваторий. Как прибор Российской академии наук лидар
К)
прошел конкурс и включен в состав научного комплекса посадочного модуля в будущей миссии к Марсу в 1998г., которую готовит НАСА в США.
Личный вклад автора. Все результаты, включенные в диссертацию, получены лично автором или при его непосредственном участии и руководстве. Им был предложены механизм генерации сдвоенных импульсов в АИГ-лазере, а также новая схема резонатора пикосекундных лазеров и проведена их модификация с размещением нового кюветного узла. Параметрическая генерация света в условиях конкуренции с процессом ВКР изучалась совместно с А.И.Ковригиным, Б.В.Ждановым и А.И.Холодных, а исследование лазеров, синхронно накачиваемых короткими цугами пикосекундных импульсов, проводилось совместно с В.А.Нехаенко, А.А.Подшиваповым.
Лично автором была высказана и обоснована идея возбуждения плазмы сдвоенными импульсами, предложен и исследован механизм трансформации ее эмиссионного спектра, найдено решение для повышения чувствительности анализа элементного состава поверхности при дистанционном зондировании и повышения эффективности воздействия на поверхность. Эксперименты по взаимодействию с поверхностью цуга импульсов проводились при участии А.Ю.Бухарова, а по дистанционному зондированию атмосферы аэрозольным лидаром - при участии А.В.Бухарина. Здесь автором была сформулирована и обоснована идея компактного лидара на диодном лазере и квантовом счетчике, создан действующий его макет и при непосредственном участии автора проведены натурные эксперименты. Исследования по дистанционному термометрированию воды флюоресцентным лидаром проводились совместно с А.Ф.Бункиным, где автору принадлежит идея термодинамической модели для интерпретации обнаруженной зависимости температурного смещения статистического центра полосы спонтанного КР на валентных колебаниях О-Н в воде. Апробация работы и публикации
Основные материалы диссертации докладывались на 7 Всесоюзных и 8 международных конференциях: на VIII, XI и XIII Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике ( Тбилиси, 1976; Ереван, 1982 и Минск, 1988 ),
I Всесоюзной конференции по ВКР (Киев, 1975), Всесоюзных конференциях "Перестраиваемые по частоте лазеры - IV" (Новосибирск, 1983), VIII Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, июнь 1984), "Оптика лазеров" (Ленинград, 1987) и "Взаимодействие излучения с веществом" (Ленинград, 1988), III Международном симпозиуме по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (Минск, 1983), Международных конференциях CLEO-91 и SPIE в 1993, 1994, 1995, 1997 гг. ( США), Симпозиумах Европейского геофизического общества (Висбаден, 1993; Гамбург, 1995; Гаага, 1996), Международной конференции по подготовке миссии "ФОБОС" (ИКИ АН СССР, Москва, 1986) и на Международном семинаре по космическому научному приборостроению (ИКИ АН СССР, Москва, 1989), Международном симпозиуме об устойчивых органических соединениях в окружающей среде (Карлсруе, 1997). Ряд вошедших в работу материалов докладывался на научных семинарах физического факультета МГУ, физического факультета ВГУ, ЛИТМО, Софийского университета (НРБ), Пражского технического университета (Чехия), католического университета г. Рио де Жанейро (Бразилия), института физики Академии наук Беларуссии, на семинарах отделов 61 и 62 в ИКИ РАН, а также национальной лаборатории JPL (Jet Propulsion Laboratory) в США.
Материалы диссертации опубликованы в различных зарубежных и отечественных журналах и сборниках, в обзоре, 40 статьях, 25 тезисах докладов и трудов конференций, 6 заявках на изобретения. Основные результаты диссертации изложены в 50 публикациях, список которых приводится в.конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и цитированной литературы.
