Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время такие методы получения ультракоротких импульсов (УКИ) света в лазерах, как пассивная синхронизация мод (ПСМ), синхронная накачка, гибридная синхронизация мод (ГСМ), можно считать традиционными. Эти методы достаточно полно изучены как теоретически [1], так и экспериментально [2]. Определены их достоинства и недостатки, принципиальные возможности улучшения характеристик генерируемых импульсов. Более современные методы синхронизации мод (СМ), применяемые для генерации УКИ субпико-и фемтосекундных длительностей, основаны на использовании широкого класса нерезонансных оптических нелинейностей, таких, как нелинейность третьего порядка, либо оптический эффект Керра [3].
Вместе с тем, в последние годы продолжалась разработка таких вопросов, как управление формой цугов импульсов генерации твердотельных лазеров (ТЛ) с активной и пассивной СМ и применение в них многокомпонентных пассивных затворов для укорочения генерируемых импульсов. Необходимость управления формой цугов в ТЛ с СМ обусловлена их широким применением в качестве источников синхронной накачки перестраиваемых пико- и фемтосекундных лазеров, что требует существенно увеличивать длину цуга генерации ТЛ при стабильной энергии импульса и тем самым достигать выхода на стационарный режим в синхронно накачиваемом лазере. Для управления формой цуга сейчас используются активная и пассивная отрицательная обратная связь и так называемое динамическое управление добротностью резонатора [4], которые позволяют удлинить цуг генерации до нескольких тысяч импульсов и придать ему близкую к прямоугольной форму. К недостаткам подобных устройств можно отнести их техническую сложность.
Применение-многокомпонентных пассивных затворов (ПЗ) в твердотельных лазерах [5] обусловлено тем, что укорочение импульсов генерации требует использования ПЗ с малыми временами релаксации, но такие поглотители имеют высокие интенсивности насыщения и, значит, высокие пороги СМ. При использовании же в пассивном фильтре комбинации медленно- и быстрорелаксирующих поглотителей первые, обладающие малой интенсивностью
насыщения, эффективно действуют на начальной стадии переходного процесса, выделяя одиночный выброс из рассредоточенного по резонатору лазера излучения, а вторые формируют из него импульс предельно малой длительности.
Во многих публикациях, посвященных гибридной (комбинированной) синхронизации мод, отмечается появление при отрицательных расстройках баз резонаторов генерации и накачки сложной структуры у генерируемого импульса [6]. Но детально этот вопрос не разрабатывался, закономерности формирования внутренней структуры импульса и влияние ее на динамику генерации остались неизученными.
Целью диссертационной работы являлось изучение динамических режимов в лазерах на красителях и кристаллах с пассивной и гибридной синхронизацией мод с точки зрения выяснения возможностей эффективного управления характеристиками импульсов генерации и их цугов.
Исследования проводились методом численного эксперимента с помощью полуклассических моделей на основе уравнений Максвелла-Блоха. В качестве исходных данных использовались известные из эксперимента параметры кристалла HAT:Nd и органических красителей.
Научная новизна результатов
Предложены модели, использующие временное представление для описания режима ПСМ и ГСМ в лазерах с однородным уширением линии усиления.
Методом численного моделирования исследованы и качественно интерпретированы механизмы формирования внутренней многогорбой структуры импульса при пассивной и гибридной синхронизации мод в лазере на красителе, механизмы формирования ограниченного цуга импульсов при пассивной синхронизации мод в твердотельном лазере.
Исследовано влияние изменения параметров активных и пассивных внутрирезонаторных элементов при их совместном действии на характеристики импульса генерации в ЛК и характеристики цуга импульсов в ТЛ.
Впервые для управления длиной и формой цугов генерируемых импульсов в твердотельных лазерах предложено использовать многокомпонентную активно-пассивную среду. Исследованы
возможности этого метода.
Для осуществления режима периодической модуляции энергии импульса и профилирования импульса в лазере на красителе с пассивной синхронизацией мод предложено использовать активную многокомпонентную среду. Исследованы возможности данного метода модуляции.
Предложен метод модуляции энергии генерируемого импульса в лазере на красителе с гибридной синхронизацией мод, изучены особенности данного метода, его возможное применение для определения спектроскопических характеристик активной и пассивной внутрирезонаторных сред.
Научно- практическая значимость работы.
Лазеры на красителе в режиме ГСМ и ПСМ, а также твердотельные лазеры в режиме ПСМ широко используются при решении целого ряда фундаментальных и прикладных задач лазерной физики. Полученные результаты позволяют:
осуществлять управление формой огибающей цугов
импульсов генерации в твердотельном лазере с ПСМ;
осуществлять модуляцию энергии и управление формой импульса генерации в лазере на красителе с ПСМ;
интерпретировать результаты экспериментальных исследований лазера на красителе с ГСМ, осуществлять в такой системе модуляцию энергии импульса генерации и определять спектроскопические характеристики внутрирезонаторных нелинейных сред.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
-
Использование в непрерывно накачиваемом твердотельном лазере с ПСМ многокомпонентной активно-пассивной кристаллической среды с различающимися в несколько десятков раз энергиями насыщения компонентов позволяет получать цуги из нескольких десятков импульсов с линейным передним или задним фронтом огибающей цуга, либо с огибающей квазипрямоугольной формы.
-
Для лазера на красителе с пассивной синхронизацией мод, полученной с помощью малоинерционного затвора, использование многокомпонентной активной среды с различающимися в несколько раз энергиями насыщения компонентов позволяет осуществлять
периодическую модуляцию энергии импульса с глубиной в несколько десятков процентов и периодом 0.2-1 мкс, а также управление его формой.
3. В лазере на красителе с гибридной синхронизацией мод при выполнении трех условий: отрицательной расстройки баз резонаторов, малой инерционности затвора по сравнению с длительностью импульса накачки и сильного просветления затвора за счет различия в несколько раз характерных параметров насыщения затвора и усиливающей среды- импульс генерации приобретает нестационарную внутреннюю структуру, что вызывает периодическую модуляцию его энергии с глубиной до 30% и периодом, обратно пропорциональным расстройке баз резонаторов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы представлялись на Международной конференции "Nonlinear Dynamics in Optical Systems" (Альпбах, Австрия,1992) , на Международном семинаре "Нелинейная динамика оптических систем" (Саратов ,1993), на Международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении" (Саратов ,1997), на научных семинарах кафедры оптики СГУ. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, список которых приведен в конце автореферата. В работах, выполненных в соавторстве, автором проведена большая часть численных экспериментов. Совместно с соавторами осуществлены объяснение и интерпретация полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (158 наименований), содержит 17 рисунков и изложена на 137 страницах машинописного текста.
