Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время лазеры уверенно вошли в нашу повседневную жизнь С ними мы встречаемся почти на каждом шагу, очень часто и не подозревая об этом (лазерные проигрыватели, принтеры, компьютеры) Требования к параметрам лазерной генерации могут быть самыми разными, и одно из них - это стабильность характеристик излучения Серьезным препятствием на пути получения стабильного излучения твердотельных лазеров является их резонансная чувствительность к внешним возмущениям на частотах релаксационных колебаний Для таких лазеров характерно большое время релаксации инверсии населенности по сравнению с временем затухания поля в резонаторе, что приводит к появлению релаксационных колебаний {низкочастотных динамических мод), характеризующих поведение системы при возмущении стационарного состояния, и является предпосылкой его дестабилизации и развития нестационарных режимов генерации В связи с этим изучение релаксационных колебаний твердотельных лазеров, представляет существенный интерес при исследовании их динамического поведения, флуктуационных свойств и вопросов стабилизации параметров лазерного излучения.
Динамические характеристики многомодовых лазеров определяются не только соотношением релаксационных констант, но также и характером межмодового взаимодействия Существует два типа взаимодействий между лазерными модами в активной среде чисто энергетическое, через насыщение активной среды полями отдельных мод [1*-4*], и фазочувствительное, через рассеяние полей мод на индуцированных ими колебаниях инверсии В зависимости от степени превалирования того или иного типа взаимодействия реализуются различные системы низкочастотных динамических мод и различтле виды их связи с оптическими модами Примером проявления фазо-чувствительного взаимодействия является динамика двунаправленного кольцевого лазера [5*-7*] Его оптические моды - бегущие навстречу друг другу волны - вырождены по частоте и вследствие этого эффективно взаимодействуют через наведенную их совместным действием решетку инверсии В таких лазерах возможна реализация различных стационарных режимов, каждый из которых характеризуется своим набором релаксационных колебаний В этом случае нет однозначного соответствия между числом динамических и оптических мод, и связь между ними не прямая Так, режим квазиоднонаправленной генерации характеризуется тремя типами релаксационных колебаний Два из них обусловлены фазочувствителъным взаимодействием встречных волн и проявляют сильную зависимость от фазовой невзаимности резонатора разность частот этих релаксационных колебаний совпадает с фазовой невзаимностью, т е с разностью частот оптических мод
Кольцевому лазеру присущ еще один тип межмодового взаимодействия, не связанный с активной средой - линейная связь мод через обратное рассеяние на микроне-однородностях оптических элементов резонатора Если эта связь достаточно велика, то режим квазиоднонаправленной генерации становится неустойчивым, и устанавливается автомодуляционный режим квазисинусоидальных противофазных колебаний интенсивностей встречных волн В работах группы Н В Кравцова [5*-8*] и в наших работах [14, 23] было показано теоретически и экспериментально наличие двух типов релаксационных колебаний в этом режиме, которые ведут себя во многом аналогично релаксационным колебаниям квазиоднонаправленного режима Однако за фазовое взаимодействие в этом случае отвечает только одно релаксационное колебание, которое совместно с автомодуляционными колебаниями проявляет чувствительность к ч фазовой невзаимности резонатора Одним из важных в прикладном аспекте свойств '
С%
кольцевых лазеров является их чувствительность к невзаимным эффектам Измерение фазовой невзаимности и, в частности, вращения успешно осуществляется с помощью газовых лазеров Делается это методом сбивания встречных волн, которые имеют примерно равные амплитуды и разные, вследствие фазовой невзаимности, частоты Использование для этих целей твердотельных кольцевых лазеров затруднительно, главным образом, тем, что очень сложно организовать требуемый режим с не синхронизированными и близкими по амплитуде волнами Однако спектр релаксационных колебаний твердотельного лазера в различных динамических режимах содержит информацию о фазовой невзаимности резонатора либо разность частот, специфичных для кольцевого лазера в режиме бегущей волны, равна разности частот встречных мод [9*], либо частота автомодуляционных колебаний определенным образом зависит от скорости вращения резонатора лазера [5*-8*] В связи с этим вопросы извлечения этой информации по спектрам релаксационных колебаний в различных режимах требуют проведения дальнейших исследований
