Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время в практике физического эксперимента, а также в прикладных разработках с использованием лазерной техники всё большее распространение приобретают нелинейнооптические элементы, в основе действия которых лежат голографические принципы. Такими элементами являются голографические фильтры (направленные рассеиватели и спектральные светофильтры), голографическая память, пассивные и активные элементы РОС-лазеров, лазеры на динамических решётках, устройства обращения волнового фронта излучения на основе вынужденного рассеяния света и четырёхволнового взаимодействия, двухволновые динамические корректоры волнового фронта и др. устройства.
Широкое практическое использование элементов на основе объемных голограмм сдерживается, однако, недостаточной исследованностью эффективности преобразования излучения такими голограммами, понимаемой в широком смысле слова. Под эффективностью преобразования следует понимать не только дифракционную эффективность, но и степень искажения волновых фронтов в процессе преобразования, шумовые свойства, когерентность излучения, характер динамического поведения системы излучение-голограмма и т.д. Исследование указанных явлений актуально, поскольку представляет интерес как для теории трехмерных голограмм, так и для практики построения эффективных преобразователей и источников когерентного излучения.
Фундаментальные свойства трёхмерных голограмм, такие как угловая и спектральная селективность, отображающие свойства голограмм были определены в основополагающих работах И,2з. В данной работе впервые на основе использования модовой теории трёхмерных голограмм, разработанной в сЗ,4з, была развита теория дифракциоЕной эффективности объёмных, отражательных голограмм. Использование этой теории позволило описать генерацию волн объёмными отражательными голограммами, возникающими в активной лазерной среде за счёт механизма насыщения усиления," и, в частности, возможность самообращения волнового фронта когерентного излучения такими голограммами.
В период выполнения работы начали интенсивно развиваться исследования по преобразованию волн объемными динамическими голограммами с тепловым механизмом нелинейности с далью использования их для коррекции волновых фронтов лазерного излучения Э. В данной работе путём численного моделирования впервые был исследован вопрос о максимальной теоретически достижимой эффективности такого преобразования в средах с инерционным механизмом нелинейности. Кроме того была исследована эффективность двухволновой коррекции волны накачки, имеющей крупномасштабные амплитудно-фазовые неоднородности.
Ранее в работе їй была развита теория нелинейной селекции когерентных составляющих пространственно некогерентного излучения в процессе его преобразования объемными гиперзвуковыми голограммами, возникающими при ВРМБ. Вместе с тем были известны и обратные процессы ухудшения пространственной когерентности излучения, связанные с уширением угловой структуры излучения и его временного спектра. Систематических исследований структуры пространственно-когерентных мод (ІЖМ) излучения, возникающего при ВРМБ в различных условиях не проводилось. Не существовало и адекватных экспериментальных методов измерения числа пространственно-когерентных мод (ПКМ) некогерентного излучения. В рамках данной работы был развит метод исследования структуры ПКМ лазерного излучения, с помощью которого впервые была исследована структура пространственно-когерентных мод излучения лазеров с ВРМБ-зеркалами внутри резонатора, в излучении которых были обнаружены выделенные по энергии пространственно-когерентные составляющие. Была исследована также пространственная когерентность стоксова излучения при ВРМБ сфокусированных пучков.
Цель работы состояла в исследовании:
дифракционной эффективности преобразования лазерного излучения объемными голограммами (статическими и динамическими), создаваемыми излучением со сложной структурой углового спектра в различных условиях,
- характера и степени искажения волнового фронта излучения при двухволновой коррекции,
когерентности излучения, формируемого объемными динамическими голограммами, возникающими при ВРМБ в различных условиях, разработка новых методов измерения когерентности лазерного излучения.
- 5 -Научная новизна.
1. Развита теория дифракционной эффективности статических
объёмных отражательных голограмм, зарегистрированных когерентными
пучками со сложным угловым спектром.
2. Показана возможность генерации излучения объёмными
отражательными голограммами, зарегистрированными пучками со
сложным угловым спектром в усиливающей среде с насыщением , причём
волновые фронты генерируемых пучков являются обращёными по
отношению к записывающим.
3. Методом численного моделирования исследован вопрос о
максимальной достижимой дифракционной эффективности пропускающих и
отражательных динамических голограммах с инерционным (и, в
частности, тепловым) механизмом нелинейности. Численно определены
значения мгновенной и энергетической эффективности динамических
голограмм в различных условиях. Проведено сопоставление расчётов с
экспериментами.
-
Исследованы фазовые искажения волнового фронта усиленной волны, возникающие при двухволновой коррекции с использованием неоднородной по интенсивности волны накачки.
