Введение к работе
Актуальность тети. Развитие современной науки, техники и гехнологик неразрывно связано с применением мощных лазеров и інтенсивними исследованиями в области нелинейных оптических
ІБЛЄНЙЙ.
Излучение мощных лазеров, как правило, многомодово. Это ібі'тонтельство кокет существенным образом влиять на протека-ие практически всех процессов нелинейной оптики. Здесь по равнению с нелинейной оптикой одномодового излучения возни-ают дополнительные каналы обмена энергией за счет нелияейно-о взаимодействия между модами электромагнитной.волны в среде, арактер и особенности этого взаимодействия определяются ти-ом рассматриваемого нелинейно-оптического процесса..
Выделим несколько наиболее важных факторов, стимулирующих ^следование нелинейно-оптических.процессов в поле многомодю-эго лазерного излучения:
а) развитие теории нелинейно-оптических процессов в поле
югомодовых волн, в обпем случае некогерентных или частично
хгереитных, монет рассматриваться как следующий шаг после
)ГО, как построена теория, отвечающая случаю мояохроматичес-
[X волн с плоским фронтом;
б) преобразование частоты мощного лазерного излучения за
ет вынужденного рассеяния (ЗР) и параметрического смешения
'С) является одним и'з широко используемых и перспективных
тодов получения когерентного излучения в новых спектральных
ластях. Это в первую очередь относится к спектральным облас-
м дальнего Ж, дальнего ультрафиолетового и рентгеновского
апазонов, где отсутствуют надежные источники лазерного излу
пил;
в) потребности нелинейной адаптивной оптики, обращения
якового фронта (ОВФ) на основе ВР, ПС и резонансного усиле-
і (РУ), а тзкеє ВР-коррекции волнового фронта (ВР-КВФ) мяо-
юдового оптического излучения. Здесь актуально исследова-
і рассматриваемых процессов как в случае широкого углового, ; и широкого частотного спектров взаимодействующих волн;
г) нелинейные процессы конкуренции мод, имеющие место в
ібинационном и параметрическом генераторах света, а такке
в активном элементе лазера. Здесь на первый план выходят вопросы оптимизации, а также анализа новых перспективных режимов работы обсуждаемых систем;
д) конкуренция мод в нелинейно-оптических мультистабилыш:
системах,монет существенным образом изменить ре геймы работы
последних;
е) в последние годы новые возможности техники получения
интенсивных сверхкоротких импульсов оптического излучения суб
пикосекундной и фемтосекундной длительностей стимулировали
развитие теории ВР и ПУ кногомодового излучения в существенно
нестационарном режиме взаимодействия.
Материал, представленный в диссертации, можно условно раз делить на две части. В первой части рассматриваются процессы ВР и ПС мяогомодовых волн, обладающих широкими частотными и (пли) угловыми спектрами в полубесконечной нелинейной среде. Вторая часть посвящена исследованию влияния многомодовости волн на процессы ВР, ПС, РУ в пространственно ограниченных .'структурах с обратной связью: комбинационном, параметрическом и кзазиЕОлноводном усилителях-генераторах света.
Исторически развивались разные теоретические подходы к ре шекию задач о,ВР и ПС воля, модулированных во времени и (или) в пространстве.
В ряде единичных случаев модуляции волн специального вида удавалось получить аналитическое решение рассматриваемых задач в линейном режиме взаимодействия, например, в приблияенш заданного поля накачки.
Весьма.плодотворным для теоретического анализа проблемы ВР и ПС случайно модулированных волн явился стохастический подход. Этот подход, однако, наряду со значительными успехам! в объяснении экспериментальных тактов обладает рядом недоста' ков. В основе этого подхода обычно лежит предположение о том что возбукдающее нелинейный процесс излучение - стационарный гауссов шум. Применительно к процессам ВР и ПС излучение многоходового лазера можно считать гауссовым шумом в случае полной некоррелированности фаз мод при условии, что усиление создаваемое отдельной модой, мало (Ахманов С.А. - Изв.В^Зов. Радиофизика,1974). При этом вн-е области применимости стохастических методов остаются такие вакные экспериментальные
&
-a
^
^3
і
волноводного усилителя-генератора, в том числе с распределение обратной связью 1Р0С);
- исследованы эффекты конкуренции мод в комбинационном,
параметрическом и квазиволноводном усилителях-генераторах све
та (эффекты шшекции внешнего сигнала и захвата продольных и
поперечных мод, эффекты самодифракции, мультистабильные явле
ния).
Научная новизна. В диссертации получек;: следующие новые теоретические результаты по.ВКР, ПС, РУ к генерации многомодо-
Получено решение задачи о ВКР многомодовой накачки с широким частотным, а также частотно-угловым спектром в диспергирующей среде в линейном рекиме рассеяния, а также с учетом истощения накачки в режиме насыщения.
Обнаружен эффект интерференционного подавления ВКР и ПС и предсказана сильная зависимость эффективности этих процессої от фазовых соотношении мекду модами взаимодействующих волн.
Обнаружен эффект обратной перекачки мощности из мод сто} собой волны в моды накачки при ВКР многомодового излучения.
Показано, что при ВКР широкополосной накачки спектр стог совой волны точно воспроизводит спектр накачки только в случа< когда частотный интервал мевду модами волн превышает ширину лі няи ( спонтанного комбинированного рассеяния). В противном ел? чае точность воспроизведения нарушается вследствие влияния фо] мы линии комбинационно-активного перехода среды.
Проведено численное интегрирование полной системы уравні ний, описывающих ВКР и обнарунея осцилляционгай режим преобразования мощности накачки в существенно нестационарном режиме насыщения ВКР. Исследованы эффекты накопления нелинейной поляризации среды при ее возбуждении последовательность» импульсо] накачки, в том числе имеющей широкий угловой спектр.
Исследованы спектральные и энергетические характеристик] одно- и дзухрезонаторных параметрических'генераторах света (ПТС) при многомодовой накачке, в том числе в рекиме иннекции внешнего сигнала. Найдены условия получения узкой линии генерации при' широкополосной накачке.
Получено,-что частотный контур усиления стоксовой компоненты з поле неоднородного в поперечном сечении пучка накачки
ретерпевает существенные изменения по сравнению со случаем ространственно однородной накачки.
Проведено исследование С3'5 з поле поверхностных опорных олн на границе линейной и кубической нелинейно;! сред. Получен 'лТ:ект подавления обращенной или -"ренелевеки отраженной волны.
Предложена схема и развита теория дзухчастотного кзази-олноводного тонкослойного лазера (КТЛ) с простракетвєккїїм азделением и независимой перестройкой частоты в выходных ка-алах генерации. Развита теория КТЛ со светопндуцированной ОС.
- Исследована конкуренция параметрического процесса и БКР
нелинейном кристалле ПГС. Показано, что .такая система являет-
я ограничителем интенсивности электромагнитной волны, а также бладает временной неустойчивостью - при непрерывной накачке озможно получение генерации ПГС в виде дуга импульсов.
Показано, что в однорезонаторном ПГС возмогли мультиста-ильные ре «мы работы, не обладающие, однако, -гпстерезисным ха-актером.
Пол7чен э.^-т.ект захвата волнового вектора излучения инезк-;ги в комбинационный и квазизолнозодный генераторы.' Показано, го этот эгМект, как и конкуренция мод в данных активных нели-зйных системах имеет гистерезкеный характер.
Получены и интерпретированы эффекты сакоддтракции и ОВФ з шівном слое КТЛ.
Показано, что в интерферометре 5абри-Перо, заполненном эзонансной средой, возникает акплитудно-поляризационная глуль-істабильность.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертации теоре-іческие результаты стимулировали целый ряд экспериментов, осу-зстнлекных в ФІ'ТАН СССР, 'ЛУ, а такке в НИИ физики кондекеиро-шных сред БГУ (в настоящее время НПО "Лазерная техника")*, а ікке были подтверждены экспериментальными результатами, полу-
) Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в обсуядении экспериментальных результатов и их сравнении с теорией.
ченными в других научных центрах.
Полученные результаты имеют не только фундаментальное зна чение для понимания фізики процессов, имеющих место при ВР, П ГУ и генерации многомодовых воля, но и конкретные практически приложения.
Теория и результаты наших исследовании БКР и ПС широкополосной накачки на основе шіогомодовоп модели немонохроматичес кого излучения [I,2,3-S] легли в основу большого числа после дующих работ, посвященных дальнейшему анализу ВР и ПС широкополосной накачки, в том числе в таких вакных для приложений процессах, как ОВФ, ВКР - коррекция волнового фронта' (ВКР-ОВЗ и когерентное суммирование световых пучков, обладающих широк» частотным спектром. Теория ВР излучения с дискретним електрон, развивалась такне в работах Королева и сотрудников (Королев й А., Баскакова З.А., Одинцов В.И.. - Опт.и спектроск., 1975; Письма в лЗТф, 1976). Многомодовая модель излучения с широкі» угловым спектром для описания процессов ОВФ монохроматическое излучения использовалась Сидоровичем (Сидорович В.Г.-.ЕТФ,І9' Зельдовичем с сотрудниками (Зельдович Б.Я., Шкунов В.В. -.Кв< электрон.,1977),Еельдюгиным с сотрудниками (Бельдюгин И.М., ] лушкин М.Г., Земаков S.M., Каядросов В.И. - Квант.электрон., 1976) и Зубаревым с сотрудниками (Ефимков В.Г., Зубарев И.Г. Котов А.В., Миронов А.Б., Михайлов СИ. - Квант.электрон. ,1
Осцилляцконный режим ВКР - преобразования мощности, обн< рукенный впервые в наших работах [9,юЗв существенно нес таці парном режиме насыщения ВКР в пренебрежении движением населеї ностей перехода позволяет предлоксить метод получения световы: импульсов с длительностью меньшей времени поперечной релаксаі комбинационно-активной среды.' Этот эффект может играть также существенную роль при компреснії световых иыпульсоЕ на основе ВР. Осцилляцконный реким позднее исследовался в работе Элгин, ( Еі^іп, З.И.- ХР^.б.^ШЗ) и Горбунова (Горбунов В.А. Квант.электрон.,1982).
Практический интерес представляет способ получения перес раиваемого по частоте излучения со сверхкороткой длительност импульса на основе четырехволнового смешения опорной волны сверхкороткой длительности с фиксированной несущей частотой сигнальной волны со сравнительно большой длительностью импул
- 9 —
са, но с перестраиваемой частотой.
Теоретически;'! анализ работы ЇЇГС с широкополосной накачкой, в том числе с ин «секцией внешнего сигнала проведенный б наших работах [П-ТЗЗ позволил дать ряд практических рекомендаций для уменьшении ширины линии генерации ПГС без потери мощности.
В наших работах впервые била предложена схема КТЛ как миниатюрного источника дъухч.мстотн'яо .-.-г.ерного излучения с не- . -зависимой перестройкой частоты в выходных каналах генерации [ 14 1 . Дальнейшие исследования нелинейно-оптических процессов внутри активного слон способствовали созданию КТЛ с РОС. Эти исследования, проведенные в НПО " Лазерная техника" приведите созданию нового прибора квантовой электроники - перестраиваемого по частоте КТЛ на красителе с возможностью включения Crte-тоиндуцированной РОС.
Основные научные положения, знносямно на зашиту:
-
Построена общая теория БК? широкополосного многоходового излучения, в том числе с широким угловым спектром в диспергирующей среде как в линейном рекиме рассеяния, так и в режиме іасьнцения. Показана сильная зависимость эффективности ВНР и ПС дногомодовых волн от фазовых соотношений между комплексными амплитудами мод. Получен зффект иятерїеренционного подавления " ;KF и ПС волн в не диспергирующей, среде, в том числе с учетом рассеяния в антистоксову область частот. Получен эффект обрат- . їой перекачки моцностн из мод стоксовой компоненты в моды накачен. Показано, что точное воспроизведение спектра кирокополос-їой накачки спектром стоксовой волны имеет место только при-шстотном интервале между модами, превышающем ширину линии СКР.
-
Предсказан осцилляционнкй реним ВКР - преобразования гоїдкости, имеюпий место при насыщении з нестационарном рекиме JKP при постоянной разности населенностей комбннационно-актив-юго перехода среды.
Развита теория ОВФ сверхкоротких импульсов света в процес
ах ВКР и четырехволноЕОГо параметрического взаимодействия
МВПВ). Показана возможность дополнительного укорочения им-
іульса стоксовой компоненты с обращенным волновым фронтом в
іаЕИсимостя от интенсивности накачки и коэффициента корреляции
тловых мод накачки и стоксовой волны. |
В выроаденном режиме ЧВЇЇВ в схеме ОВФ показана возможност генерации излучения с волновым фронтом, обращенным относитель но сигнальной волны и длительностью импульса, регулируемой длительностью импульса попутно распространяющейся волны накач ки.
Исследован эффект накопления нелинейной поляризации при двухфотонном возбуждении среды световыми импульсами с интервалом следования меньшим или порядка времени поперечной релаксации.