Поляризационная (векторная) степень свободы обеспечивает появление новых свойств, которые способствуют решению различных фундаментальных и прикладных задач В частности, изучение векторных лазеров привлекательно с точки зрения их потенциального применения в телекоммуникациях, создании оптических компьютеров, засекречивании данных передаваемых по волоконно-опическим линиям связи, спектроскопии, доплеровских измерителях скорости, виброметрии и т д С поляризационным типом межмодового взаимодействия Мы сталкиваемся при исследовании низкочастотной динамики волоконных лазеров В первых же работах П Глорье с сотрудниками, посвященных исследованию противофазной динамики ортогонально поляризованных мод волоконного лазера с резонатором типа Фабри-Перо, были обнаружены релаксационные колебания, отражающие взаимодействие всех оптических мод одной поляризации как целого со всей группой мод ортогональной поляризации [10*] В работах [11 *, 23] были обнаружены аналогичные поляризационные эффекты в Nd YAG лазерах с резонатором Фабри-Перо Наблюдаемая на эксперименте поляризационная динамика также требовала своего теоретического объяснения
Таким образом, многомодовые лазеры с инерционной активной средой проявляют нетривиальную связь низкочастотных динамических мод и оптических мод, обусловленную особенностями межмодового взаимодействия Эта связь делает указанные лазеры интересными объектами исследований в области нелинейной динамики и открывает возможности решения практически важных обратных задач, понимаемых как извлечение информации о параметрах лазера и отдельных внутрирезонаторных элементов по ею динамическому поведению
Цель работы
Целью диссертационной работы является исследование низкочастотной динамики многомодовых лазеров с инерционной активной средой и физических факторов, влияющих на конкурентное взаимодействие мод, в том числе
влияние неоднородного распределения ненасыщенного усиления на динамику многомодового твердотельного лазера с резонатором Фабри-Псро, изучение релаксационных колебаний многомодовых лазеров и способов воздействия на них,
исследование низкочастотной динамики биполяризаццонных твердотельных лазеров,
изучение эффекта взаимодействия релаксациошгых колебаний твердотельного кольцевого лазера в режиме бегущей волны и особенностей автомодуляционных режимов генерации,
исследование низкочастотной динамики полупроводниковых лазеров с кольцевым и линейным резонаторами
Научную новизну проделанной работы характеризуют следующие основные результаты
-
Обнаружен эффект исчезновения низкочастотных релаксационных колебаний при числе мод, превышающем некоторое критическое значение, зависящее от параметров многомодового твердотельного лазера с резонатором Фабри-Перо,
-
Предложен и экспериментально апробирован метод воздействия на релаксационные колебания многомодовых лазеров с помощью дифференциальной оптоэлек-тронной обратной связи,
-
Предложена и обоснована модель многомодового твердотельного лазера с произвольной неоднородностью накачки вдоль резонатора Фабри-Перо, хорошо описывающая экспериментальные данные,
-
Обнаружен эффект взаимодействия релаксационных колебаний твердотельного кольцевого лазера в режиме бегущей волны,
-
Показана взаимная связь релаксационных колебаний твердотельного кольцевого лазера в различных динамических режимах в режиме бегущей волны, в режиме квази-синусоидальных противофазных колебаний интенсивностей встречных волн и в режиме низкочастотных переключений направления генерации,
-
Экспериментально обнаружены новые типы релаксационных колебаний, проявляющиеся в противофазных осцилляциях интенсивностей ортогонально поляризованных мод биполяризационных лазеров с инерционной активной средой,
-
Предсказан теоретически и обнаружен экспериментально эффект поляризационной (угловой) анизотропии усиления наводимой в активной среде Nd YAG лазера линейно поляризованным излучением накачки
-
Экспериментально показано, что возникновение нестационарной генерации при внутрирезонаторном удвоении частоты в усчовиях фазового синхронизма 2-го рода происходит благодаря потери устойчивости на частоте одного из поляризационных релаксационных колебаний через бифуркацию Андронова-Хопфа
9) Предложена модель многомодового твердотельного лазера, адекватно описывающая низкочастотную динамику биполяризационного лазера с линейно поляризованной накачкой, включая внутрирезонаторное удвоение частоты
Научное и практическое значение диссертации