-
Экспериментально и теоретически разработан метод измерения числа пространственно-когерентных мод (ПКМ) лазерного излучения, являющегося мерой когерентности излучения.
8. Экспериментально исследованы параметры излучения лазеров различных типов с ВРМБ-зеркалом внутри резонатора и, в частности, структура пространственно-когерентных мод излучения.
7. На основе экспериментального исследования когерентности стоксова излучения, возникающего при ВРМБ длинных импульсов, определена природа шумовой составляющей стоксова излучения при ВРМБ сфокусированных пучков.
Практическая ценность работы.
Разработанные подходы и алгоритмы расчёта дифракционной эффективности динамических объёмных голограмм могут быть использованы при создании широкого класса устройств для управления пространственно-времзшоа структурой лазерного излучения.
Методы обращения волновых фронтов на основе записи объёмных
- 6 -усиливающих голограмм в активных средах твердотельных лазеров в настоящее время получают всё большее развитие в экспериментальной практике.
Исследование искажений волновых фронтов при двухволновои коррекции может быть использовано при создании источников мощного лазерного излучения с дифракционной расходимостью.
Метод исследования числа пространственно - когерентных мод указывает на возможность создания простых и универсальных устройств измерения пространственной когерентности лазерного излучения в широком диапазоне длительностей импульсов от единиц секунд до пикосекунд.
Исследования когерентности излучения лазерных источников показывают пути построения систем с высокой когерентностью лазерного излучения.
Защищаемые положения.
1. Дифракционная эффективность отражательных объёмных
амплитудно-фазовых голограмм, записанных встречными волнами со
сложной структурой углового спектра, описывается формулой:
к) - |? - V?z-r ct,h
- DitoE?; ким- числа угловых составляющих встречных волн с интенсивностями аг и ьг у каждой составляющей соответственно, D -коэффициент, пропорциональный чувствительности среды, Ц, фиктивная составляющая интенсивности, связанная с изменением среднего показателя преломления среда при обработке голограммы.
-
Объёмная отражательная голограмма, записанная сложными по своей угловой структуре световыми пучками в усиливающей среде за счёт механизма насыщения коэффициента усиления среды, генерирует пучки с волновыми фронтами, обращенными по отношению к записывающим, причём при возрастании во времени среднего коэффициента усиления в усиливающей среде, обусловленного действием накачки активной среды, моменты записи голограммы импульсным лазерным излучением и генерации волн могут быть разделены во времени.
-
Максимальная энергетическая эффективность преобразования
прямоугольных импульсов излучения пропускающими объемными динамическими голограммами с тепловым механизмом нелинейности достигает - 80Ж при следующих параметрах преобразования: длительность импульса т/т * 8 , s к 12 при соотношении пучков m =
100 И g = 15 При m = 1000 (ш = 0,xd -> О) В ПрибЛИЖеНИИ ОТСУТСТВИЯ
шумовых составляющих излучения.
В случае коротких длительностей импульсов (Т«т) энергетическая эффективность преобразования отражательными динамическими голограммами значительно выше, чем пропускающими, причём эффективность преобразования пропускающими голограммами при увеличении энергии накачки (о -><») насыщается на уровне т?-> 50%exp<-»d>, тогда как для отражательных голограмм г> -> І00Ж при любом значении поглощения «d.
Эффективность преобразования излучения мощной квазиплоской волны накачки, имеющей значительные неоднородности интенсивности в поперечном сечении, в плоскую световую волну при коррекции излучения отражательными динамическими голограммами значительно выше, чем пропускающими динамическими голограммами.
4. Измерение контраста и асимметрии статистического
распределения интенсивности спеклструктуры излучения, возникающего
при пропускании нестационарного волнового фронта поляризованного
лазерного излучения через мелкоструктурную фазовую рассеивающую
среду, не нарушающую поляризации излучения, позволяет определить
эффективное число пространственно-когерентных мод исходного
лазерного излучения.
-
Использование в резонаторе мощного твердотельного лазера с большим числом Френеля ВРМБ-зеркала приводит к повышению пространственной когерентности выходного излучения, связанному с генерацией 1-і- 2 выделенных по энергии пространственно-когерентных мод с большой угловой расходимостью излучения.
-
Необращённая (шумовая) составляющая стоксова излучения при ВИШ сфокусированного лазерного пучка в жидкостях при длительности импульса 754-150 не является пространственно некогерентной, а основным ее источником является усиленное излучение спонтанного рассеяния на тепловых флуктуациях плотности нелинейной среды.
Личный вклад автора.
Все представленные исследования и результаты выполнены лично
автором или при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации.
Похожие диссертации на Эффективность преобразования световых волн объемными динамическими голограммами
