Введение к работе
Актуальность темы.
Среди многообразия различных типов импульсных твердотельных лазеров генерирующие ультракороткие световые импульсы (УКИ)*' лазеры находят в настоящее время все более широкое применение во многих областях науки и техники. Современные лазеры позволяют генерировать УКИ во всем пикосекундном диапазоне длительностей, а с использованием методов их компрессии - и в фемтосекундном диапазоне. Но если применение фемтосекундньгх УКИ пока проблематично, то интерес к мощным лазерам субнаносекундно-го диапазона ( 0,1*1 не) связан с большими перспективами их использования в лазерной локации, в качестве источников накачки и управления другими лазерами, в волоконно-оптических линиях передачи, в исследованиях быстропроте-кающих процессов в химии, в физике (например, при исследовании нелинейных эффектов, свойств тонких пленок, процессов в плазме) и др. Большие возможности может дать их использование в медицине (например, в офтальмологии) и технологиях микроэлектроники (например, для тонкой обработки поверхностей, напыления тонких пленок и т.д. ). В перечисленных случаях высока потребность в лазерах с энергией УКИ в единицы джоулей и более.
Но существующие субнано- и пикосекундные лазеры имеют обший недостаток - они работают только в ограниченном диапазоне накачек, и как следствие этого УКИ обладают малой энергией. Использование многокаскадных усилителей из-за сложности их конструкции и потребности при эксплуатации высококвалифицированного персонала такой актуальной проблемы, как создание высокоэнергетических компактных лазерных источников для широкого практического использования не решают. Другая проблема - стабильность и воспроизводимость энергетических и временных параметров
*) Под УКИ подразумеваются импульсы с длительностями существенно меньшими, чем время обхода волной лазерного резонатора.
УКИ тоже обычно решается достаточно громоздкими способами. Поэтому дальнейшая разработка и исследование методов формирования высокоэнергетических УКИ, для которых стабильность режима генерации слабо зависела бы от изменения величины усиления, добротности резонатора, выбора активной среды и других параметров, до сих пор остается актуальной задачей.
Цель работы.
Кардинальное решение проблемы повышения выходной энергии лазеров пикосекундного диапазона было предложено ранее [Л1]. Оригинальный способ генерации субнано-секундных лазерных импульсов - метод мгновенного включения добротности с кратковременной периодической модуляцией потерь (КПМП), позволил осуществлять генерацию субна-носекундных импульсов с энергиями УКИ, достигающими энергии насыщения активной среды. Суть метода КПМП заключается в том, что после мгновенного включения добротности (как в режиме гигантского импульса) в резонаторе лазера осуществляется кратковременная (в течение нескольких десятков периодов обхода волной резонатора), но глубокая, практически 100%-ная резонансная электрооптическая периодическая модуляция потерь. Затем устанавливается максимальная для данного лазера добротность резонатора и УКИ свободно развивается, используя полностью инверсию насе-ленностей, накопленную в активном элементе. В [Л2,ЛЗ] были исследованы основные характеристики экспериментальной установки КПМП-лазера*) на рубине и предложена численная модель формирования УКИ в КПМП-лазере, основанная на развитии УКИ из начального спонтанного излучения под действием КПМП со 100%-ной глубиной.
*> Как в заглавий работы, так и далее по тексту термин "КПМП-лазер" следует понимать как экспериментальную установку соответствующего лазера с мгновенным включением добротности и кратковременной периодической модуляцией потерь, а не опытный или промышленный образец такого лазера.
Тем не менее до сих пор этот метод распространения не получил. Ситуацию можно объяснить, с одной стороны, недостаточной изученностью физического механизма формирования УКИ в таком лазере и прежде всего его зависимости от спектральных свойств активной среды. С другой стороны, отсутствием данных о возможности реализации метода КПМП на современных широко используемых активных средах.
Поэтому целью данной работы является, с одной стороны, дальнейшее путем систематических экспериментальных исследований изучение физики процессов формирования УКИ в КПМП- лазерах, накопление данных об их режиме генерации. С другой стороны - осуществление КПМП и исследование временных, спектральных и энергетических характеристик в лазерах на таких активных средах, как популярные алюминат иттрия с неодимом (AH:Nd3+) (имеющий сравнимую с рубином ширину линии усиления) и более широкополосная активная среда - неодимовое стекло.