Важными с практической точки зрения являются вопросы повышения стабильности излучения лазеров, включая мощные многомодовые лазеры с внутрирезопаторным удвоением частоты Другая практически важная проблема — разработка методов извлечения информации о параметрах лазера и отдельных внутрирезонаторных элементов по его динамическому поведению - так называемые обрагные задачи динамики лазеров Для решения этих задач требуются новые идеи, основывающиеся на современных концепциях нелинейной динамики Ярким примером решения обратных задач динамики лазеров может служить возможность определения по низкочастотным релаксационным колебаниям твердотельного кольцевого лазера (ТКЛ), а также по частоте автомодуляционных колебаний и по интснсивностям встречных волн различных параметров резонансной системы (обратное рассеяние, ширину моды резонатора и его фазовую невзаимность) Большое значение имеет то, что эти параметры определяются в условиях генерации, поскольку в холодном резонаторе они могут иметь совершенно иные значения
Создание твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой позволило провести детальное исследование их поляризационных свойств В противоположность "скалярным" лазерам, в излучении которых все генерируемые моды имеют одинаковое фиксированное состояние поляризации, "векторные" лазеры позволяют эволюционировать своим поляризационным состояниям почти свободно, что значительно сказывается на их динамическом поведении Недавние исследования показали, что векторные лазеры могут демонстрировать сложную нелинейную динамику там, где в скалярных аналої ах она строго запрещена [12*] К тому же, поляризационная (векторная) степень свободы обеспечивает появление новых свойств, которые способствуют решению различных фундаментальных и прикладных задач В частности, изучение особенностей іенерации "векторных" лазеров привлекательно с точки зрения их потенциального применения в телекоммуникациях, создании оптических компьютеров, засекречивании данных, спектроскопии, доплеровских измерителях скорости, вибро-метрии [13*], оптико-микроволновых системах, и тд Все это показывает важность проблемы исследования влияния поляризационных (векторных) степеней свободы на динамику лазерной генерации [14*]
Положения, выносимые на защиту
-
При заданном наборе параметров твердотельного лазера (добротность резонатора, превышение над порогом) существует такое критическое число генерируемых мод, превышение которого приводит к исчезновению низкочастотных релаксационных колебаний и связанной с ними противофазной динамики
-
Дифференциальная оптоэлектронная обратная связь позволяет управлять степенью устойчивости стационарного многомодового режима генерации твердотельного лазера
-
Неоднородное распределение ненасыщенного усиления вдоль резонатора многомодового лазера с резонатором Фабри-Перо способно модифицировать как оптический спектр генерации лазера, так и спектр релаксационных колебаний
-
Линейная связь встречных волн, фазовая невзаимность резонатора и тонкая структура линии усиления оказывают ключевое влияние на динамическое поведение кольцевого лазера на алюмоиттриевом гранате с неодимом и на спектр релаксационных колебаний
-
Лазеры на изотропньк активных средах способны генерировать одновременно на ортогонально поляризованных модах, соотношением интенсивностей которых можно управлять ориентацией линейно поляризованной лазерной накачки
-
Биполяризационным лазерам с инерционной активной средой присущи противофазные релаксационные колебания, играющие важную роль в динамике лазеров с внутрирезонаторным удвоением частоты в условиях фазового синхронизма второго типа
Апробация работы. Диссертация выполнена в ИПФ РАН Ее результаты опубликованы в работах [1-37] (из них 28 статей в отечественных и зарубежных реферируемых журналах, 1 препринте ИПФ РАН, 8 статьях в сборниках трудов международных конференций) и 36 тезисах докладов на международных конференциях и симпозиумах
Представленные в диссертации научные результаты обсуждались на семинарах ИПФ РАН, научной сессии совета РАН по Нелинейной Динамике
Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях Всесоюзных конференциях "Оптика Лазеров", Ленинград (1987,1990), Международных конференциях "Оптика Лазеров", С Петербург (1995, 1998, 2000, 2003, 2006), Международных конференциях по Когерентной и Нелинейной Оптике (Минск 1988, Ленинград 1991, С Петербург 1995, Москва 1998, Минск 2001, С Петербург 2005), Международных Европейских конференциях по Лазерам и Электрооптике (CLEO/Europe) (Амстердам, 1994, Гамбург, 1996, Глазго, 1998, Ницца, 2000), Международных конференциях по Поляризационным Эффектам в Лазерах и Спектроскопии (PELS) (Торонто, 1997, Саутгемптон, 2000), Международной конференции "Progress in Nonlinear Science" (Нижний Новгород, 2002), Международном симпозиуме "Актуальные проблемы физики нелинейных волн" (NWP-2003), Нижний Новгород-Москва-Нижний Новгород, 2003, Российско-Немецком лазерном симпозиуме (RGLS-2005, Нижний Новгород, 2005), Международной конференции "Coherent Control of the Fundamental Processes in Optics and X-ray-Optics" (Нижний Новгород-Казань-Нижний Новгород, 2006)
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы
