Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Влияние дисперсионных характеристик оптических элементов лазера на самосинхронизацию мод 13
1.1. Основные закономерности явления синхронизации.. 13
1.2. Методы синхронизации мод 17
1.3. Влияние дисперсии активной среды на самосинхронизацию продольных мод газового лазера 22
1.4. Особенности фазовых характеристик многолучевых интерферометров 30
Глава 2. Экспериментальное и теоретическое исследование самосинхронизации продольных мод HC-NC лазера с фазовым интерферометром 40
2.1. Расчет параметров фазового интерферометра для самосинхронизации продольных мод 40
2.2. Экспериментальное исследование самосинхронизации продольных мод Нб-16 лазера с фазовым отражающим интерферометром 48
2.2.1. Описание экспериментальной установки 48
2.2.2. Результаты эксперимента 52
Глава 3. Исследование частотного с конфокальным резонатором 60
3.1. Методы повышения эффективности использования объема активной среды непрерывных лазеров 60
3.2. Идеальные частотно-вырожденные резонаторы 71
3.3. Неидеальный конфокальный резонатор 83
3.4. Описание экспериментальной установки 89
3.5.1. Измерение пространственной когерентности 96
3.5.2. Метод измерения относительного радиуса пространственной когерентности 101
3.6. Экспериментальное исследование характеристик излучения Н(Н\ІС лазера с конфокальным резонатором 116
Глава 4. Исследование пространственной синхронизации поперечный мод 130
4.1. Расчет коэффициентов связи мод 130
4.2. Пространственная самосинхронизация модТtriQflqr. 137
4.3. Пространственная синхронизация мод ТЕМ 147
4.4. Самосинхронизация мод TEMQ ИТЕПДО 162
Заключение 175
Литература 177
- Влияние дисперсии активной среды на самосинхронизацию продольных мод газового лазера
- Расчет параметров фазового интерферометра для самосинхронизации продольных мод
- Метод измерения относительного радиуса пространственной когерентности
- Пространственная синхронизация мод ТЕМ
Введение к работе
Для улучшения параметров существующих лазеров и расширения их возможностей в науке и технике требуются новые, более эффективные методы управления спектральными, пространственными и корреляционными характеристиками лазерного излучения. Особенно актуальна задача разработки таких методов для наиболее распространенных типов лазеров, в частности, гелий-неонового лазера.
Одним из способов управления характеристиками лазерного излучения является синхронизация оптических колебаний [і, 2] . Для лазеров характерны два основных типа спектра синхронизуемых мод. Во-первых, возможен захват близких частот, принудительный [2, 3) или взаимный [4, б] , при котором возникает одночастотное колебание нескольких полей. Во-вторых, возможна синхронизация группы мод с разными частотами, как правило, эквидистантными, когда выходное излучение представляет собой периодическую последовательность импульсов. Это наиболее изученный к настоящему времени тип синхронизации - синхронизация продольных мод [і, б) .
Одним из важнейших приложений лазеров, работающих в режиме синхронизации продольных мод, являются исследования по лазерному термоядерному синтезу, в которых лазер, генерирующий оптические импульсы, используется в качестве задающего генератора мощ-. ной усилительной системы [7, 8) .
Лазер, генерирующий последовательность коротких импульсов, может использоваться в качестве тактового генератора в прецизионной оптической локации [9] , в быстродействующих оптических устройствах обработки информации [ICJ] и волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), отличающейся повышенной помехоустойчивостью [її]. К существенному повышению пропускной способности ВОЛС с ИКМ может привести использо- вание лазера, генерирующего сверхкороткие импульсы в области спектра, соответствующей минимальной дисперсии оптических волокон [IZ]. Для устройств обработки информации созданы сверхбыстродействующие оптические логические устройства [ІЗ] , а также полупроводниковые лазеры с синхронизацией мод [14] , что в перспективе позволит создать интегральные оптоэлектронные схемы. Лазеры с синхронизованными модами дают возможность генерировать мощные пикосекундные электрические импульсы [15], измерять быстродействие скоростных фотоприемников и оптических волокон [іб]. Режим синхронизации продольных мод оказывается полезным и в маломощных лазерах, например, он позволяет повысить пиковую мощность [17] и уменьшить уровень шумов выходного излучения [18, 19].