Научная новизна работы определяется комплексом впервые полученных в ходе проведенных исследований результатов. При выполнении данной работы впервые осуществлен и исследован режим КПМП в лазерах на двух неодим-содержаших активных средах. Исследовано влияние на временные, спектральные и энергетические характеристики рубинового и на неодимовом стекле КПМП-лазеров разлтгчных параметров: уровней накачки и потерь в резонаторе, расстройки между частотой периодической модуляции потерь и межмодовой частотой, ширины полосы усиления, периодической частотной селекции. Найдены условия генерации одиночного УКИ в КПМП-лазере на AH:Nd3+ . Экспериментально исследованы возможности КПМП-лазера в отношении точности временной привязки УКИ к внешнему управляющему сигналу. На основе аналитической модели нестационарных супермод объяснена обнаруженная ранее в КПМП-лазерах регулярная модуляция интегрального спектра генерации и специфическая связь спектральных и временных характеристик излучения КПМП-лазеров.
Практическая значимость работы.
Показанная в работе присущая КПМП-лазеру высокая точность временной привязки УКИ к внешним процессам (не хуже 1 не) может существенно увеличить точность измерений при использовании КПМП-лазеров в дальномєтрии. Она важна в исследованиях быстропротекающих процессов, при формировании пикосекундных электрических импульсов за счет детектирования лазерных высокоэнергетических УКИ. Осуществление в КПМП-лазере на AH:Nd3+ генерации мощных одиночных УКИ позволяет создавать принципиально новые лазерные приборы, например, для дальномєтрии, зондирования атмосферы и др: без специальных схем выделения отдельных УКИ из цуга. Реализация режима КПМП в лазере на неодимовом стекле позволила почти на порядок уменьшить длительности УКИ в КПМП-лазерах относительно достигнутых до сих пор. Характерные для всех исследованных КПМП-лазеров высокие энергеттгческне характеристики (энергия УКИ ~1 Дж при длительностях менее 200 пс) в совокупности с простотой конструкции КПМП-лазеров позволяют ожидать применение таких лазеров в областях, где сейчас необходимы надежные лазерные инструменты пикосе-кундного диапазона с высокой выходной энергией. В данной работе в качестве объектов исследования были выбраны сейчас наиболее используемые на практике активные среды. Получен комплекс необходимых при ОКР физических данных по режиму генерации в этих типах КПМП-лазеров.
Достоверность результатов осуществленных в работе физических экспериментов определяется тем, что они получены на основе стандартных методик измерений временных, спектральных и энергетических характеристик излучения с учетом статистической обработки данных. Достоверность результатов экспериментов подтверждается также хорошим их согласием с соответствующими данными анализа и численного моделирования процесса генерации.
Защищаемые положения:
1. Впервые режим мгновенного включения добротности с глубокой кратковременной периодической модуля-
цией потерь осуществлен в активированных неодимом средах: алюминате иттрия и стекле. Показано, что КПМП-лазер способен генерировать одиночные пикосекундные УКИ.
-
Рубиновый КПМП-лазер генерирует импульсы, являющиеся нестационарными супермодами. Это проявляется в ступенчатом характере зависимости длительности УКИ от числа периодов модуляции потерь и периодической структуре спектров генеращш в эксперименте и приводит к совпадению их статистики с известной из численного эксперимента статистикой числа регулярных выбросов в УКИ.
-
Экспериментальными исследованиями установлено, что в КПМП-лазерах, несмотря на сильное невыполнение условия спектрально-ограниченного импульса, увеличение ширины линии усиления приводит к уменьшению длительности УКИ, которая при 16 см*1 может составлять -50 пс при ограничении энергии импульсов только оптической прочностью элементов установки, т.е. до единиц джоулей.
Апробация результатов.
Основные результаты работы докладывались на XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (С.-Петербург, 1995 г.), симпозиуме "Прикладная оп-тика-94" (С.-Петербург, 1994 г.), II+IV репюнальных научных семинарах "Применение лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве" (Волгоград, 1989 - 1991 гг.), Всесоюзном научном семинаре "Метрология лазерных измерительных систем" (Волгоград, 1991 г.), а также на научных семинарах лаборатории квантовой электроники Волгоградского госуниверситета, кафедры оптики Саратовского госуниверситета, отдела квантовой электроники НИИ Физики при СПбГУ, Российского центра лазерной физики (С.-Петербург), Института прикладной оптики НАН Украины и отдела квантовой электроники Института физики НАН Украины.
Результаты, представленные в диссертации, получены в ходе выполнения НИР по централизованным общесоюзным программам "Лазеры-1" и " Лазеры-2", республиканским программам "Лазеры и их новые приложения в народном хозяйстве и научных исследованиях" и ".Наукоёмкие технологии".
Публикации.
Материалы диссертации представлены в 15 научных публикациях, из них 4 статьи в журналах [l-s-З] и сборнике [11]. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 162 страницы машинописного текста, включая 39 рисунков и список литературы (134 наименования).
