Введение к работе
Актуальность темы
Интерес к созданию мощны>. высокоэффективных лазерных систем с предельно низкий расходимостью выходного излучения обусловлен перспективами их использования в различных областях науки и техники К числу таких приложений можно отнести лазерно-пхііізменную рентгеноскопию и микролитографию, локацию и дистанционное зондирование, лазерную медицину и др
Среди всего разнообразия лазеров большое распространение получили твердотельные системы на неодимосодержащих средах благодаря их компактности, надежности е работе и простоте эксплуатации Однако именно твердотельные ла$ерные среды подвержены значительным термооптическим искажениям, возникающим в них под воздействием мощного излучения накачки, что приводит к снижению яркости и ограничению средней мощности выходного излучения Поэтому при создании мощных лазерных систем часто используются кри-сталличесьие лазерные среды, тавие как иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ), ортоалгаминат иг-рия (УАЮ3), обладающие высокими термооптическими свойствами Вытеснение ламповых систем накачки полупроводниковыми способствует снижению тепловыделения в объеме активной среды и пэвышеншо качества выходного изгучеяия твердотельных лазерных систем Однако излучение лазеров с мощной диодной накачкой также подвержено влиянию фазовых и поляризационных искажений
Открытие эффекта обращения волнового фронта (ОВФ) излучения при вынужденном рахеянии Манделынтама-Бриллюэна (ВРМБ) [1,2] послужило толчком к началу исследований по созданию адаптивных ла:ерных систем, позволяющих компенсировать искажения волнового фронта излучения в схемах многопро>одовы> лазерных усилителей Пороговый характер ВРМБ позволяет получать и таких системах мощные импульсы наносекундного диапазона длительности с высэким временным контрастом выходного излучения Однако вопросу о возможности получения импульсов микросекундного диапазона длительностей в схемах многопроходовых лазерных усилителей с ВРМБ-зеркалами уделялось существенно меньше внимания Хотя для многих технологических и медицинских приложений представляет интерес создание ласеров с низкой расходимостью выходного излученил, работающих при высоких частотах повторения импугьсов мнкросекундного диапазона длительностей
Одним из способов повышения средней мощности и энергии излучения лазерных устанонок увляется использование крупноапертурного активного эле-
мента (АЭ) пластинчатой формы К мо\ енту начала наших исследований было создано лишь несколько таких установо < на неодимовом стекле, в которых для увеличения яркости выходного излучения использовались ВРМБ-зеркала [3,4] Использование кристаллических лазерных сред позволяет существенно увеличить среднюю мощность выходного излучения таких лазеров
В последнее время все большее внимание уделяется методу ОВФ при вырожденном по частоте четырехволновом смешении (ВЧВС) непосредственно в активной среде лазера [5,6] Основным типом нелинейности в этом случае является нелинейность усиления лазерной среды К достоинствам этого метода относится возможность создания самостартующих голографических лазерных систем, в которых запись решеток насыщенного усиления в начальный момент времени осуществляется под действием самосогласованного поля излучения суперлюминесценции [7] Для увеличена эффективности генерации таких систем в петле обратной связи резонатора часто используется невзаимный эцемент на вентиле Фарадея, обеспечивающий увеличение контраста интерференционной картины пучков, поддерживающих рэст решеток насыщенного усиления [8]
Генерация возможна и в голографических лазерных системах без невзаимного элемента в петле обратной связи [''] Развитие генерации в этих системах может быть объяснено существованием фазовой составляющей решетки инверсной населенности [9] Среди причин, приводящих к возникновению фазовых решеток, можно назвать светоиндуцирої энное тепловыделение в объеме активной среды и разность поляризуемостей основного и возбужденных состояний ионов активатора При достаточно высокой дифракционной эффективности фазовой составляющей решетки инвереюй населенности в лазерной среде возможен процесс вынужденного резонансного рассеяния [10], приводящий к образованию положительной обратной связи в петлевом резонаторе голографическо го лазера
Результаты исследований фазовых решеток при многоволновых взаимодействиях в лазерных средах, проводимых с использованием зондирующих пучков на нерезонансной частоте излучения, дают существенный разброс относительной дифракционной эффективности фазовой составляющей решетки инверсной населенности [11,12] Этот разброс может быть объяснен зависимостью разности поляризуемостей основного и юзбужденного состояний иона активатора от частоты зондирующего излучения При исследовании дифракционной эффективности решетки инверсной населенности методом ВЧВС на резонансной частоте [13] встает проблема разделения вкладов решеток насыщенного
усиления и изменения показателя преломления Поэтому для изучения природы решеток при ВЧВС в лазерных средах ,негуальной является разработка методики прямого определения соотношения дифракционных эффективностей амплитудной и фазовой составляющих решета* инверсной населенности на частоте лазерного перехода
Цель работы
Целью диссертационной работы является создание импульсно-периоцических лазеров с ОВФ-зеркалими с расходимостью выходного излучения близкой к дифракционной, работающих в широком диапазоне длительностей импульсов выходного излучения, изучение природы решеток, возникающих в лазерных средах при ВЧВС на резонансной частоте излучения и исследование причин возникновения положительной обратной связи в схемах топографических лазеров на решетках насыщенного усиления с взаимными петлевыми резонаторами, а также разработка методов модуляции добротности резонаторов таких лазеров
Научная новизна
1 Показано, что для получения в схеме двухпроходового лазерного усили
теля с ВРМБ-зеркалом импульсов изя/чения большой длительности с гладким
временным профилем необходимо выполнение следующего условия
4 = —— GS1, где К- насыщенный коэффициент отражения ВРМБ зеркала, F, -F,S
плотность энергии насыщения лазерной среды, S - площадь сечения усиливаемого лучка, }л - порог ВРМБ по мощности, t - длительность импульса усиливаемого излучения, G - коэффициент усиления слабого сигнала усилителя на один проход Наиболее простым способом изменения параметра является изменение насыщенного коэффициента отражения ВРМБ-зеркала К путем установки перед ВРМБ-зеркалом дополнительной поляризационной развязки
2 На основе эффекта Тальбота разработана методика определения отно
шения дифракционных эффективностей амплитудных и фазовых динамических
решеїок в нелинейных средах Проведенные на основании этой методики экспе
рименты показали преимущественно амплитудный характер решетки инверсной
населенности в кристаллах ИАГ Nd и YA103 Nd В то же время полученные
временные зависимости амплитуд фаювой и амплитудной составляющих ре
шетки свидетельствуют о существенной роли долгоживущих температурных
решеток при стационарных вырожденных взаимодействиях в насыщенных лазерных средах
3 Разработана теоретическая модель образования температурных решеток
при ВЧВС в неодимовых лазерных средах, учитывающая как переходы под
действием излучения накачки, так и переходы с верхнего лазеэного уровня (из-
лучательные и безмзлучательные). Расчеты, проведенные по эч ой модели, хоро
шо согласуются с полученными экспериментальными результатами
-
На основании численного моделирования проанализированы причины, приводящие к образованию положительной обратной связи во взаимных петлевых резонаторах голографических лазеров на решетках насыщенного усиления Показано, что развитие генерации в таких лазерах происходит при неполном обращении волнового фронта излучения, падающего на четьірі:хволнсвое зеркало Кроме того, режим генерации таких лазеров в сильной степени зависит от оптической схемы петлевого резонатора Результаты проведенные экспериментов согласуются со сделанными теоретическими выводами
-
Разработаны методы модуляции добротности взаимных петлевьк резонаторов голографических лазеров на решетках насыщенного усиления при помощи насыщающегося поглотителя, установленного в пересечении внутрирезо-наторных пучков, а также при помощи внешнего ВРМБ-зеркала
Практическая значимость работы.
1. Разработана лазерная система с двухпроходовым усилителем на
YAIO3 Nd и с ВРМБ-зеркалом, позволяющая получать падкие импульсы вы
ходного излучения длительностью 150 нс и энергией до 100 мДж
2. Разработана схема многопроходового лазерного усилителя на активных
элементах из ИАГ Nd цилиндрической формы с ВРМБ-зеркалом, позволяющая
получать мощные импульсы выходного излучения энергией ро 0 45 ,Цж и дли
тельностью 3 не при частоте следования импульсов 5 Гц
3 Создан импульсно-периодический твердотельный лазер (ИПТЛ) на пла
стинчатом активном элементе из YAIO3 Nd с; характерна иками выходного из
лучения энергия в импульсе - до 3 6 Дж, длительность импуліса по полувысоте
- 6 не, расходимость излучения - 1 5 дифракционных предела, частота повторе
ния импульсов -до 3 Гц.
4 Создан ИПТЛ с самонакачивающимся четыре.евол новым и ВРМБ-
зеркалами, выполненный на одном цилиндрическом аіггавиом элементе из
YAIO3 Nd, с энергаей импульса выходного излучения 250 нДж при частоте
следования импульсов 1 Гц и 160 мДж при частоте 10 Гц Расходимость выходного излучения была менее 2 дифракционных пределов
Основные положения, выносимые на защиту.
1 Использование дополнительной поляризационной развязки, уменьшающей насыщенный коэффициент отражения ВРМБ-зеркала, позволяет в схеме двухпроходвого лазерного усилителя с ВРМБ-зеркалом получать импульсы выходного излучения длительностью более 100 не с гладкой временной формой
2. В лазерной схеме с крупноапертурным пластинчатым активным элементом из YAlC>3.Nd и ВРМБ-зеркалом получены импульсы излучения с энергией 3 6 Дж при расходимости выходного гучка, равной 1 5 дифракционным пределам
-
Разработанная экспериментальная методика позволяет проводить прямые измерения отношения дифракционных эффективностей амплитудной и фазовой составляющих решетки инверсной населенности на резонансной частоте излучения с точностью ±0 1
-
Относительная дифракционная эффективность фазовой составляющей решетки инверсной населенности в кристаллах ИАГ Nd и YAlOjNd зависит как от условий ламповой накачки, так и с>т длительности импульсов взаимодействующего излучения и в условиях наших экспериментов не превосходила значения 03
5. Тепловая нелинейность играет существенную роль при стационарных многоволновых смешениях в неодимовых лазерных средах в случае, когда пучки взаимодействующего излучения переев каются в лазерной среде под небольшим углом (1-5 мрад) Полученная теоретическая зависимость амплитуды температурной решетки от амплитуды решетки усиления хорошо согласуется с экспериментальными данными
-
Развитие генерации во взаимном петлевом резонаторе топографического лазера на решетках усиления происходит при неполном обращении волнового фронта излучения, падающего на четырехволновое зеркало, и в некоторых оптических схемах таких лазеров затруднена генерация одномодового, одночастот-ного излучения
-
Использование пассивного модулятора добротности, помещенного в пересечение внутрирезонаторных пучков, и внешнего ВРМБ-зеркала позволяет повысить эффективность работы голографического лазера на решетках усиления с взаимным петлевым резонатором В схеме лазера-генератора с ВРМБ- и само-
накачивающимся четырехволновым ОВФ-зеркалами при использовании одного активного элемента из YAlC^Nd получены в импульсно-периодическом режиме мощные импульсы излучения модулированной добротности с расходимостью менее 2 дифракционных пределов
Апробадия результатов работы і
Основные результаты работы докіадьівались на VI Междисциплинарной конференции по лазерной физике, г Миннеаполис, США, 1990, 9-ой международной конференции "Оптика лазеров", г Санкт-Петербург, 1998 г, тематическом семинаре «Сильные лазерные поля' источники и физика взаимодействия с веществом», 29 - 30 ноября 2004 г, ИПФ РАН, Нижний Новгород; 12th International Laser Physics Workshop (LFHYS'03), August 25-29, 2003, Hamburg, Germany, 15th International Laser Physics Workshop (LPHYS'06), July 24-28, 2006, Lausanne, Switzerland
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в 9-й статьях, 1-м препринте и 3-х тезисах докладов на перечисленных выше конференциях. Список публикаций по материалам работы.
-
Pashinm Р Р, Tumorin V V, Sidonn V S , Shklovsky I J "A Nd'YAP laser incorporating slab amplifier and phase-con ugating mirror". Bulletin of the American Physical Society, vol 35, № 7, p. 1515,1990
-
П П. Пашивин, В С Сидорин, В. В Туморин, Е И Шкловский "Им-пульсно-периодический лазер на ортоалюминате итрия с пластинчатым усили-
.телем" Квантовая электроника, 1991, т 18, №11, с 2070-2073
-
Tumorin V V, Shklovsky I J "Generation of long laser pulses in the scheme of double-pass amplifier with SBS mirror' Optics Communications, 1995, v 120, p 303-306
-
Э В Воскобойник, А В Кирьянов, П П Пашинин, В С Сидорин, В В. Туморин, Е И Шкловский "Импульсно периодический YAG'Nd-лазер с ВРМБ-зеркалом" Квантовая электроника, 1996, т. 22, № 1, с 33-35.
-
П П Пашинин, В С Сидорин, В. В Туморин, Е И Шкловский "Ллазер с ВРМБ- и самонакачивающимся ОВФ-зеркалами" Квантовая электроника, 1997, т 24, №1, с 55-56
-
П П Пашинин, В В Туморин, Е И. Шкловский "Пространственная структура основной моды петлевого резонатора с голограммами на решетках усиления" Квантовая электроника, 1998, т 25, № 8, с 727-729
-
NN Il'ichev, VV Tumorin Measurement of the Amplitude and Phase Parts of the Saturated Gam Grating in a Nd YAG Crystal Using the Talbot Effect Laser Physics, 1004, v 14, No 2, p 258-263
-
H H Ильичев, В В Туморин Использование эффекта Тальбота для определения соотноления амплитудной и фазовой составляющих решетки инверсной населенности в кристалле HATNd при ламповой накачке 'Квантовая электроника, 2004, т 34, №3, с 283-288
-
В В Туморин, НН Ильичев Исследование фазової составляющей решетки инверсной населенности в кристалле YAIO3 Nd при ламповой накачке Квантовая элеюроника, 2005, т 35, №10, с 938-942
-
В В Туморин, Н Н Ильичев О ролидепловой нелинейности при выро-жденны? взаимодействиях в насыщенных лазерных средах Квантовая электроника, 2007, і 37, № 9, с 821-826, Препринт ИОФРАН, 2006, № 49, с. 17
-
NN Il'ichev, VV Tumotin Measurement of amplitude and phase parts of gain grating in УАСІ Nd by using Talbot effect, 12th International Laser Physics Workshop (LPH/S'03), August 25-29, 2003, Hamburg, Germany, Book of abstracts, p 238
-
V V Tunoriii, N N Il'ichev Measurment of the phase component of gam grating in flash lamp pumped Yi\P Nd crystal 15th International Laser Physics Workshop (LPHrS'06), July 24-28, 2006, Lausanne, Switzerland, Book of abstracts, p 230
Личный вклад автора: Все результаты, приведенные в диссертационной работе, получены самим автором, либо при его непосредственном участии
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы Объем диссертации составляет 140 страниц машинописного текста, включая 30 рисунков Список цитированной литературы - 148 нал»енопаний
