Введение к работе
Актуальность темы. Проблема создания лазеров со стабильными характеристиками генерации относится к числу традиционных задач квантовой электроники. Для газовых лазеров эта проблема была решена достаточно быстро, тогда как специфика параметров и. в частности, особая чувствительность в области т.н. релаксационных колебаний определяют сложность ее решения для твердотельных лазеров. В первую очередь это относится к пичковому характеру генерации /I/. Выяснение механизма возбуждения пичков позволило снизить амплитудные флуктуации до естественного уровня, обусловленного спонтанным излучением. В тоже время вопросы неустойчивости спектра многомодовой генерации, известные уже давно /2/, остаются недостаточно изученными. Подобная неустойчивость проявляется в том. что в излучении отдельных мод возникают низкочастотные пульсации имеющие как регулярный, так и хаотический характер, в то время как суммарная интенсивность генерации остается относительно постоянной. Данное явление тесно связано с вопросами устойчивости режима самосинхронизации мод /3/, возможность которого определена комбинационным взаимодействием. Необходимо отметить, что одной из причин интереса к проблеме низкочастотной нестабильности опектра многомодовой генерации является также вопрос о предельной чувствительности методов внутрирезонаторной лазерной спектроскопии /4/. В рамках этого вопроса в работе /в/ была предпринята попытка учесть комбинационное взаимодействие мод при анализе динамики многомодового лазера на красителе. Однако источник возникающих пульсаций в излучении отдельных мод, характер потери устойчивости режимом самосинхронизации не были определены. Оставались открытыми также вопросы хаотизации излучения спектра многомодовой генерации, причины и пути возникновения хаотического поведения. Решение этих вопросов представляет также самостоятельный интерес, так как анализ динамических процессов спектра многомодовой генерации относится к классу задач нелинейной динамики систем с большим числом степеней свободы. изученных до настоящего времени
относительно слабо.
Другой важной задачей является проблема стабилизации выходного излучения твердотельного лазера при внутрирезонаторной
Генерации ВТОрОЙ ГарМОНИКИ (Т.Н. "green problem" /&).
Неустойчивый характер генерации проявляется в данном случае как в виде пульсаций интенсивностей отдельных мод. так и суммарной интенсивности генерации. Частота пульсаций близка к релаксационной частоте твердотельного лазера. Попытки решения "green problem" в рамках балансного подхода исключают возможность самосинхронизации мод. продемонстрированной в /5/. и не отражают всей совокупности экспериментальных результатов.
Определяющая роль комбинационного взаимодействия при самосинхронизации мод твердотельного лазера указывает на необходимость учета данного механизма при анализе устойчивости режимов стационарной генерации как в режиме генерации на основной частоте, так и в режиме внутрирезонаторной, генерации второй гармоники.
Все это создает предпосылки для детального изучения влияния комбинационного взаимодействия на стационарные и динамические процессы в многомодовом твердотельном лазере. ,Таким образом актуальность работы определена как прикладным значением исследования устойчивости стационарных режимов генерации, имеющим целью повышение амплитудной стабильности выходного излучения, так и фундаментальными вопросами нелинейной динамики систем с большим числом степеней свободы, природы возникновения и развития динамического хаоса.
Целью работы является исследование стационарных и динамических процессов в многомодовом твердотельном, лазере, включая случай внутрирезонаторной генерации второй гармоники. В круг рассматриваемых вопросов входят;
1. Устойчивость стационарной многомодовой генерации при учете
пространственной конкуренции мод и комбинационного взаимодействия.
Влияние неэквидистантности модовой структуры на характер потери
устойчивости.
2. Характер возникновения и пути развития автостохастических
процессов в многомодовом излучении при генерации на частоте
основной гармоники. Возможные особенности динамических процессов.
3. Устойчивость режима самосинхронизации мод при
внутрирезонаторной генерации второй гармоники. Поиск внутренних
истичников нарушения устойчивости.
4. Особенности динамических процессов при объединении двух
механизмов модового взаимодействия: нелинейного взаимодействия мод
при преобразовании излучения во вторую гармонику и комбинационного
взаимодействия мод. Детальное исследование возникновения
хаотического поведения излучения.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Показано, что неэквидистантность многомодового спектра генерации на частоте основной гармоники приводит к нарушению устойчивости режима стационарной генерации и жесткому возбуждению периодических пульсаций в интенсивностях отдельных мод на относительно низких частотах. Построены и проанализированы соответствующие бифуркационные кривые. Бифуркация возникновения периодических пульсаций носит седло-узловой характер или соответствует жесткой бифуркации Андронова-Хопфа.
-
Установлено. что пульсации інтенсивностей многомодовой генерации на основной частоте носят противофазный характер. Суммарная интенсивность генерации остается относительно постоянной. Продемонстрировано, что пульсации могут носить периодический, кратнопериодический и хаотический характер. Проведен расчет динамических характеристик хаотігческого режима генерации.
-
Показано.что неэквидистантность многомодового спектра при внутрирезонаторной генерации второй гармоники вызывает нарушение устойчивости стационарного режима и появление пульсаций близких к релаксационной'частоте. Пульсации проявляются как в интенсивностях отдельных мод. так и в суммарной интенсивности и носят нескомпенсированный характер.
4. Установлено, что характер пульсаций при внутрирезонаторной
многомодовой генерации второй гармоники в условиях'
не эквидистантности частотного спектра генерации отражает
нелинейное взаимодействие мод при преобразовании излучения во
вторую гармонику в виде быстрых биений несущей частоты и
комбинационное взаимодействие мод в виде медленной огибающей.
Показано.что квазипериодический характер колебаний разрушается с образованием странного аттрактора и переходом к режиму хаотических пульсаций. Продемонстрировано, что при переходе к хаосу возникает явление перемежаемости второго рода, связанное с неравномерностью прохождения траектории в окрестности седло-фокуса.
"Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследования роли комбинационного взаимодействия мод на стационарные и динамические характеристики твердотельного лазера могут быть использованы при разработке высокостабильных лазеров, работающих как в режиме генерации на основной частоте, так и в режиме генерации второй гармоники. Кроме того полученные в диссертации результаты могут быть использованы при анализе вопросов предельной чувствительности методов внутрирезонаторной лазерной спектроскопии.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на 2 Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград. 1986). 9 Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск. 1987). 2 Европейской конференции по квантовой электронике (Дрезден. 1989), 6 Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград. 1990), Международной конференции "Нелинейная динамика в оптических системах" (Афтон. США, 1990), 2 Всесоюзном совещании по нелинейным и когерентным эффектам во внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (Ленинград, 1991), 14 Международной конференции "Когерентная и нелинейная оптика" (Санкт-Петербург, 1991).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано девять работ, приведенных в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из
введения, четырех глав й заключения. Работа изложена на 128
страницах машинописного текста. Список литератур» содержит 123
наименования.