Необходимыми условиями для любого приложения являются простота получения синхронизированного режима, его долговременная стабильность, возможность управлять характеристиками отдельного импульса и последовательности импульсов в целом. Важное значение имеет ширина спектра надежно синхронизованных мод, определяющая предельные параметры импульса - его длительность и пиковую мощность. Однако техническая сложность существующих методов синхронизации мод, их невысокая энергетическая эффективность, недостаточная стабильность генерируемых импульсов препятствуют широкому использованию режима синхронизации мод в серийно выпускаемых лазерах, в том числе и в гелий-неоновом [20, 2Ї] .
Известно, например, что самосинхронизация продольных мод наблюдается в большинстве лазеров, однако только вблизи порога генерации. Это препятствует получению импульсов, ограниченных предельной шириной спектра генерации. Режим самосинхронизации продольных мод чувствителен к настройке резонатора и потому нестабилен [і].
Одним из факторов, препятствующих синхронизации продольных мод, является дисперсия оптических элементов резонатора, в частности, дисперсия показателя преломления активной среды, определяющая фазовые скорости волн в резонаторе и степень неэквидистан тности частот. В лазерах с непрерывной накачкой дисперсия приводит к срыву режима самосинхронизации [I9J либо ограничивает число синхронизованных мод [22], а в импульсных лазерах приводит к расплыванию импульса из-за частотной модуляции [23].
В работе [22] было предложено компенсировать дисперсию активной среды введением в резонатор дополнительного вещества с противоположным знаком дисперсии. Известно, что в непрерывных лазерах с пассивной синхронизацией мод насыщающимся фильтром такая компенсация имеет место [24]. В результате отклонение от эквидистантности становится настолько малым, что возникает самосинхронизация мод. Однако насыщающийся фильтр является нелинейным элементом, что, естественно, значительно усложняет общую настройку режима самосинхронизации. Очевидно, возможности управления самосинхронизацией существенно бы возросли, если бы настройка производилась управляемым пассивным внутрирезонаторным элементом.
В качестве такого элемента Ю.В.Троицкий предложил [25] использовать отражающий фазовый интерферометр Жирэ-Турнуа [26], который ранее применялся для сжатия частотно-модулированных импульсов вне резонатора [27]. Использование такого интерферометра в качестве одного из зеркал резонатора лазера позволяет скомпенсировать неэквидистантность мод, вызванную затягиванием частот генерации в активной среде, неэквидистантностью мод "холодного" резонатора, не внося при этом дополнительных потерь. В настоящей диссертации проведено подробное теоретическое и экспе- риментальное исследование самосинхронизации продольных мод пб-Мб лазера с фазовым интерферометром.
В этой связи требует исследования вопрос о частотной зависимости фазы коэффициента отражения интерферометра. В долазер-ной оптике и спектроскопии использовались, в основном, амплитудно-частотные характеристики коэффициента пропускания или отражения интерферометра. В лазерах, однако, дисперсия фазы в резонаторе определяет частоты генерации, поэтому знание фазовых характеристик необходимо в таких областях, как селекция и стабилизация частоты излучения [28] , самосинхронизация мод и преобразование коротких оптических импульсов [29, 30] . В частности, возможности управления спектральными и временными параметрами излучения определяются тем, каков характер связи амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик оптического элемента резонатора, насколько они независимы. В диссертации исследован вопрос о связи амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик отражающего интерферометра, а также интерферометра абри-Перо, работающего на пропускание.
Значительный интерес для различных задач квантовой электроники представляет явление захвата частоты. Например, для селекции мод и стабилизации спектра в мощных импульсных и непрерывных лазерах целесообразно использовать последовательную схему, состоящую из высокостабильного маломощного задающего лазера и мощного регенеративного усилителя или лазера [2, Зі] . В последние годы интенсивно развивается метод когерентного сложения мощностей нескольких полупроводниковых лазеров [4, 5J . Меняя уровень связи между отдельными лазерами в такой системе, можно управлять диаграммой направленности в дальней зоне [32, 33] .
