Введение к работе
Актуальность темы.
В последние года оптические явления типа преобразования амплитудной модуляции в фазовую (АМ-ФМ) и наоборот (ФМ-АМ), широко применяются в физике сверхкороткого лазерного излучения. Так, формировавшаяся в 80-ые годы техника волоконно- оптической компрессии (ВОК) импульсного излучения, основанная на ФМ излучения в одаомодовом волоконном световоде (0BG) и AM в дисперсионной среде, позволяет довести значение коэффициента сжатия до ~10э и формировать импульсы с экстремально малой, для оптического диапазона длин волн, длительностью. Благодаря технике ВОК в принципе обеспечивается переход в фемтосекундную область длительностей.
Выявленный в 1991г. режим самосинхронизации мод в активном элементе А120з:Т13* (сапфир с титаном) также основан на временной и пространственной ФМ излучения в активном элементе с последующей временной AM в дисперсионной линии задержки (ДЛЗ). Открытие этого режима обеспечивает возможность прямой генерации сверхкоротких импульсов (СКИ) фемтосекундной длительности и практически решает задачу формирования СКИ в новом временном масштабе.
Переход в новый временной диапазон приводит к появлению новых физических и технических задач, направленных на разработку систем сверхбыстрого управления и регистрации со сверхвысокой временной разрешимостью. В связи с этим, исследования процессов самомодуляции (СМ) и кроссмодуляции (КМ) СКИ входят в новый этап развития.
В настоящее время успехи лазерной техники в области генерации СКИ неоспоримы. Существенно продвинуты и исследования, направленные на контроль и регистрацию параметров СКИ. Вместе с тем, при всем многообразии исследований в данных областьях, возникает ряд важных нерешенных вопросов. Кратко остановимся на них.
Техника ВОК позволяет перекрыть весь пико- фемтосекундный диапазон длительностей СКИ. Для сжатия чирпированных в нелинейной среде СКИ используются ДЛЗ на основе дифракционных решеток и призм, паров металлов с резонансом вблизи линии
излучения, интерферометра Фабри-Перо, кристаллов с нелинейной дисперсией и т.д. Несмотря на обилие разновидностей таких устройств, область групповых задержек в оптическом диапазоне длин волн практически ограничивается значениями At^lOnc, что в свою очередь ограничивает возможности методов регистрации параметров СКИ и управления ими, основанных на процессах типа АМ-ФМ/ФМ-АМ конверсии.
В многочисленных исследованиях по управлению параметров СКИ широко обсуждаются проблемы управления длительностью и мощностью СКИ, стабилизации излучения. Между тем, слабо освещены вопросы контроля и управления спектральных характеристик СКИ. В исследованиях по фазовой само- и кроссмодуляции излучения практически не изучено поведение лазерных СКИ с начальным чирпом.
В исследованиях процесса взаимодействия излучения с веществом важным параметром СКИ является его временная форма. Несмотря на обилие нелинейно- оптических методов определения формы СКИ, нерешенной остается проблема прямой регистрации временного профиля одиночного СКИ малой длительности.
Сформулированные выше нерешенные вопросы определили тему данной диссертационной работы, включающий в себя ряд актуальных задач:
1. Исследование возможностей управления длительностью и
формой СКИ в линейных оптических системах.
2. Исследование специфики процессов само- и кроссмодуляции
СКИ с исходным отрицательным чирпом- в средах с керровской
нелинейностью.
3. Исследование возможностей реализации Фурье
преобразования о помощью оптических процессов типа АМ-ФМ/ФМ-АМ
конверсии.
Основным методом исследований является физический эксперимент. Для интерпретации результатов проводятся сравнения с численными и теоретическими исследованиями, проведенными в лаборатории кафедры квантовой электроники ЕГУ соавторами П.4,10,12].
Целью диссертационной работы является:
1. Исследование процессов дисперсии и дифракции СКИ для
создания линейно-оптических систем формирования импульсов заданной длительности, формы и фазы (чирпа). Разработка соответствующих лабораторных систем в суопаносекундной области длительностей СКИ.
2. Экспериментальные исследования процесса фазовой
самомодуляции чирпированного излучения в ОВС, направленные на
выявление возможностей управления спектральными характеристи
ками СКИ: экспериментальные исследования процесса сужения
спектра пикосекундного излучения- Создание лабораторного
варианта спектрального компрессора.
3. Теоретический анализ и экспериментальные исследования
процесса фазовой кроссмодуляции СКИ в нелинейной среде
керровского типа, направленные на разработку методов
регистрации временных параметров излучения со сверхвысоким
разрешением.
4. Теоретические и экспериментальные исследования
возможностей частотной перестройки излучения в процессе
спектральной компрессии.
Научная новизна.
1. Проведены первые экспериментальные исследования
процесса спектральной компрессии пикосекундных импульсов.
Продемонстрировано явление сжатия спектра СКИ второй гармоники
пикосекундного YAG:Nd лазера с пассивной синхронизацией мод.
Выявлено важное характерное свойство спектральной компрессии,
состоящее в селекции СКИ с оптимальным для процесса значением
пиковой интенсивности среди группы импульсов. Показано, что
увеличение средней интенсивности излучения ансамбля СКИ
приводит к насыщению значения степени сжатия.
-
Проведен анализ процесса спектральной крмпрессии с помощью фазовой КМ (ФКМ) исследуемого излучения в поле опорного излучения. На основе анализа, экспериментально продемонстрирован режим ФКМ спектрального компрессора, при котором поле входного излучения воспроизводится Фурье-образом выхода: осуществляется нелинейно- оптический процесс Фурье- преобразования.
-
На основе проведенных исследований, экспериментально продемонстрирована перестройка линии излучения исследуемых СКИ в спектральном компрессоре при ФКМ, в зависимости от временного
- б -
смещения исследуемых СКИ по отношению с опорными СКИ.
Практическая ценность работы.
Проведенные в диссертационной работе исследования расширяют возможности техники управления и регистрации параметров СКИ. Предложенные дисперсионные линейные среды могут быть использованы для получения импульсов заданной длительности в области сотен пикосекунд.
Предложенный спектральный компрессор может применяться в различных лазерных системах с целью управления и стабилизации спектральных характеристик СКИ. Выработаны практические рекомендации для оптимизации процесса спектральной компрессии.
Предложенный ФКМ спектральный компрессор может применяться для прямой регистрации временной формы СКИ. Независимость интенсивности волны накачки от параметров исследуемых СКИ позволяет регистрировать слабые оптические сигналы, сильно деформированные вследствие взаимодействия с веществом.
Возможность тонкой частотной перестройки спектральной линии излучения в ФКМ спектральном компрессоре может быть использована в исследованиях резонансного взаимодействия излучения с веществом.
Защищаемые положения.
-
Созданы линейные оптические системы для формирования импульсов заданной длительности в пико- субнаносекундном диапазоне, на основе процессов дифракции и дисперсии СКИ. Экспериментально получено удлинение в указанном диапазоне длительностей СКИ второй гармоники излучения пикосекундного УАС:Ш-лазера. '
-
На базе обычных устройств БОК - ДЛЗ и ОВС, создана система спектральной компрессии пикосекундных СКИ. Продемонстрировано явление спектрального сжатия СКИ второй гармоники излучения пикосекундного УАС:Ш-лазера с пассивной синхронизацией мод. Выявлено характерное свойство спектральной компрессии, состоящее в "селекции" СКИ с оптимальным для процесса значением пиковой интенсивности среди группы таковых.
-
На основе анализа процесса спектральной компрессии выявлен ее специальный режим, при котором поле входного
- г -
излучения воспроизводится Фурье-образом выхода и, таким образом, имеет место нелинейно- оптический процесс Фурье-преооразовашя: спектральные распределения интенсивности выходного излучения повторяют временные распределения интенсивности входного поля.
4. Предложена и апробирована модифицированная схема спектрального компрессора, где гашение чирпа, приобретенного сигнальной волной в ДДЗ, происходит путем ФКМ в ОВС (ФКМ спектральный компрессор). Экспериментально продемонстрировано явление репродукции временной огибающей специально формированных двухпиковых импульсов второй гармоники излучения пикосекундного УАС:Ш-лазера в ФКМ - спектральном компрессоре. Экспериментально получено смещение спектральной линии излучения исследуемой волны в процессе ФКМ, при временной задержке между исследуемым и опорным импульсами.
Апробация.
Результаты работы докладывались на конференции по лазерной физике и нелинейной оптшш (Аштарак, Армения 1994г.), на 13-ой международной конференции по лазерному взаимодействию и плазме LIRPP'97 (Монтерей, США, 1997г.), научных семинарах кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ и кафедр квантовой электроники и оптики ЕГУ.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 12 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад соискателя
в работах по теме диссертации, состоит в создании экспериментальной лазерной установки, в проведении экспериментальных исследований, обработки данных и интерпретации результатов методами численного эксперимента.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 111 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунка и библиографию,
включающей 106 наименований (всего 123 листа).