-
Развита теория БКР излучения с широким частотно-угловы спектром в диспергирующей среде. Показано существование днух критических значений интенсивности, превышение наибольшего из которых интенсивностью накачки приводит к достижению когерені ного режима БКР, когда имеет место подавление влияния дисперсии среды на рассматриваемый процесс.
-
Проведен анализ работы одно- и двухрезонаторного ПГС (ОПГС и ДПГС) при многоходовой немонохроматической накачке в квазисташонарном и нестационарном режимах работы, в том чис; при иккекции внешнего сигнала. Найдены условия сужения линии генерации ПГС без потери к.п.д., а также исследованы форма импульсов генерации и импульсный порог ПГС.
Предсказаны эффекты ограничения интенсивности и временна) неустойчивость в ОПГС при возбуждении ВКР резонансной сигналі ной волны в нелинейном кристалле.
Предсказан эффект деформации частотного контура усиления Стоксовой волны при ВКР пространственно-неоднородного пучка накачки. При отракении электромагнитной волны от границы раздела между линейной и кубически нелинейной средами в схеме вырожденного ОВФ в поле поверхностных опорных волн получен эффект подавления обращенной или Френелевски отраженной воля
-
Предложена схема двухчастотного квазиволнозодного тон' кослойного ла.зера (КТЛ) и построена исчерпывающая теория мно гомодового квазиволноводного усилителя-генератора, в том чис ле со светопндуцированной РОС. Получены и исследованы эффект самодифракции и ОВФ в активной среде КТЛ. ,
-
Показано, что ОПГС представляет собой мультистабильну систему, не обладающую однако гистерезисом.
Исследованы конкуренция мод в комбинационном и квазиволн
- II -
водном усилителях-генераторах при инкекции внешнего сигнала. -Выявлен эТгг.скт захвата волнового вектора излучения генерации, кмєіоіііий бистабкльный характер и проявляющий гистерезис.
Предо."азана амплитудно-поляризационная мультистабельноеть в резонаторе ^абрм-Поро, заполненном резонансной средой.
Основные результати проведениях исследований мокло объеги- . нить и научном направлении, связанном с построением теории ВР, ПС, Р7 и генерацией многомодового оптического излучения.
Агтробанпя работы." Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: - УП, УШ, IX, XI и ХП Всесоюзных конференциях по ко- . герентной и'нелинейной оптике (Ташкент, 1974г.; Тбилиси,1976г.; Ленинград,1978г.; Ереван,1932г.; Москва, 1987г.);
IX Вавиловская конференция по нелинейной оптике (Новосибирск, 1937г.);
П Всесоюзном сопеш;::м по нелине/ному резонансно.'"/ преобразованию частоты лазерного излучения (Таїякеят, 1979г.);
Ш Всесоюзной конференции "Лазеры на основе сложных органических соединений и их применение" (Укгород, 1930г.);
Всесоюзной конференции "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (Хабаровск, 1931г.);
йзропейской оптической конференции (Польша, Радзина, 1983г.).
Материалы диссертации опубликованы в 63 научных статьях-, 5 препринтах и тезисах конференций и защищены 2 авторскими свидетельствами на.изобретение. Список .публикаций приведен в. конце автореферата.
Стгуктуга и объем диссертации. Диссертация состоит из предисловия, введения и 6 глаз основного текста. Она изложена на 46^ страницах, содержит 83 рисунка' и список цитируемой литературы, включающий 470 наименований.
Личный вклад автора. Содержание диссертации отражает личный вклад автора в развитие теории вынужденного комбинационного рассеяния, параметрического смешения, резонансного усиления и генерации многомодового излучения. Автору принадлежит выбор научного направления, постановка и решение задач, получение основных результатов и их интерпретация. Соавторк работ, во-
шедших в диссертацию, В.М.Арутшян и Ю.Е.Дьяков принимали участие в формировании "данного направления исследований на начальном этапе, а также в обсуждении результатов. Расчетная часть работ по резонансному преобразованию углового спектра волны и поляризационной мультистабилыюсти виполнена совместно с Э.Г. Каяецян и Г.Г.Адонц и по теории квазиволноводного усилителя-генератора с О.В.Багдасаряном. Часть работ выполнена совместно с учениками (Л.Л.Минасян, Г.В. Арутюняя, Г.Р.Саркисян, А.В. Месропян)