Теоретически доказана возможность взаимного захвата близких частот поперечных мод внутри одного резонатора [34-36], однако прямое экспериментальное доказательство существования этого явления отсутствует. Между тем, одночастотная генерация поперечных мод могла бы оказаться полезной для повышения мощности пространственно-когерентного излучения и для формирования лазерных пучков с заданным распределением интенсивности. Мощность основной моды для большинства серийно выпускаемых лазеров с устойчивым резонатором, как газоразрядных, так и твердотельных, составляет 10-20$ мощности многомодового режима [20, 21, 39/, т.е. большая мощность многомодового режима оказывается практически бесполезной.
Причиной низкой пространственной когерентности излучения является многочастотная генерация поперечных мод разной пространственной структуры [38]. Существуют, однако, резонаторы, в которых поперечные моды, в принципе, должны быть вырождены по частоте [40J, т.е. в лазере с таким резонатором должно генерироваться единое когерентное поле многих поперечных мод. В твердотельных лазерах получена генерация с вырожденным резонатором, принадлежащим по дифракционным потерям к границе устойчивости [41, 42], однако спектральные и корреляционные характеристики излучения не изучались. Исследование спектра биений излучения гелий-неонового лазера с конфокальным резонатором, номинально являющимся частотно-вырожденным, показало, что разброс частот в группе мод, соответствующих одной частоте идеального резонатора, на 1*2 порядка превышает ширину полосы захвата частот из-за погрешностей оптических элементов [34, 43].
В [44] была теоретически рассмотрена возможность расширения полосы захвата квазивырожденных частот за счет усиления связи между полями мод при дифракционном возмущении пучка внутри резо- натора. Здесь же был предложен термин "пространственная синхронизация" для обозначения явления генерации стационарных суперпозиций вырожденных мод в отличие от изменяющихся во времени полей при временной синхронизации мод с разными частотами.
В диссертации на примере HC'NG лазера с конфокальным резонатором экспериментально подтверждается существование пространственной самосинхронизации поперечных мод, исследуются спектральные, корреляционные и пространственные характеристики синхронизованного излучения. Дифракционное взаимодействие между модами усиливалось путем введения в резонатор пространственно-неоднородных возмущающих элементов.
Помимо повышения мощности пространственно-когерентного излучения, практический интерес представляет задача генерации когерентных полей с заданным распределением интенсивности. В диссертации экспериментально исследована самосинхронизация мод TEMjq и TEMqj, формирующих пучок с кольцеобразным распределением интенсивности в поперечном сечении, имеющим минимум на оси. Такой пучок может оказаться более эффективным, чем пучок основной гауссовой моды TEMqq, в оптических визирных и направляющих системах с фотоэлектрической регистрацией.
Исследование полей поперечных мод осложняется отсутствием достаточно эффективных методов измерения корреляционных характеристик излучения. Традиционные методы [37, 38J, используемые, как правило, при анализе полей с равномерным или гауссовым распределением интенсивности, для исследования многомодовых полей поперечных мод со сложной амплитудно-фазовой структурой либо непригодны, либо у них резко снижается быстродействие, что особенно проявляется при исследовании прстранственной когерентности полей, структура которых зависит от времени или от какого-либо изменяющегося параметра. Причиной этого является многоступенчатость методов измерения когерентности. В диссертации описан метод прямого измерения основной корреляционной характеристики многомодового пучка - относительного радиуса пространственной когерентности - по контрасту дифракционной картины спеклов за диффузным рассеивателем. Существенным преимуществом метода является независимость результатов измерений от распределения интенсивности в поперечном сечении пучка.
Целью настоящей работы в соответствии с изложенными выше проблемами является развитие методов управления спектральными, корреляционными и пространственными характеристиками излучения HC'NC лазера (0,63 мкм) в режиме самосинхронизации продольных или поперечных мод.
В соответствии с целью работы были составлены следующие основные задачи:
Разработка и исследование метода управления самосинхронизацией продольных мод.
Экспериментальное осуществление взаимного захвата частоты квазивырожденных поперечных мод.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые проведено теоретическое и экспериментальное исследование метода управления режимом самосинхронизации продольных мод гелий-неонового лазера при помощи отражающего фазового интерферометра; поставлена и решена задача о характере связи амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик многолучевых интерферометров; получено экспериментальное доказательство существования эффекта взаимного захвата частоты поперечных мод - их "пространственной" самосинхронизации; - II - впервые предложен и исследован метод измерения радиуса пространственной корреляции многомодового лазерного пучка. Автор выносит на защиту следующие положения:
В лазере с фазовым отражающим интерферометром за счет взаимной компенсации дисперсии активной среды и фазы коэффициента отражения интерферометра происходит выравнивание межмодовых частотных интервалов и наблюдается регулируемая самосинхронизация продольных мод в широком спектре и при большом превышении над порогом.
В отличие от интерферометра Фабри-Перо, работающего на пропускание, в двухзеркальном многолучевом отражающем интерферометре можно независимо управлять частотной дисперсией амплитуды и фазы коэффициента отражения путем изменения параметров зеркал.
В гелий-неоновом лазере с конфокальным резонатором под действием внутрирезонаторного рассеивающего элемента возникает взаимный захват частоты поперечных мод и их "пространственная" самосинхронизация, т.е. образование стационарных частотно-вырожденных суперпозиций мод.
Контраст спеклов за диффузным рассеивателем однозначно определяется числом генерируемых поперечных мод, т.е. относительным радиусом пространственной корреляции поля, и слабо зависит от угла рассеяния, диаметра лазерного пучка на рассеивателе и распределения интенсивности в поперечном сечении.
Исследования, результаты которых изложены в диссертации,проводились согласно плану научно-исследовательских работ Института автоматики и электрометрии Сибирского отделения АН СССР по темам "Исследование и разработка источников излучения для оптико-электронных устройств восприятия, записи и обработки информа- ции" (Гос. per. № 76050048; 1976-1980 гг.) и "Разработка и исследование новых функциональных систем и элементов когерентной и нелинейной оптики. Методы управления спектром, когерентностью и пространственным распределением поля лазерного излучения" (Гос. per. № 81083902; I98I-I985 гг.).
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в журналах "Квантовая электроника" [107, 15б], " Оптика и спектроскопия" [і 00] , "Автометрия" [153, 157], в препринте ИАиЭ СО АН СССР [133], а также докладывались на Всесоюзной конференции "Приборы и методы спектроскопии" [iOl]. Диссертация обсуждалась на межлабораторном семинаре 1-го научного направления ИАиЭ СО АН СССР.
Автор благодарит Ю.В.Троицкого за предложенную тему и постоянное внимание к работе, А.Р.Саметова и С.В.Якушкина за помощь в работе, а также сотрудников лаборатории квантовой электроники ИАиЭ СО АН СССР за плодотворные обсуждения результатов работы на семинарах. - ІЗ -
Влияние дисперсии активной среды на самосинхронизацию продольных мод газового лазера
Пассивная синхронизация мод. Для самосинхронизации мод гелий-неонового лазера в качестве внутрирезонаторного насыщающегося поглотителя (просветляющегося фильтра, пассивного затвор) использовалась газоразрядная неоновая ячейка [70, 7lJ , а при длине активного элемента, равной Юм- раствор красителя [72J . ... Частотный спектр синхронизованных импульсов в лазерах с пассивной синхронизацией, как правило, шире, чем в режиме обычной самосинхронизации [71J. Минимальная длительность синхронизованных импульсов в rU-N лазере t" 0,3 нсек соответствует AV 3,3 ГГц, что приблизительно в два раза больше, чем в режиме свободной генерации [і]. Такое расширение спектра, по-видимому,связано с комбинационным взаимодействием мод [52] .
Активная синхронизация мод. В лазере синхронизация мод была впервые получена при активной модуляции потерь резонатора на частоте межмодовых биений [73]. Для синхронизации использовалась также модуляция фазы световой волны, возникающая при периодическом изменении показателя преломления внутрирезонаторного оптического элемента [74]. Пропускание световой волны с частотой V0через оптический элемент, параметры которого модулируются с частотой Vflit на спектральном языке означает появление в выходном излучении боковых компонент с частотами Уфі V j . Если У чИС , то в активной среде лазера каждая боковая компонента захватывает частоту ближайшей моды, в результате частоты мод становятся эквидистантными.
В качестве модуляторов можно использовать нелинейные кристаллы с большими потерями, если помещать их не в лазерный резонатор, а в связанный с ним интерферометр. Это расширяет возможности управления синхронизованными импульсами, однако требует точного согласования длин связанных резонаторов [75]. На лазерных переходах с большим коэффициентом усиления, например, 3,39 мкм в Не-І\І лазере, перенос энергии от генерирующих мод к под-пороговым путем сильной фазовой модуляции позволяет существенно расширить спектр импульсов и тем уменьшить их длительность с 3 нсек до 170 псек [76].
Преимуществом активной синхронизации мод является высокая воспроизводимость световых импульсов. Однако модулятор вносит в резонатор потери, особенно нежелательные в маломощных лазерах. Для того, чтобы частота модуляции не выходила из полосы захвата частоты межмодового интервала (Д% 10 кГц) [74], необходима электронная подстройка частоты модулятора или температурная стабилизация резонатора, как при самосинхронизации L77J.
Техническая сложность настройки и стабилизации режима синхронизации продольных мод, а также другие недостатки, присущие описанным методам, позволяют сделать вывод об актуальности дальнейших исследований в этом направлении. В следующем параграфе будет показано, что весьма важным фактором получения режима самосинхронизации большого числа продольных мод и генерации импульсов предельно малой длительности является согласованность дисперсионных характеристик оптических элементов резонатора, как активных, так и пассивных.
Синхронизация эквидистантных поперечных мод. По характеру спектра и методам возбуждения синхронизация частотно-эквидистантных поперечных мод гораздо ближе к временной синхронизации продольных мод, чем к пространственной синхронизации поперечных мод при захвате частот, поэтому обзор результатов проведен в этом разделе.
Частоты поперечных модТЕМ дя идеального резонатора при a=C0WSt эквидистантны, однако изменение поперечного индекса W сопровождается изменением пространственного распределения 78j. Поэтому при синхронизации возникают пространственно-временные вариации выходного пучка. Периодический наклон одного из зеркал с частотой межмодовых биений синхронизует моды, восстанавливает эквидистантность, нарушенную затягиванием, в результате чего в лазере возникает качающийся луч. Ширина луча при синхронизации
К мод пропорциональна 1/г К » амплитуда качания V К Р 9j При синхронизации поперечных мод цилиндрической симметрии возможны пульсации диаметра выходного луча [80] или движение волнового пакета в резонаторе по конической спирали [8l] . Периодические колебания пространственного распределения выходного пучка наблюдались также в Ncl и LUo лазерах при самосинхронизации поперечных мод и при синхронизации насыщающимся поглотителем (см. обзор работ в [Ї]).
Лазеры с высокочастотным сканированием пучка на основе синхронизации поперечных мод практического применения, однако, не получили. Причиной этого, во-первых, является отсутствие в настоящее время электронных устройств обработки оптических сигналов с быстродействием, соответствующим частоте межмодовых биений порядка 100 МГц. Второе принципиальное ограничение заключается в том, что для практических применений система сканирования должна обеспечивать большое число разрешимых точек, в данном случае пропорциональное числу поперечных мод. Однако для синхронизации большого числа мод основным препятствием является уже не затягивание частот, а аберрации элементов резонатора [43], например, астигматизм брюстеровских окон [82]. Кроме того, сканирование луча возникает только при определенных отношениях амплитуд синхронизованных мод [79]. Если они нарушаются, форма луча заметно искажается [83].
Причиной неэквидистантности межмодовых интервалов является затягивание - неравномерное смещение частот генерации к центру линии усиления, зависящее как от частоты данной моды резонатора, так и от степени насыщения коэффициента усиления [бЗ. Частота генерации определяется из условия кратности набега фазы волны 1Гпри двойном проходе резонатора.
Расчет параметров фазового интерферометра для самосинхронизации продольных мод
Видно, что близким кривым \\(Ю) с данным значением Fx соответствует целый набор кривых сСр((0), причем может быть как больше, так и меньше двух. Амплитудной характеристике ИФП (кривая б на рис. (1.4-2а) соответствует единственная Ш (кривая б на рис. (1.4-26). На рис. (1.4-3) представлена обратная ситуация, когда c =COI1ST, а фактор резкости меняется. Графики на рис. (1.4-2), (1.4-3) построены по точным формулам (1.4-7), (1.4-8).
Характер зависимости doC f) меняется при переходе точки чг=1 При G 1 oL представляет собой монотонно убывающую функцию с наложенными на нее осцилляциями, тогда как при G ± сіп является осциллирующей функцией с размахом осцилляции, не превышающим J і и монотонно уменьшающимся с ростом (J- .
Таким образом, подбирая параметры первого зеркала отражающего интерферометра, можно независимо изменять форму амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик вблизи максимума коэффициента отражения, хотя, конечно, при любых Q-, В им амплитуда и фаза ОИ связаны взаимно однозначно.
Сравним возможности интерферометра Фабри-Перо, работающего на пропускание, и отражающего интерферометра в экспериментах по самосинхронизации и внутрирезонаторной селекции продольных мод. В первом случае требуется вполне определенная кривизна фазовой характеристики коэффициента передачи интерферометра для компенсации дисперсии активной среды. В то же время интерферометр не должен вносить дополнительных потерь, сужающих спектр генерации. У отражающего фазового интерферометра (R =1,Q = 0), не вносяще-го потерь, нужную кривизну ОІЩ Q((j$) можно получить путем подбора коэффициента отражения 1-го зеркала. У пропускающего интерферометра дисперсия фазы жестко связана со спектральной шириной поэтому компенсация дисперсии может сопровождаться нежелательным сужением спектра.
В работе [28J описан эксперимент по селекции мод в лазере, иллюстрирующий возможности ОИ. Меняя параметры внутрирезонатор-ного ОИ» выделяющего данную моду, можно изменять уровень и знак девиации частоты, возникающей при сканировании длины ОИ. В частности, при определенных параметрах ОИ девиация вообще отсутствует в широких пределах изменения длины ОИ, что, конечно, весьма полезно для систем стабилизации частоты. При селекции внутрире-зонаторным наклонным интерферометром Фабри-Перо сканирование его длины всегда сопровождается девиацией частоты выделяемой моды.
Как уже указывалось, формулы (1.4-6)-(1.4-8) можно обобщить на случай произвольного значения Коду. Воспользуемся результатами [98J и рассмотрим отражающий интерферометр без поглощения в первом зеркале при R gy 1. В этом случае Из (1.4-3) нетрудно показать, что
Последнее условие означает, что кривизна ФХ определяется следующим, кубическим членом разложения по ЛФ. Таким образом, изменяя К иRg, можно управлять фактором резкости rft iGln и наклоном ФХ HQ -Z/H В максимуме коэффициента отражения. Непосредственно из формулы (1,4-3) этот результат вряд ли может быть получен, поскольку 1 и сЬц являются сложными функциями Тем более этого нельзя сделать и в общем случае
Остаются, однако, вопросы, исследование которых выходит за рамки диссертационной работы, поскольку оно связано с современным состоянием теории целых функций [99J. Например, из отсутствия нулей у аналитической функции (%) следует, как было показано, вывод о "жесткой" связи амплитуды ttllj d)) и фазы WiQ -j(CO). Однако неизвестно, к каким общим следствиям ведет противоположное условие - когда нули есть. В данном конкретном случае можно сказать, что более широкие возможности отражающего интерферометра связаны с наличием большего числа параметров, чем у пропускающего интерферометра Фабри-Перо.
Результаты анализа амплитудно-фазовых характеристик отражающего интерферометра опубликованы в работах [100х, I0IxJ.
Метод измерения относительного радиуса пространственной когерентности
Существующие методы измерения пространственной когерентноети лазерного излучения характеризуется низким быстродействием. Это объясняется, во-первых, многоступенчатостью процесса измерения - наличием одного или нескольких этапов регистрации информации, и этапа обработки данных. Например, при измерениях интерферометром Юнга требуется просканировать интерференционную картину, зафиксировать I jin »-4wflX а затем» последовательно перекрывая пучки, измерить І Тд . Перед каждым новым измерением Х( flg) необходимо изменить L %л . Все эти этапы требуют перестройки оптико-механической системы измерений, что, конечно, снижает общее быстродействие. В такой ситуации даже использование для регистрации скоростной техники фотоотсчетов [l45j не решает проблемы.
Эти сложности в какой-то степени преодолеваются, если картина поля достаточно проста. Но в этом случае измерение когерентности уже не имеет актуального значения. Когда же распределение поля имеет сложную амплитудно-фазовую структуру, которая к тому же в процессе эксперимента меняется, указанный недостаток проявляется в полной мере. Низкое быстродействие методов является в настоящее время основным препятствием в исследовании пространственной когерентности импульсных лазеров [37].
Во-вторых, принципиальной особенностью существующих методов и их недостатком является то, что объем получаемой информации избыточен. Все известные методы предназначены для измерения степени пространственной когерентности, которая является сложной многомерной функцией координат t и u . Поэтому результат единичного измерения еще ничего не говорит о свойствах поля - необходимо провести множество измерений, причем только для того,что-бы, отбросив информацию о детальной структуре УС І У-д) » сделать окончательный вывод о соотношении характерного радиуса пространственной корреляции Д. и диаметра пучка Сл . Как уже указывалось, именно отношение Pu/d является объективной характеристикой корреляционных свойств данного поля. Однако в настоящее время не существует прямых методов измерения О или (/U , необходимых для синхронной индикации корреляционных свойств пучка со сложной пространственной структурой ПОЛЯ.
Поскольку ставится задача создать метод, пригодный для измерения корреляционных свойств пространственно-неоднородных полей, существенного упрощения измерений можно, по-видимому, достигнуть, если структура поля вообще не будет влиять на результат измерений. Это, очевидно, возможно, если поле каким-то образом "перемешать". В простейших вариантах такого "перемешивания" поле дифрагирует на системе отверстий или на дифракционной решетке и контраст усредняется по распределению поля [l46J. Контраст интерференционной картины в интерферометре Майкельсона с переворотом волнового фронта равен lV(fCCo= ""ЗЪ) I » если поле симметрично относительно ребра 90-ой призмы LI47J.
Очевидно, наиболее полное "перемешивание" поля можно получить, пропуская его через диффузный рассеиватель. При этом, как известно, образуется пятнистая дифракционная картина - "спеклы" _I48j. Известно, что при увеличении числа поперечных мод в диф-фузно рассеиваемом пучке при регистрации голограммы сфокусированного изображения снижается контраст интерференции в плоскости голограммы LI49J, т.е. налицо связь О опорного пучка с контрастом спеклов. Контраст спеклов в плоскости изображения шероховатой поверхности, освещаемой квазимонохроматическим тепловьм излучением, контраст спеклов монотонно зависит от Р., поля в плоскости рассеивателя LI50J . Если рассеиватель освещается узким пучком когерентного излучения моды ТЕМ oOCLi то контраст спеклов дифрагированного излучения только в пределах приосевой зоны зависит от шероховатости, а вне этой области контраст стремится к единице Ll5IJ.
Качественно ясно, что при освещении рассеивателя многомодо-вым пучком поперечных мод контраст спеклов в дифрагированном излучении должен снижаться по мере роста числа поперечных мод. Однако совершенно неочевидно, что контраст определяется только числом поперечных мод и на него не влияет сложная амплитудно-фазовая структура пучка. Ни теоретически, ни экспериментально этот вопрос не исследовался. В данном параграфе исследуется угловая зависимость контраста спеклов, возникающих при дифракции частично-когерентного лазерного пучка на прозрачном диффузном рассеивателе. Показано, что контраст определяется, главным образом, числом поперечных мод, т.е. относительным радиусом пространственной корреляции поля и слабо зависит от угла рассеяния. На контраст также слабо влияют размеры пучка на рассеивателе и распределение интенсивности в поперечном сечении пучка, которые могут изменяться в широких пределах.
Схема эксперимента изображена на рис. (3.5-3). Использовался n-N#лазер, описанный в 3.4, с длиной резонатора С , уменьшенной до 1,7 м, чтобы исключить эффекты вырождения мод. Максимальный индекс генерируемых поперечных мод NJ-QN/контролировался с помощью двух внутрирезонаторных диафрагм. Степень селекции отдельных мод внутрирезонаторным селектором П контролировалась визуально, что на результаты эксперимента повлияло незначительно. Перед фотокатодом ФЭУ была установлена диафрагма диаметром 45 мкм. Сигнал ФЭУ регистрировался самописцем.
Пространственная синхронизация мод ТЕМ
В целом, данные рис. (3.5-5) (3.5-8) позволяют сделать достоверный вывод о том, что контраст и видность картины спеклов в дифрагированном пучке определяются числом генерируемых поперечных мод или максимальным поперечным индексом, т.е. относительным радиусом пространственной корреляции fL/Сл падающего на рассеиватель пучка. От угла рассеяния, диаметра пучка на рассеивателе и распределения интенсивности в сечении пучка усредненные характеристики картины спеклов зависят слабо. Следовательно, измеряя контраст или видность спеклов, можно однозначно определить относительный радиус пространственной корреляции пучка.
Необходимо отметить, что все преимущества этого метода,в частности, повышение быстродействия, могут быть реализованы только при наличии электронного устройства обработки сигналов, создание которого, естественно, выходит за рамки оптических исследований. Блоки измерения экстремальных значений сигнала, вычитания, сложения и деления могут быть достаточно просто реализованы на основе аналоговой или цифровой техники. Усреднение может непосредственно производиться индикаторынм устройством, например, цифровым вольтметром. Без такого устройства обработка больших массивов информации - вычисление С и V -занимает в целом не меньше времени, чем измерения с интерферометром Юнга. По этой причине измерения когерентности по контрасту спеклов при исследовании синхронизации поперечных мод не проводились, хотя именно необходимость достаточно оперативно исследовать пространственную когерентность многомодового поля послужила непосредственным стимулом для разработки этого метода.
Экспериментальные результаты, изложенные в данном параграфе, опубликованы в работе [153 ].
В этом параграфе описывается исследование зависимости мощности генерации Р, ширины спектра биений , распределения интенсивности на зеркалах резонатора и пространственной когерентности излучения от длины резонатора С в окрестности точки частотного вырождения. Максимальные значения поперечных индексов IT) и И при полностью открытых диафрагмах Д и Д (рис.3.4-1) достигали .10-12.Визуальный диаметр пучка на зеркалах
Последовательной многократной юстировкой зеркал резонатора лазера устанавливалась максимальная мощность генерации. Погрешность настройки на максимум по показаниям цифрового вольтметра В7-23 не превышает 1%. Зеркало Mj последовательно смещалось вдоль оптической оси на 0,5 1 мм, после чего проводилась его подъюстировка на максимум мощности. В каждой точке регистрировались указанные выше параметры. Отметим, что в наших экспериментах шаг изменения длины резонатора был на порядок меньше, чем в ранее опубликованных работах [іЗО, 131, 134, 135], что позволило обнаружить ряд новых эффектов.
Длина резонатора, соответствующая минимальной ширине спектра биений в дальнейшем именуется конфокальной длиной fc . На рис. 3.6-1 представлена типичная картина спектра биений в точке - при разности радиусов кривизны зеркал Вид спектра зависит от длины резонатора и от настройки зеркал на максимум г с точностью до нескольких процентов. При перестройке резонатора вблизи - амплитуды биений могут изменяться в широких пределах, но слияния биений не происходит. Аналогичное поведение спектра наблюдалось в [34J
На рис. (3.6-2а) изображена зависимость г(с) от длины резонатора для различных значений Мкмлу генерируемых поперечных мод. Мощность основной модыТЕМрд изменяется не более чем на 8% в пределах изменения на 60 мм и в окрестности А 0 имеет слабый максимум. Мощность пучка поперечных мод с A/ j 5" имеет явно выраженный минимум в окрестности Al-0 . Для полного пучка (NflifixZ(fl) этот минимум еще глубже. Это согласуется с данными LI30J. Как показано в 3.3, углубление провала по мере роста WftjflX связаН0 с ростом потерь поперечных мод в области неустойчивости. Кривые 3,4 соответствуют двум независимьм проходам интервала изменения At . В области минимума эти кривые сливаются - разность между ними не превышает 0,5$ текущего значения мощности.
Кривые 1-54 соответствуют одной и той же настройке зеркала Мр, при которой ширина минимума равна 20 мм - в 2 раза больше величины АЇ=І0НН. После поворота зеркала М вокруг оптической оси на 90 и последующей настройки зеркал на максимум г конфокальная длина осталась неизменной с точностью - 0,5 мм, однако минимум сдвинулся в область , а ширина его стала равной &X (кривая 5). Общая мощность в той же точке настройки повысилась на 8%.
